Выращивание вискеров кремния методом пар-жидкость-кристалл
Разработана методика получения на полированной поверхности кремния регулярных областей со статистически распределёнными наноразмерными частицами золота. Исследованы процессы формирования нановискеров кремния методом пар-жидкость-кристалл. Изучена их структура, морфология и эмиссионные характеристи...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Поверхность |
|---|---|
| Дата: | 2007 |
| Автори: | , , , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Російська |
| Опубліковано: |
Інститут хімії поверхні ім. О.О. Чуйка НАН України
2007
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/146641 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Выращивание вискеров кремния методом пар-жидкость-кристалл / П.П. Горбик, И.В. Дубровин, Ю.А. Демченко, М.Н. Филоненко, А.А. Дадыкин // Поверхность. — 2007. — Вип. 13. — С. 294-300. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860063350338093056 |
|---|---|
| author | Горбик, П.П. Дубровин, И.В. Демченко, Ю.А. Филоненко, М.Н. Дадыкин, А.А. |
| author_facet | Горбик, П.П. Дубровин, И.В. Демченко, Ю.А. Филоненко, М.Н. Дадыкин, А.А. |
| citation_txt | Выращивание вискеров кремния методом пар-жидкость-кристалл / П.П. Горбик, И.В. Дубровин, Ю.А. Демченко, М.Н. Филоненко, А.А. Дадыкин // Поверхность. — 2007. — Вип. 13. — С. 294-300. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Поверхность |
| description | Разработана методика получения на полированной поверхности кремния регулярных областей со статистически распределёнными наноразмерными частицами золота. Исследованы процессы формирования нановискеров кремния методом пар-жидкость-кристалл. Изучена их структура, морфология и эмиссионные характеристики.
A method of fabrication of regular areas with randomly distributed gold nanoparticles on polished silicon surfaces has been developed. The processes of silicon whiskers formation by the "vapor-liquid-crystal" technique have been investigated. The structure, morphology and emission properties of whiskers have been studied.
|
| first_indexed | 2025-12-07T17:05:50Z |
| format | Article |
| fulltext |
Химия, физика и технология поверхности. 2007. Вып 13. С.294-300
294
НАНОТЕХНОЛОГИИ И НАНОМАТЕРИАЛЫ
УДК 538.975;533.2
ВЫРАЩИВАНИЕ ВИСКЕРОВ КРЕМНИЯ МЕТОДОМ
ПАР-ЖИДКОСТЬ-КРИСТАЛЛ
П.П. Горбик1, И.В. Дубровин1, Ю.А. Демченко1,
М.Н. Филоненко1, А.А. Дадыкин2
1Институт химии поверхности им. А.А. Чуйко Национальной академии наук Украины
ул. Генерала Наумова 17, 03164, Киев-164
2 Институт физики Национальной академии наук Украины
пр. Науки 46, 03028, Kиев-28
Разработана методика получения на полированной поверхности кремния регу-
лярных областей со статистически распределёнными наноразмерными частицами
золота. Исследованы процессы формирования нановискеров кремния методом пар-
жидкость-кристалл. Изучена их структура, морфология и эмиссионные характе-
ристики.
A method of fabrication of regular areas with randomly distributed gold nanoparticles
on polished silicon surfaces has been developed. The processes of silicon whiskers formation
by the "vapor-liquid-crystal" technique have been investigated. The structure, morphology and
emission properties of whiskers have been studied.
Введение
В последнее время активно разрабатываются материалы для создания эмиттеров
электронов большой площади для плоских полевых эмиссионных дисплеев,
катодолюминесцентных источников света и др. В подобных источниках на расстоянии
0,4 мм от катода устанавливается люминесцентный экран, к которому прикладывается
потенциал ~ 2·103 В. Пространство между катодом и экраном откачивается до давления
p ~10-6 Торр. Электрическое поле вырывает с катода электроны и разгоняет их в
сторону экрана. Под действием бомбардировки электронами экран светится. Такие
источники света имеют маленькие габариты, высокую квантовую эффективность и по
сравнению, например, с люминесцентными лампами – экологически безопасны. Они
могут найти применение для подсвечивания плоских дисплеев на основе жидких крис-
таллов, что обеспечит высокую яркость и контраст.
Эффективность работы таких устройств в значительной степени зависит от мате-
риала и конструктивных особенностей катода, в частности рельефа поверхности и
величины потенциала, который прикладывается к электродам. Модификацию рельефа
поверхности в настоящее время осуществляют ионным или плазменным воздействиями,
а также термическим травлением поликристаллической поверхности. Получение
регулярных структур осуществляют при вакуумном напылении материала с
использованием разнообразных масок. Широко используют возможность создания
рельефа селективным химическим травлением поверхности. Его характер (вид) может
295
задаваться на поверхности ионно-индуцированными напряжениями, дислокационной
структурой или изменением состава приповерхностного слоя.
В работе изучены условия и закономерности изменения рельефа поверхности
кремниевых пластин наращиванием методом пар-жидкость-кристалл (ПЖК).
Вискеры – одни из наиболее перспективных кристаллических материалов с
уникальным комплексом свойств. Они, как правило, имеют абсолютное, почти
идеальное бездислокационное строение, что приближает их прочность к теоретическому
для данного вещества порогу. Непривычная форма кристаллов интересна не только
механизмом ее образования, но и физико-химическими характеристиками, которые
делают актуальными исследования в этой области. Вискеры до сих пор технологически
используются довольно однобоко, в основном, как армирующие волокна для создания
композиционных материалов с улучшенными механическими свойствами. Интерес к
синтезу одно- и двухкомпонентных вискеров с полупроводниковыми свойствами
обусловлен возможностью их использования для создания нового поколения микро- и
оптоэлектронных приборов. В последнее время развивается направление, связанное с
практическим использованием кремниевых вискеров как острий для атомно- и магни-
тосиловой микроскопии. Следует отметить, что до сих пор не разработано воспроиз-
водимых и относительно дешевых методов получения вискеров кремния с заданными
функциональными характеристиками.
Методика эксперимента
Суть синтеза вискеров методом пар-жидкость-кристалл состоит в том, что на
кремниевую подложку тем или иным способом наносятся регулярные или статистически
распределенные структуры из металлического золота. В соответствии с фазовой диаг-
раммой кремний-золото (рис. 1) при нагревании на поверхности образуется микрокапля
сплава Sі–Au, поверхность которой идеально шероховата в том смысле, что там есть зна-
чительное количество химически активных точек для присоединения попадающих на
поверхность атомов и молекул, и потому она служит местом предпочтительной адсорб-
ции разных веществ. Это означает, что ударяющаяся о каплю молекула проводит на ее
поверхности определенное время, и там могут протекать реакции с выделением одного
из компонентов системы. Последний создает в капле кристаллизационное перенасыще-
ние, в результате чего на границе капля-подложка происходит осаждение того вещества,
в области первичной кристаллизации которого находится состав расплава. Под каплей
формируется вискер, диаметр которого приблизительно равен диаметру капли. Капля
раствора-расплава остается на поверхности вискера и поднимается над подложкой.
200
600
1000
1400
1800
0 20 40 60 80 100
Ат.%, Si
Те
мп
ер
ат
ур
а
, о С
Рис. 1. Диаграмма плавкости системы Au–Sі [1].
296
Эксперимент и обсуждение результатов
В связи со сложностью изготовления систем одинаково ориентированных ните-
видных кристаллов для плоских дисплеев представляет интерес получение регулярных
структур с применением простых методов (фотолитография, термическое напыление с
использованием разного вида масок), в которых поверхность каждой отдельной ячейки
имела бы определенный рельеф. Представляет определенный интерес получение ячеек
со статистически распределенными функциональными элементами – вискерами или
остриями, в которых при высокой плотности элементов вероятность получения вискеров
с оптимальными электрофизическими параметрами существенно возрастает.
Регулярные области, покрытые пленкой золота толщиной ~50 нм разной геомет-
рической формы (рис. 2), на полированной поверхности кремниевой пластины с
ориентацией (111) были получены термическим напылением через маски с регулярно
расположенными отверстиями (~100 мкм) у вакууме p ~10-7 Торр.
Рис. 2. Напыленные через маски локальные области тонких пленок золота.
Пластину нагревали в атмосфере водорода при температуре ~900 ºС. При этом
получающийся тонкий слой жидкого сплава Аu–Sі самопроизвольно разбивался на
отдельные капли размером от 10 нм до 1 мкм с поверхностной плотностью ~107 см-2.
Массивы статистически распределенных по полированной поверхности частиц
золота удалось получить также путем седиментации его коллоидных частиц из четырех-
хлористого углерода, хорошо смачивающего поверхность кремния. Коллоидные части-
цы получали восстановлением золота из сильно разбавленных растворов. При этом оно
не выпадает в осадок, а образует интенсивно окрашенные коллоидные растворы, кото-
рые могут быть красными, синими, фиолетовыми, коричневыми и черными. Так, при
добавлении 0,0075 %-ного раствора H[AuCl4] к 0,005 %-ному раствору солянокислого
гидразина получался голубой золь золота, а если прибавить 0,005 %-ный раствор карбо-
ната калия к 0,0025 %-ному раствору H[AuCl4], а потом при нагревании каплями вливать
раствор танина, то получался красный золь. При этом размер частиц золя по данным
АСМ составлял от 90 до 35 нм, а максимум оптического поглощения раствора изменялся
от 620 до 510 нм.
Термическую обработку полученных образцов проводили в трубчатой печи в
токе SіCl4, HCl и водорода при температуре ~900 ºС. При этом в местах присутствия час-
тиц золота происходит образование эвтектики Au–Sі и ее плавление при температуре
плавления эвтектического состава (~340 ºС) (рис. 3). Четыреххлористый кремний, кото-
рый поступает с газовой фазой, частично растворяется в образованном растворе-
297
расплаве, восстанавливается водородом до элементарного кремния и образует перена-
сыщенный по кремнию расплав, из которого кристаллизуются на подложке кремниевые
вискеры.
Рис. 3. Коллоидные частички раствора-расплава на полированной поверхности кремния.
В закрытой системе при ограниченном количестве SіCl4 также наблюдался рост
вискеров, но с меньшей на порядок скоростью. В этом случае пополнение газовой фазы
тетрахлоридом кремния и, соответственно, раствора-расплава кремнием, вероятно,
происходит за счет взаимодействия соляной кислоты с ближайшими участками кремни-
евой подложки с образованием SіCl4. Образование вискеров, происходящее при крис-
таллизации в этом случае, может быть описано реакциями (1 – 3):
12 HCl + 3 Sіподложка = 3 SіCl4 + 6 H2, (1)
4 AuCl3 + 6 H2 = 4 Au + 12 HCl, (2)
3 SіCl4 + 4 Au = 3 Sівискер + 4 AuCl3. (3)
Как видно из приведенных уравнений реакций все компоненты, которые прини-
мают участие в переносе кремния с подложки к вискеру, возвращаются в зону реакции.
Перенасыщение образовавшегося раствора-расплава снимается при кристаллиза-
ции излишка кремния на поверхности подложки. При этом раствор-расплав работает как
своеобразный инициатор роста вискеров, а его зона поднимается над поверхностью,
формируя вискеры (рис. 4).
Вискеры имеют вид шестигранников, что указывает на их кристаллическую
структуру. Поверхностная плотность вискеров составляет ~108 см-2 и практически сов-
падает с плотностью наночастиц раствора-расплава на поверхности кремниевой пласти-
ны. Это свидетельствует о том, что одна частица является инициатором роста одиного
кристалла. Вискеры имеют определенное распределение по размерам, которое обуслов-
лено разбросом размера затравок.
Известно [2], что скорость роста вискеров зависит от диаметра капли раствора-
расплава – она тем больше, чем больший диаметр капли, наименьшие капли вообще не
«поднимаются» над подложкой. При маленьком диаметре капли перенасыщение почти
исчезает и скорость роста бесконечно мала, т.е. существует критический диаметр, ниже
298
которого при данном общем перенасыщении среды нитевидные кристаллы вообще не
растут. Другим важным условием реализации ПЖК механизма является стабильность
жидкого слоя в процессе роста. Эти факторы могут значительно ограничивать количест-
во и размеры сформированных вискеров.
а б
Рис. 4. Микрофотография наноразмерных вискеров: а – на начальной стадии роста,
б – при длительной кристаллизации.
Формирование кремниевых наноострий осуществляли травлением вискеров вод-
ным раствором смеси плавиковой и азотной кислот, что приводило к уменьшению диа-
метра вискеров до нанометровых размеров (< 10 нм) и при этом отпадала верхняя часть
вискеров со шляпкой сплава эвтектического состава. Также использовалась методика
термохимического заострения [3]. Сначала поверхность образца окисляли, нагревая до
температуры 900 °С в атмосфере влажного кислорода, при этом острие покрывалось
слоем диоксида кремния, который потом удаляли обработкой плавиковой кислотой
(рис. 5). Такие процедуры обеспечивают при регулярном росте вискеров однородную
полевую электронную эмиссию по всей поверхности образцов, что важно при создании
источников электронов.
Рис. 5. Вискеры кремния (снимок под углом 900 к направлению роста).
299
Для массива вискеров, представленного на рис. 4, а, исследованы эмиссионные
свойства. На рис. 6 приведена вольтамперная характеристика (ВАХ) полевой эмиссии
при 300 К из вискеров со шляпками из раствора-расплава (кривая 1) и после удаления
шляпок травлением в смеси азотной и плавиковой кислот (кривая 2).
0
100
200
300
400
500
0 1 2 3 4 5 6
U, kV
I,
мк
А
Рис. 6. Вольтамперная характеристика полевой эмиссии системы нановискеров кремния.
После травления структур наблюдалось значительное увеличение тока эмиссии и
снижение рабочих напряжений эмиссионной ячейки. Это обусловлено утончением нано-
вискеров и уменьшением радиуса кривизны эмитирующей поверхности, т.е. влиянием
размерного эффекта. По нашему мнению, появление резонансных пиков тока на ВАХ
эмиссии обусловлено наличием квантовых уровней энергии электронов в потенциальной
яме. Для тонких нановискеров вмещается всего лишь один уровень квантования, что,
возможно, и приводит к появлению лишь одного пика тока на ВАХ. В [4] показано, что в
случае искусственных атомов с размерами < 2 нм в потенциальной яме не помещается
ни одного уровня квантования энергии и ВАХ полевой эмиссии становится гладкой, без
резонансных пиков. Вероятно, при дальнейшем утончении нановискеров могут быть
получены ВАХ без пиков. Отметим, что интерес к наноструктурам малых размеров
(< 2 нм) обусловлен резким возрастанием у них коэффициента поглощение света, выз-
ванного квантоворазмерным эффектом. В случае массивных образцов переходы вблизи
краев зон непрямые, и поглощение света (за счет электрон-фононного взаимодействия)
бесконечно мало (~1 – 10 см-1). В случае квантоворазмерных объектов снимается запрет
на латеральные переходы и коэффициент поглощения резко возрастает (~105 см-1).
Наличие нескольких пиков, возможно, обусловлено наличием вискеров разного
диаметра и высоты. Основной проблемой синтеза данных структур является получение
массивов однородных по размерам вискеров. Это особенно важно при изготовлении
приборов ночного видения, работающих без охлаждения и плоских катодолюминес-
центных дисплеев.
Выводы
Разработана методика получения на полированной поверхности кремния регуляр-
ных областей со статистически распределёнными наноразмерными частицами металла
(золота) – инициаторов роста вискеров. Методом пар-жидкость-кристалл в этих областях
выращены в проточной и замкнутой системах массивы статистически распределенных
кремниевых вискеров. Изготовлены эмиссионные ячейки с острийным рельефом поверх-
ности. Исследована морфология и автоэмиссионные свойства полученных образцов.
Синтезированным структурам свойственны эффекты размерного квантования.
Упорядоченные системы нановискеров кремния могут найти практическое использова-
1
2
U, кВ
300
ние при разработке матриц пикселей, используемых в развертывающих устройствах,
цифровых фотокамерах, биосенсорах и приборах ночного видения.
Литература
1. Хансен М., Андерко К. Структуры двойных сплавов. – М.: Металургиздат, 1962. –
608 с.
2. Гиваргизов Е.И., Чернов А.А. Скорость роста нитевидных кристаллов по механизму
пар-жидкость-кристалл и роль поверхностной энергии // Кристаллография. – 1973. –
Т. 18, № 1. – С.147 – 153.
3. Гиваргизов Е.И. Рост нитевидных и пластинчатых кристаллов из пара. – М.: Наука,
1977. – 304 с.
4. Formation of silicon tips with <1 nm radius / R.B. Marcus, T.S. Ravі, T. Gmіtter, K. Chin,
D.Liu, W.J. Orvis, D.R. Ciarlo // Appl. Phys. Lett. – 1990. – V. 56, Iss. 3. – P.236 – 238.
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-146641 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 2617-5975 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T17:05:50Z |
| publishDate | 2007 |
| publisher | Інститут хімії поверхні ім. О.О. Чуйка НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Горбик, П.П. Дубровин, И.В. Демченко, Ю.А. Филоненко, М.Н. Дадыкин, А.А. 2019-02-10T11:20:09Z 2019-02-10T11:20:09Z 2007 Выращивание вискеров кремния методом пар-жидкость-кристалл / П.П. Горбик, И.В. Дубровин, Ю.А. Демченко, М.Н. Филоненко, А.А. Дадыкин // Поверхность. — 2007. — Вип. 13. — С. 294-300. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. 2617-5975 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/146641 538.975;533.2 Разработана методика получения на полированной поверхности кремния регулярных областей со статистически распределёнными наноразмерными частицами золота. Исследованы процессы формирования нановискеров кремния методом пар-жидкость-кристалл. Изучена их структура, морфология и эмиссионные характеристики. A method of fabrication of regular areas with randomly distributed gold nanoparticles on polished silicon surfaces has been developed. The processes of silicon whiskers formation by the "vapor-liquid-crystal" technique have been investigated. The structure, morphology and emission properties of whiskers have been studied. ru Інститут хімії поверхні ім. О.О. Чуйка НАН України Поверхность Нанотехнологии на наноматериалы Выращивание вискеров кремния методом пар-жидкость-кристалл Growth of silicon viskers by vapor-liquid-crystal method Article published earlier |
| spellingShingle | Выращивание вискеров кремния методом пар-жидкость-кристалл Горбик, П.П. Дубровин, И.В. Демченко, Ю.А. Филоненко, М.Н. Дадыкин, А.А. Нанотехнологии на наноматериалы |
| title | Выращивание вискеров кремния методом пар-жидкость-кристалл |
| title_alt | Growth of silicon viskers by vapor-liquid-crystal method |
| title_full | Выращивание вискеров кремния методом пар-жидкость-кристалл |
| title_fullStr | Выращивание вискеров кремния методом пар-жидкость-кристалл |
| title_full_unstemmed | Выращивание вискеров кремния методом пар-жидкость-кристалл |
| title_short | Выращивание вискеров кремния методом пар-жидкость-кристалл |
| title_sort | выращивание вискеров кремния методом пар-жидкость-кристалл |
| topic | Нанотехнологии на наноматериалы |
| topic_facet | Нанотехнологии на наноматериалы |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/146641 |
| work_keys_str_mv | AT gorbikpp vyraŝivanieviskerovkremniâmetodomparžidkostʹkristall AT dubroviniv vyraŝivanieviskerovkremniâmetodomparžidkostʹkristall AT demčenkoûa vyraŝivanieviskerovkremniâmetodomparžidkostʹkristall AT filonenkomn vyraŝivanieviskerovkremniâmetodomparžidkostʹkristall AT dadykinaa vyraŝivanieviskerovkremniâmetodomparžidkostʹkristall AT gorbikpp growthofsiliconviskersbyvaporliquidcrystalmethod AT dubroviniv growthofsiliconviskersbyvaporliquidcrystalmethod AT demčenkoûa growthofsiliconviskersbyvaporliquidcrystalmethod AT filonenkomn growthofsiliconviskersbyvaporliquidcrystalmethod AT dadykinaa growthofsiliconviskersbyvaporliquidcrystalmethod |