Курс "Теоретические основы эпитаксии наноструктур"
Преподаватель: профессор, д. ф.-м. н.
Краткая информация о курсе
Цели и задачи дисциплины. Дисциплина направлена на подготовку студентов в области современной теории формирования наногетероструктур полупроводниковых материалов. Курс дает представление об основных физических процессах, приводящих к формированию тонких пленок на поверхности твердого тела, кинетических механизмах роста эпитаксии наногетероструктур типа квантовых ям, квантовых точек и квантовых проволок, современных теоретических подходах к описанию процессов формирования наноструктур, возможностях по управлению структурными параметрами параметрами пленочных структур и наноструктур. Курс базируется на естественнонаучных дисциплинах "Высшая математика", "Физика", "Статистическая физика", "Физика твердого тела", "Физическая кинетика" и является специальной технической дисциплиной, овладев которой студенты получат знания, необходимые для успешной профессиональной деятельности. Курс дает представление об общих теоретических подходах к исследованию процессов формирования тонких пленок, гетероструктур типа квантовых ям и наноструктур пониженной размерности. Затем теория иллюстрируется конкретными примерами:
1. Формирование квантовых точках в полупроводниковых гетероэпитаксиальных системах, рассогласованных по параметру решетки, методом молекулярно-пучковой эпитаксии (системы InAs/GaAs, Ge/Si).
2. Формирование нанометровых нитевидных кристаллов (нановискеров) на активированных поверхностях (система Ga(Al)As/GaAs-Au).
В результате изучения дисциплины студенты должны:
Знать основные кинетические процессы на поверхности (адсорбция, десорбция, поверхностная диффузия) и теоретические методы их описания.
Иметь представление о состоянии, проблемах, путях развития и перспективах теории формирования тонких пленок и наноструктур на поверхности твердого тела.
Знать основные физические процессы и механизмы роста тонких пленок и формирования наноструктур.
Иметь представление об основных теоретических моделях для исследования структуры поверхности, их взаимосвязи, получаемых на их основе результатах, аналитических и численных методах расчета.
Иметь представление о возможностях управления структурными характеристиками наногетероструктур путем изменения технологически контролируемых параметров их выращивания.
Содержание рабочей программы.
Тема 1. Обзор современных технологий тонких пленок и наногетероструктур – 2 ч. Современные технологии получения полупроводниковых тонких пленок и наногетероструктур. Метод молекулярно-пучковой эпитаксии. Метод газофазной эпитаксии из металлоорганических соединений. Полупроводниковые гетероэпитаксиальные системы, согласованные по параметру решетки. Рассогласованные гетероэпитаксиальные системы. Основные методы диагностики наногетероструктур.
Тема 2. Введение в теорию эпитаксии наногетероструктур - 2 часа. Обзор основных теоретических подходов к исследованию процессов формирования тонких пленок, наногетероструктур и их взаимосвязи. Историческая справка. Термодинамика. Кинетический подход. Теория фазовых переходов первого рода.
Тема 3. Основные ростовые процессы на поверхности твердых тел – 2 ч. Адсорбция, поверхностная диффузия и десорбция. Монослойные и многослойные пленки. Фазовые переходы первого рода в тонких пленках. Роль межчастичных взаимодействий. Конфигурационный интеграл. Уравнение состояния монослойной пленки в приближении самосогласованного поля. Равновесие фаз с различной поверхностной плотностью. Равновесная концентрация адатомов и пересыщение.
Тема 4. Кинетика начальной стадии формирования тонких пленок – 4 ч. Понятие о критическом размере островка и активационном барьере нуклеации. Кинетика нуклеации островков. Теория нуклеации Зельдовича – Френкеля. Уравнение для функции распределения островков по размерам. Интенсивность нуклеации. Скорость роста островков и ее зависимость от размера островка. Уравнение эволюции в закритической области и уравнение материального баланса. Функция распределения островков на этапе независимого роста. Средний размер и поверхностная плотность островков. Управляющие параметры. Иерархия временных масштабов процесса конденсации тонких пленок. Пример численного расчета. Понятие об оствальдовском созревании в тонких пленках.
Тема 5. Теория формирования сплошной пленки - 2 ч. Слияние островков и образование сплошной пленки. Капельная коалесценция и твердофазное спекание. Модель двумерной кристаллизации Колмогорова. Частные случаи. Заполнение поверхности, периметр границы двумерного кристалла и другие структурные характеристики на стадии коалесценции.
Тема 6. Основы теории формирования многослойных пленок - 2 ч. Механизмы роста Франка – ван-дер-Мерве, Фольмера – Вебера и Странски-Крастанова. Теоретические модели роста многослойной пленки. Модель Кащиева и ее обобщения. Применение модели Колмогорова. Средняя толщина и шероховатость поверхности пленки. Модели расчета структуры поверхности пленки при молекулярно-пучковой эпитаксии и ее разновидностях. Влияние условий роста на морфологию поверхности тонких пленок. Формирование гетероструктур типа квантовых ям. Качество гетерограниц и параметры, его определяющие.
Тема 7. Сильнометастабильные системы и спинодальный распад – 2 часа. Понятие о сильнометастабильных системах. Параметр порядка. Полевая теория фазовых переходов. Понятие о спинодальной области. Восходящая диффузия. Модель Кана-Хильярда. Нелинейные диффузионные уравнения. Осцилляции плотности в спинодальной области. Примеры численных расчетов.
Тема 8. Прямое формирование квантовых точек в рассогласованных системах - 4 часа. Понятие о низкоразмерных гетероструктурах. Эффекты размерного квантования. Теоретические подходы к исследованию процессов формирования квантовых точек в рассогласованных системах. Равновесные модели. Релаксация упругих напряжений. Пример полупроводниковых систем InAs/GaAs(100) и Ge/Si(100). Понятие о равновесной и критической толщине смачивающего слоя. Критическая толщина образования дислокаций несоответствия. Модель Меттьюза-Блейксли. Свободная энергия формирования когерентного островка. Зарождение и рост островков. Уравнение материального баланса. Функция распределения островков по размерам, средний размер и поверхностная плотность квантовых точек. Примеры расчета кинетики формирования квантовых точек.
Тема 9. Влияние условий роста на структуру ансамблей квантовых точек – 2 часа. Температурная зависимость характерного латерального размера и поверхностной плотности квантовых точек. Кинетический и термодинамический режимы. Зависимость морфологии поверхности от скорости осаждения в кинетическом режиме. Конкретные системы. Сравнение теоретических и экспериментальных результатов в системах InAs/GaAs(100) и Ge/Si(100).
Тема 10. Формирование нанометровых нитевидных кристаллов (нановискеров) – 4 часа. Понятие о каталитическом росте на активированных поверхностях. Метод молекулярно-пучковой и газофазной эпитаксии. Нановискеры. Примеры: GaAs вискеры на поверхности GaAs(111) и Si вискеры на поверхности Si(111) при активации Аu. Формирование нитевидных кристаллов по механизму пар-жидкость-кристалл. Теория Гиваргизова-Чернова и ее обобщения. Диффузионный механизм роста нановискеров при молекулярно-пучковой эпитаксии. Роль диффузии адатомов и нуклеации на неактивированной поверхности. Зависимость высоты нановискеров от диаметра капли. Общая диффузионная теория и предельные случаи. Сравнение с экспериментальными результатами. Общий вид зависимости длины от диаметра и конкуренция диффузионного и адсорбционного механизмов роста. Примеры.
Тема 11. Зависимость морфологии нанометровых нитевидных кристаллов от условий осаждения при молекулярно-пучковой и газофазной эпитаксии – 4 часа. Зависимость длины нановискеров от ростовой температуры и скорости осаждения материала. Влияние соотношения потоков. Зависимость морфологии нановискеров от функции распределения капель катализатора роста по размерам. Замечания о форме нанофискеров: заострение в процессе роста и нуклеация на боковой поверхности. Сравнение с экспериментальными данными по системе Ga(Al)As/GaAs(111)-Au при молекулярно-пучковой эпитаксии. Особенности газофазного осаждения. Обзор экспериментальных данных. Рост нановискеров методом магнетронного осаждения: основные закономерности.
Заключение - 2 часа. Краткий обзор изложенного материала. Анализ наиболее актуальных проблем современной теории формирования наноструктур. Нерешенные проблемы. Перспективы развития теории.
Рекомендованная литература (основная):
. История и будущее полупроводниковых гетероструктур. ФТП, 32, 3(1998).
D. Bimberg, M, Grundmann, N. N.Ledentsov. Quantum dot heterostructures, Willey and Sons, Chichester, 1999.
, . Процессы конденсации тонких пленок. УФН, вып.10, 1
Межфазовая граница газ – твердое тело. Под ред. Э. Флада. М.: Мир, 1970.
. Геометрико-вероятностные модели кристаллизации. Феномелогический подход. М.: Наука, 1980.
D. Kashchiev. Nucleation: Basic Theory with Applications, Butterworth Heinemann, Oxford, 2000.
, . Диффузионные процессы на поверхности кристалла. М.: Метталургия, 1984.
J. A.Venables, G. D.T. Spiller, M. Hanbucken. Nucleation and growth of thin films. Rep. Prog. Phys. v.47, № 4, p.399, 1984.
, . Статистическая физика. ч.1. М.: Наука, 1976.
, . Рост и морфология тонких пленок. М.: Энергоатомиздат, 1993.
Рекомендованная литература (дополнительная):
К. Биндер. Кинетика расслоения фаз. В кн.: Синергетика. М. 1984.
. Теория фазовых превращений и структура твердых растворов. М.: Наука, 1974.
Г. Хакен. Синергетика. М.: Мир, 1980.
V. G.Dubrovskii, G. E.Cirlin and V. M.Ustinov. "Kinetics of the initial stage of coherent island formation in heteroepitaxial systems". Phys. Rev. B, 2003, v.68, p. 075p.).
V. G.Dubrovskii and N. V.Sibirev. "Growth rate of a crystal facet of arbitrary size and growth kinetics of vertical nanowires". Phys. Rev. E, 2004, v.70, issue 3, p.031p.).
Программу составил: д. ф.-м. н. .
