Формирование островковых наносистем в результате самоорганизации при плавлении конденсированных пленок Bi и Sn на Si

Излагаются результаты экспериментальных исследований распределения частиц по размерам и морфологических характеристик островковых систем висмута и олова, полученных методом плавления сплошных конденсированных пленок различной толщины (5—72 нм) на поверхности монокристаллического кремния. Показано, ч...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Опубліковано в: :	Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології
Дата:	2010
Автори:	Гладких, Н.Т., Крышталь, А.П., Сухов, Р.В.
Формат:	Стаття
Мова:	Російська
Опубліковано:	Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України 2010
Онлайн доступ:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/72440
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:	Формирование островковых наносистем в результате самоорганизации при плавлении конденсированных пленок Bi и Sn на Si / Н.Т. Гладких, А.П. Крышталь, Р.В. Сухов // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2010. — Т. 8, № 1. — С. 79-90. — Бібліогр.: 11 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

_version_	1860050951446986752
author	Гладких, Н.Т. Крышталь, А.П. Сухов, Р.В.
author_facet	Гладких, Н.Т. Крышталь, А.П. Сухов, Р.В.
citation_txt	Формирование островковых наносистем в результате самоорганизации при плавлении конденсированных пленок Bi и Sn на Si / Н.Т. Гладких, А.П. Крышталь, Р.В. Сухов // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2010. — Т. 8, № 1. — С. 79-90. — Бібліогр.: 11 назв. — рос.
collection	DSpace DC
container_title	Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології
description	Излагаются результаты экспериментальных исследований распределения частиц по размерам и морфологических характеристик островковых систем висмута и олова, полученных методом плавления сплошных конденсированных пленок различной толщины (5—72 нм) на поверхности монокристаллического кремния. Показано, что предложенный метод позволяет создавать упорядоченные структуры на подложке, и определена область толщин пленок, при плавлении которых формируются островковые системы с одним максимумом функции распределения частиц по размерам. Приводятся данные о связях коэффициента заполнения подложки, плотности частиц, наиболее вероятного их размера с массовой толщиной исходных пленок висмута и олова. Викладено результати експериментальних досліджень розподілу частинок по розмірах і морфологічних характеристик острівцевих систем бисмуту й цини, одержаних методою топлення суцільних конденсованих плівок різної товщини (5—72 нм) на поверхні монокристалічного кремнію. Показано, що запропонована метода дозволяє створювати впорядковані структури на підложжі, й визначено область товщини плівок, при топленні яких формуються островкові системи з одним максимумом функції розподілу частинок за розмірами. Наведено дані про зв’язки коефіцієнта заповнення підложжя, густини частинок, найбільш ймовірного їхнього розміру з масовою товщиною вихідних плівок бисмуту й цини. The results of the experimental study of particle-sizes distribution and morphological characteristics of Bi and Sn island systems are presented. The island systems were formed by melting of continuous condensed films of different thickness (5—72 nm) on the Si single-crystal surface. The possibility of formation of ordered structures on the substrate by means of this method is shown. The film-thickness range, within which the island systems with single peak of particle-sizes distribution function are formed, is determined. The relations of the substrate coverage, the particles-number density, the most probable particle size with the mass thickness of Bi and Sn deposited films are determined.
first_indexed	2025-12-07T16:59:23Z
format	Article
fulltext	79 PACS numbers: 68.08.Bc, 68.55.A-, 68.55.J-, 68.55.Nq, 81.07.Lk, 81.16.Dn, 81.16.Nd Формирование островковых наносистем в результате самоорганизации при плавлении конденсированных пленок Bi и Sn на Si Н. Т. Гладких, А. П. Крышталь, Р. В. Сухов Харьковский национальный университет им. В. Н. Каразина, пл. Свободы, 6, 61077 Харьков, Украина Излагаются результаты экспериментальных исследований распределе- ния частиц по размерам и морфологических характеристик островковых систем висмута и олова, полученных методом плавления сплошных кон- денсированных пленок различной толщины (5—72 нм) на поверхности мо- нокристаллического кремния. Показано, что предложенный метод позво- ляет создавать упорядоченные структуры на подложке, и определена об- ласть толщин пленок, при плавлении которых формируются островковые системы с одним максимумом функции распределения частиц по разме- рам. Приводятся данные о связях коэффициента заполнения подложки, плотности частиц, наиболее вероятного их размера с массовой толщиной исходных пленок висмута и олова. Викладено результати експериментальних досліджень розподілу частинок по розмірах і морфологічних характеристик острівцевих систем бисмуту й цини, одержаних методою топлення суцільних конденсованих плівок різ- ної товщини (5—72 нм) на поверхні монокристалічного кремнію. Показано, що запропонована метода дозволяє створювати впорядковані структури на підложжі, й визначено область товщини плівок, при топленні яких фор- муються островкові системи з одним максимумом функції розподілу час- тинок за розмірами. Наведено дані про зв’язки коефіцієнта заповнення під- ложжя, густини частинок, найбільш ймовірного їхнього розміру з масовою товщиною вихідних плівок бисмуту й цини. The results of the experimental study of particle-sizes distribution and mor- phological characteristics of Bi and Sn island systems are presented. The island systems were formed by melting of continuous condensed films of different thickness (5—72 nm) on the Si single-crystal surface. The possibility of forma- tion of ordered structures on the substrate by means of this method is shown. The film-thickness range, within which the island systems with single peak of particle-sizes distribution function are formed, is determined. The relations of Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології Nanosystems, Nanomaterials, Nanotechnologies 2010, т. 8, № 1, сс. 79—90 © 2010 ІМФ (Інститут металофізики ім. Г. В. Курдюмова НАН України) Надруковано в Україні. Фотокопіювання дозволено тільки відповідно до ліцензії 80 Н. Т. ГЛАДКИХ, А. П. КРЫШТАЛЬ, Р. В. СУХОВ the substrate coverage, the particles-number density, the most probable parti- cle size with the mass thickness of Bi and Sn deposited films are determined. Ключевые слова: пленочная система, плавление, самоорганизация, висмут, олово. (Получено 10 марта 2010 г.) 1. ВВЕДЕНИЕ Проблема устойчивости наносистем, к которым относятся и поли- кристаллические нанодисперсные пленки, а, следовательно, прибо- ров и устройств, в которых они используются, возникает при реше- нии большого числа научных и прикладных задач и является зачас- тую определяющей. Это обусловлено тем, что нанодисперсные кон- денсированные пленки на подложке представляют собой в силу са- мой своей природы, связанной с малостью толщины и характерного размера структурных элементов, существенно неравновесную тер- модинамическую систему. Естественно, что в такой неравновесной системе и в процессе конденсации и с течением времени после его прекращения будут происходить в соответствии с принципом Ле Шателье релаксационные процессы, приводящие к уменьшению ее избыточной свободной энергии. Одним из проявлений релаксации избыточной свободной энергии нанодисперсной сплошной пленки, происходящим со временем или при повышении температуры, является процесс распада, заклю- чающийся в самопроизвольном превращении ее в систему изолиро- ванных кристаллических островков на подложке, сопровождаю- щийся качественным изменением свойств. Благодаря важности проблемы накоплен достаточный материал, как по исследованию процессов, происходящих на различных эта- пах распада пленок в кристаллическом состоянии, так и по харак- теристикам формирующихся в результате этого островковых сис- тем на подложке. Среди полученных результатов, прежде всего, следует указать на пропорциональность радиуса образующихся островков толщине исходной пленки [1]. Указанная проблема представляется также актуальной и с дру- гой точки зрения. В результате такого распада происходит само- произвольное формирование системы наноразмерных островков на подложке, которая, естественно, является термодинамически более равновесной по сравнению с исходной. Системы островков на под- ложке представляют самостоятельный интерес, как для научных исследований, так и для решения технологических задач, напри- мер, для потребностей нанолитографии [2]. Однако, для этих целей в основном необходимы наносистемы с одномодальным и достаточ- но узким распределением частиц по размерам, которые бы форми- ФОРМИРОВАНИЕ ОСТРОВКОВЫХ НАНОСИСТЕМ ПРИ ПЛАВЛЕНИИ ПЛЕНОК 81 ровались в результате сравнительно простых воздействий и за отно- сительно короткий промежуток времени. В работе [3] указывалось на разбиение в результате плавления- кристаллизации сплошных пленок висмута на островки с одномо- дальной достаточно узкой функцией распределения. В работе же [4] изучался процесс плавления—диспергирования сплошных пленок меди на аморфных подложках без исследования характеристик формирующихся при этом островковых систем. Учитывая, что при плавлении сплошных пленок самопроизволь- но формируется система островков, представлялось целесообраз- ным детальное исследование характеристик таких наносистем. Тем более что, несмотря на 100-летнюю историю изучения плавления пленок [5] такие исследования отсутствуют, а этот путь может ока- заться перспективным для создания островковых наносистем с не- обходимыми характеристиками на соответствующих подложках. В качестве объектов исследования были выбраны островковые наносистемы, формирующиеся в результате самоорганизации при плавлении—кристаллизации конденсированных пленок Bi и Sn на Si-подложке. Это обусловлено тем, что в литературе накоплен боль- шой материал по исследованию конденсированных пленок выбран- ных металлов и использованием некоторых систем (например, Bi/Si) в микроэлектронике, а также соображениями методического характера, связанными с небольшими температурами плавления и не слишком высокой химической активностью. При выборе объектов учитывалось также то, что для висмута на- блюдается аномальное изменение объема при плавлении, которое даже при отсутствии вклада остальных факторов должно вызывать нарушение сплошности пленки при ее плавлении. 2. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ Конденсированные пленки препарировались в вакууме (1—3)⋅10−8 мм рт.ст. в специальной установке с безмасленными средствами откачки. Металлы Bi и Sn чистотой 99,999% термически испарялись из вольф- рамовых лодочек и конденсировались на монокристаллы Si(111) с ес- тественной пленкой оксида, прикрепленные при помощи специаль- ной маски к подложкодержателю, представляющему собой медный блок со встроенным резистивным нагревателем. Массовая толщина пленок определялась при помощи кварцевого резонатора, температу- ра подложки измерялась хромель-алюмелевыми термопарами. Такая система позволяла препарировать пленки при комнатной температуре подложки и затем без нарушения вакуума нагревать их выше темпе- ратуры плавления. Время нагрева при этом составляло ∼ 30 минут. Электронно-микроскопические исследования проводились с ис- пользованием растрового микроскопа Jeol JSM-840. 82 Н. Т. ГЛАДКИХ, А. П. КРЫШТАЛЬ, Р. В. СУХОВ На основании расчетов электронно-микроскопических снимков определялись характеристики островковых систем, формирую- щихся в результате самоорганизации при плавлении—кристаллиза- ции конденсированных пленок, а именно распределение островков по размерам, их плотность и коэффициент заполнения подложки островками. Углы смачивания островками подложек измерялись по методу наклонного наблюдения в растровом микроскопе [6]. Практически при изучении интегральных свойств островковых систем оказывается необходимым знать не только количество час- тиц данного размера, но и их суммарный объем N(R)R3 (при изуче- нии процессов, в которых принимает участие весь объем островка, например, коалесценция, при структурных исследованиях) или площадь поверхности частиц, или поперечного сечения N(R)R2 (ад- сорбция, каталитическая активность, поглощение лучей и др.). Интегрирование полученных гистограмм для систем, сформиро- вавшихся в результате плавления—кристаллизации, при учете угла смачивания островками подложек также позволяет непосредственно найти массовую толщину пленки для данного образца. Это использо- валось в работе для контроля и сравнения с толщиной, определяемой непосредственно в процессе конденсации при помощи кварцевого ре- зонатора. Обычно указанные толщины хорошо между собой согласу- ются. При этом интервал массовых толщин исследованных пленок выбирался таким образом, чтобы в исходном состоянии они были сплошными, а размер образующихся после их плавления—кристал- лизации островков не превышал несколько сотен нанометров с одно- модальной функцией распределения. Ниже излагаются основные по- лученные результаты, и приводится их анализ. 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ В результате выполненных исследований в соответствии с постав- ленной задачей были получены количественные данные о распре- делении наночастиц в островковых системах на Si, которые сфор- мировались в результате плавления при 280°С сплошных пленок висмута толщиной 5—60 нм и при 240°С пленок олова толщиной 14— 72 нм и последующей кристаллизации. Электронно-микроскопиче- ские снимки, соответствующие островковым системам, которые сформировались в результате плавления и кристаллизации пленок висмута различной толщины на монокристаллах Si, показывают, что при плавлении они разбиваются на сферические частицы раз- личного размера. При этом в отличие от систем, полученных путем конденсации в жидкую фазу, количество очень мелких частиц, по- явление которых в этом случае обусловлено вторичным зародыше- образованием, незначительно. ФОРМИРОВАНИЕ ОСТРОВКОВЫХ НАНОСИСТЕМ ПРИ ПЛАВЛЕНИИ ПЛЕНОК 83 Электронно-микроскопические снимки пленок олова различной толщины на кремниевой подложке до и после плавления—кристал- лизации указывают, что в исходном состоянии в исследованном ин- тервале толщин они являются сплошными, а после плавления— кристаллизации – островковыми. Необходимые для определения объема краевые углы смачивания жидким висмутом и оловом поверхности монокристаллического кремния на закристаллизовавшихся островках измерялись по мето- дике наклонного наблюдения для большого числа островков. При этом были получены для висмута значения 114°, а для олова – 127°. Массовая толщина пленок определялась непосредственно путем интегрирования построенных гистограмм для систем, сформиро- вавшихся в результате плавления—кристаллизации. Учитывая не- обходимость сравнения распределений, рассчитанных с разных об- разцов, в работе использовалась величина tm, определяемая как объем частиц N(R)R3 на единицу площади образца. Полученные данные о распределении частиц по размерам для сис- темы Bi/Si приведены на рис. 1 в координатах tm—R в виде серии гис- тограмм, отвечающих различным значениям массовой толщины пленки t висмута. Характерной особенностью распределения для данной системы, как видно из рис. 1, является наличие лишь одного максимума, который с ростом массовой толщины пленки расширяет- ся и смещается в сторону больших размеров. При этом на основе «тол- стых» (t > 20 нм) пленок формируются системы с более широким ин- тервалом размеров островков, чем для систем на основе пленок мень- шей толщины, для которых максимум на распределении частиц ока- зывается более острым. Так, например, если при исходной массовой толщине пленок 20—40 нм полуширина максимума на распределении составляет более половины значения Rmax, то при t = 10 нм – пример- но 30%. Это может быть связано с тем, что разбиение толстых пленок 10 100 1000 0 5 10 15 20 10 20 30 40 50 R, нм t m , н м t, н м Рис. 1. Распределение объема частиц на единицу площади образца по раз- мерам в системе Bi/Si при различной массовой толщине пленок висмута t. 84 Н. Т. ГЛАДКИХ, А. П. КРЫШТАЛЬ, Р. В. СУХОВ на островки происходит одновременно с их плавлением, что облегчает их жидкофазную коалесценцию. Разбиение более тонких пленок на островки происходит, вероятно, в значительной мере еще в процессе нагрева в кристаллическом состоянии, то есть до плавления. Как видно из рисунка 2, а также и при плавлении—кристаллиза- ции пленок олова на Si подложке формируются островковые струк- туры с одномодальной функцией распределения при исходных мас- совых толщинах до ∼ 40 нм. Приведенные гистограммы распреде- ления частиц по объему и по размерам, показывают, что максиму- мы обоих функций распределения практически полностью прихо- дятся на частицы одного и того же размера. Характер распределения частиц кардинально меняется при тол- щинах пленок более 40 нм. В этом случае функция распределения объема частиц рядом с главным максимумом имеет перегиб в облас- ти малых размеров, а максимум распределения числа островков по размерам отвечает частицам размером несколько десятков нано- метров (рис. 2, б), что свидетельствует о наличии большого количе- ства малых островков. Из полученных экспериментальных данных о распределении ост- ровков по размерам, сформировавшихся самопроизвольно, то есть в результате самоорганизации при плавлении—кристаллизации пле- нок висмута и олова на кремнии, следует так же, как видно из рис. 3, что в исследованном интервале толщин величина радиуса островков, отвечающих максимуму на кривой распределения, в первом при- ближении возрастает линейно с увеличением массовой толщины и описывается выражением Rmax = 6,3t для Bi и Rmax = 2,2t для Sn. В со- ответствии с данными работ [7, 8] для островковых систем Bi, полу- ченных конденсацией через жидкую фазу, коэффициент пропорцио- нальности между Rmax и t примерно в 3—4 раза меньше. 0 50 100 150 0 50 100 150 200 N R, нм 0 6 10 8 4 10 8 2 10 8 V, нм 3 � � � 0 200 400 600 800 0 200 400 600 800 N R, нм 0 4 10� 10 V, нм 3 3�10 10 2�10 10 1�10 10 а б Рис. 2. Распределение островков по размерам ( ) и по объему ( ) в сис- теме Sn/Si при исходной толщине пленок 35 нм (а) и 71 нм (б). ФОРМИРОВАНИЕ ОСТРОВКОВЫХ НАНОСИСТЕМ ПРИ ПЛАВЛЕНИИ ПЛЕНОК 85 Указанное отличие является результатом того, что при плавле- нии реализуется значительно меньшая плотность островков на под- ложке, чем при конденсации, обусловленная различием в механиз- мах этих процессов. Соответственно значительная часть подложки получается свободной, то есть островковые системы, полученные путем плавления—кристаллизации пленок, характеризуются ма- лыми значениями коэффициента заполнения (отношение площади, занятой островками, к общей площади подложки). Из приведенных на рис. 4, а данных следует, что в сформировав- шихся островковых системах коэффициент заполнения при иссле- дованных толщинах составляет примерно 15% для Bi и 40% для Sn и практически не зависит от толщины. Определения плотности ост- ровков N показали, что при больших толщинах она примерно по- стоянна, а с уменьшением толщины возрастает, при этом для олова при малых толщинах существенно превышает значения для висму- та (примерно на полтора—два порядка) (рис. 4, б). Полученные результаты указывают, что для сплошных пленок в определенном интервале толщин в результате процессов само- организации, происходящих при их плавлении—кристаллизации, формируются островковые системы, наиболее вероятный размер в которых определяется массовой толщиной исходной пленки. Полученные экспериментальные результаты по исследованию параметров островковых наноразмерных систем, самопроизвольно формирующихся при плавлении—кристаллизации сплошных пле- нок Bi и Sn на Si, согласуются с существующими представлениями о распаде сплошных поликристаллических пленок на подложке при их отжиге [9]. Связь размеров и количества, образующихся при этом островков 0 20 40 60 0 100 200 300 400 , нмt , нмR Рис. 3. Зависимость наиболее вероятного размера частиц R для систем Bi/Si и Sn/Si от массовой толщины пленок висмута ( ) и олова ( ). 86 Н. Т. ГЛАДКИХ, А. П. КРЫШТАЛЬ, Р. В. СУХОВ с толщиной следует из термодинамического рассмотрения условий распада пленки [1]. В предположении распада пленки на равнове- ликие островки в форме шарового сегмента с радиусом кривизны R и с углом Θ у основания в [1] получена связь размера островков с толщиной пленки t в виде: 3 1 cos R t f ≥ − Θ + σ . (1) Здесь σ – удельная поверхностная энергия вещества пленки‚ f – избыточная энергия пленки, обусловленная наличием упругих на- пряжений и разветвленной сеткой границ между ее элементами структуры. С выражением (1) согласуется полученная связь (рис. 3) радиуса островков с толщиной пленки для Bi (R = 6,3t при Θ = 114°) и для Sn (R = 2,2t при Θ = 127°). Однако если учесть лишь значения углов смачивания, то получается для Bi R = 2,1t, а для Sn R = 1,9t, то есть различие коэффициентов пропорциональности между R и t для Bi и Sn незначительно. В тоже время полученные экспериментально значения коэффициента отличаются почти в три раза. Вычисления при помощи (2) для Bi на Si дают f/σ ≈ −0,93, а для системы Sn/Si – f/σ ≈ −0,24. Отрицательное значение f/σ указывает, что, вероятно, термоди- намическая оправданность распада обеспечена за счет изменения свободной и межфазной поверхностной энергии системы пленка- подложка в процессе формирования отдельных островков при плавлении пленки. Увеличенное почти в 4 раза значение f/σ для системы Bi/Si по сравнению с системой Sn/Si, возможно, обуслов- лено уменьшением объема при плавлении, вызывающим наруше- 0 20 40 60 0 10 20 30 40 50 K , % t, нм 0 20 40 60 5�10 9 1,5 10� 10 t, нм N, см �2 1 10� 10 а б Рис. 4. Изменение с толщиной коэффициента заполнения (a) и плотности островков N (б) для систем Bi/Si ( ) и Sn/Si ( ). ФОРМИРОВАНИЕ ОСТРОВКОВЫХ НАНОСИСТЕМ ПРИ ПЛАВЛЕНИИ ПЛЕНОК 87 ние сплошности пленки. С учетом того, что для Bi величина σ ∼ 378 эрг/см 2 [11], получается для избыточной энергии пленок висмута на Si f ∼ 352 эрг/см 2 в расчете на единичную площадь, а для Sn при σ = 544 эрг/см 2 [11] f = 131 эрг/см 2. В работе [10] в предположении сохранения объема при распаде пленки в результате плавления на островки в форме шарового сег- мента с углом Θ у основания для уменьшения свободной энергии сис- темы пленка—подложка получено выражение, которое с учетом свя- зи удельных свободных поверхностных энергий на границе раздела пленка-подложка, подложка-вакуум и пленка—вакуум для равно- весного островка на подложке может быть представлено в виде ( )2 11 cos cos (cos 2)F −Δ = − Θ + η Θ − Θ , (2) где η – суммарная межфазная поверхность границы островок— подложка в расчете на 1 см2 поверхности подложки. При выводе этого выражения не учитывалось изменение свобод- ной объемной энергии системы пленка—подложка, которое опреде- ляется релаксацией внутренних напряжений при преобразовании сплошной пленки в островковую. Подстановка в выражение (2) полученных экспериментальных данных для систем Bi/Si и Sn/Si дает для уменьшения энергии при формировании островков в результате плавления—кристаллизации значение 523 эрг/см 2 и 137 эрг/см 2 соответственно. При вычисле- нии принято, что между коэффициентом заполнения K и величи- ной η существует очевидная связь h = Ksin2Θ. Указанные значения хорошо согласуются с приведенными выше величинами f, найден- ными при помощи соотношения (1). С учетом отрицательного зна- чения f/σ это свидетельствует о том, что в процессе формирования островковой системы при плавлении пленки определяющим явля- ется изменение свободной и межфазной поверхностной энергии системы пленка—подложка, а не изменение свободной объемной энергии системы пленка—подложка, обусловленное релаксацией внутренних напряжений в процессе ее распада при отжиге. Из выражения (1) следует что constR t = . Это согласуется с по- лученными экспериментальными данными и имеющимися в лите- ратуре [9] по распаду пленок при отжиге. При разбиении пленки на равновеликие островки их плотность и размер связаны с исходной толщиной пленки единичной площади очевидным соотношением 34 ( ) 3 t N R = π Φ Θ , (3) где 2( ) (2 cos ) (1 cos ) 4Φ Θ = + Θ − Θ . Полученные зависимости плот- 88 Н. Т. ГЛАДКИХ, А. П. КРЫШТАЛЬ, Р. В. СУХОВ ности островков от толщины в координатах «N—t/R3» для Bi и Sn в соответствии с выражением (3) укладываются на прямую (рис. 5). Отдельно следует отметить отличие примерно в три раза в коэф- фициентах заполнения в островковых системах, сформировавших- ся в результате плавления—кристаллизации пленок Bi и Sn на Si (см. рис. 4, а). Пленки Bi и Sn препарировались путем их испарения и конденсации в вакууме на Si-подложке, находящейся при ком- натной температуре. Поскольку температура кипения в 1,5 раза, а теплота испарения в 1,7 раза для олова больше, чем для висмута, то в силу этого плотность зародышей при конденсации олова сущест- венно больше, чем для висмута, что согласуется с эксперименталь- ными наблюдениями [8]. Плотность зародышей естественным обра- зом определяет число кристаллитов в сплошных пленках, которые служат центрами зарождения при формировании островков в ре- зультате плавления пленки. Из рисунка 4, б видно, что при толщи- не примерно 20 нм различие в плотности островков для Bi и Sn со- ставляет примерно полтора порядка. Это наглядно видно также и на фотографиях, приведенных на рис. 6. Из термодинамического рассмотрения островковой системы на поверхности подложки следует, что определенный по электронно- микроскопическим снимкам при перпендикулярной съемке коэф- фициент заполнения связан с остальными измеряемыми парамет- рами и толщиной исходной пленки очевидным соотношением 3 1 4 ( ) t K R = Φ Θ . (4) Поскольку все входящие в выражение (4) величины эксперимен- 0 0,0001 0,0002 0,0003 5�10 9 1,5 10� 10 1 10� 10 t R/ , 3 нм �2 N, см �2 Рис. 5. Зависимость плотности островков от величины отношения t/R3 для систем Bi/Si ( ) и Sn/Si ( ). ФОРМИРОВАНИЕ ОСТРОВКОВЫХ НАНОСИСТЕМ ПРИ ПЛАВЛЕНИИ ПЛЕНОК 89 тально определялись независимо друг от друга, то можно вычис- лить любую из них через остальные и сравнить с измеренным зна- чением. Так, подстановка полученных значений R t и углов Θ для систем Bi/Si и Sn/Si дает для коэффициента заполнения величину ∼ 0,15 и ∼ 0,40 соответственно, что совпадает с представленными на рис. 4, а значениями. Из приведенного соотношения также следует, что в интервале характерных размеров исходной пленки и остров- ковой системы, при которых отношение R t и углов Θ не меняются, соответственно сохраняется и коэффициент заполнения. 3. ЗАКЛЮЧЕНИЕ Таким образом, выполненные исследования указывают на возмож- ность формирования наноразмерных островковых структур вследст- вие самоорганизации при плавлении—кристаллизации пленок на подложке и связь их основных характеристик с толщиной исходных пленок. Изложенные экспериментальные результаты, их обсуждение и приведенные оценки показывают, что определяющим при форми- ровании островковых наноструктур на подложке при плавлении- кристаллизации пленок является стремление к уменьшению по- верхностной энергии системы пленка—подложка, связанной с гра- ницами раздела пленка—подложка и пленка—вакуум. При этом для островковых наноразмерных систем, формирую- щихся в результате процессов самоорганизации при плавлении- кристаллизации пленок висмута и олова различной толщины на Si- подложке основные параметры, а именно наиболее вероятный раз- мер островков, их плотность и коэффициент заполнения определя- ются в соответствии с термодинамическими представлениями ис- а б Рис. 6. Электронно-микроскопические снимки островковых систем Bi/Si (а) и Sn/Si (б), сформировавшихся в результате плавления—кристаллизации пленок висмута и олова толщиной ∼ 33 нми 35 нм соответственно. 90 Н. Т. ГЛАДКИХ, А. П. КРЫШТАЛЬ, Р. В. СУХОВ ходной толщиной. Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки Украины (проект №0109U001331). ЦИТИРОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА 1. Я. Е. Гегузин, Ю. С. Кагановский, В. И. Кибец, Н. А. Макаровский, Физ. мет. металловед., 39: 1205 (1975). 2. W. D. Hinsberg, F. A. Houle, and H. Ito, Advances in Resist Technology and Processing XXI: Proceedings of the SPIE (2004), vol. 5376, p. 352. 3. Н. Т. Гладких, Р. И. Зайчик, В. П. Лебедев и др., Поверхностная диффузия и растекание (Москва: Наука: 1969). 4. Д. Г. Громов, С. А. Гаврилов, Е. Н. Редичев, Р. М. Аммосов, Физ. тверд. тела, 49, № 1: 172 (2007). 5. Q. S. Mei and K. Lu, Progress in Materials Science, 52, No. 8: 1175 (2007). 6. Н. Т. Гладких, С. П. Чижик, В. И. Ларин и др., Поверхность. Физика, хи- мия, механика, № 11: 124 (1985). 7. Н. Т. Гладких, С. В. Дукаров, Адгезия расплавов и пайка материалов, № 30: 26 (1993). 8. N. T. Gladkіkh, S. V. Dukarov, and P. A. Gabusu, Functіonal Materіals, 1, No. 1: 75 (1994). 9. A. V. Joglekar, R. N. Karekar, and K. Sathianandan, Phys. Stat. Sol. (a), 17: K89 (1973). 10. P. G. Vassilev, Bulgarian Journal of Physics, 3: 184 (1976). 11. Smithells Metals Reference Book (Eds. E. A. Brandes and G. B. Brook) (Reed Educational and Professional Publishing Ltd: 1997).
id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-72440
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
issn	1816-5230
language	Russian
last_indexed	2025-12-07T16:59:23Z
publishDate	2010
publisher	Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України
record_format	dspace
spelling	Гладких, Н.Т. Крышталь, А.П. Сухов, Р.В. 2014-12-23T18:17:18Z 2014-12-23T18:17:18Z 2010 Формирование островковых наносистем в результате самоорганизации при плавлении конденсированных пленок Bi и Sn на Si / Н.Т. Гладких, А.П. Крышталь, Р.В. Сухов // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2010. — Т. 8, № 1. — С. 79-90. — Бібліогр.: 11 назв. — рос. 1816-5230 PACS numbers: 68.08.Bc, 68.55.A-, 68.55.J-, 68.55.Nq, 81.07.Lk, 81.16.Dn, 81.16.Nd https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/72440 Излагаются результаты экспериментальных исследований распределения частиц по размерам и морфологических характеристик островковых систем висмута и олова, полученных методом плавления сплошных конденсированных пленок различной толщины (5—72 нм) на поверхности монокристаллического кремния. Показано, что предложенный метод позволяет создавать упорядоченные структуры на подложке, и определена область толщин пленок, при плавлении которых формируются островковые системы с одним максимумом функции распределения частиц по размерам. Приводятся данные о связях коэффициента заполнения подложки, плотности частиц, наиболее вероятного их размера с массовой толщиной исходных пленок висмута и олова. Викладено результати експериментальних досліджень розподілу частинок по розмірах і морфологічних характеристик острівцевих систем бисмуту й цини, одержаних методою топлення суцільних конденсованих плівок різної товщини (5—72 нм) на поверхні монокристалічного кремнію. Показано, що запропонована метода дозволяє створювати впорядковані структури на підложжі, й визначено область товщини плівок, при топленні яких формуються островкові системи з одним максимумом функції розподілу частинок за розмірами. Наведено дані про зв’язки коефіцієнта заповнення підложжя, густини частинок, найбільш ймовірного їхнього розміру з масовою товщиною вихідних плівок бисмуту й цини. The results of the experimental study of particle-sizes distribution and morphological characteristics of Bi and Sn island systems are presented. The island systems were formed by melting of continuous condensed films of different thickness (5—72 nm) on the Si single-crystal surface. The possibility of formation of ordered structures on the substrate by means of this method is shown. The film-thickness range, within which the island systems with single peak of particle-sizes distribution function are formed, is determined. The relations of the substrate coverage, the particles-number density, the most probable particle size with the mass thickness of Bi and Sn deposited films are determined. Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки Украины (проект No 0109U001331). ru Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології Формирование островковых наносистем в результате самоорганизации при плавлении конденсированных пленок Bi и Sn на Si Article published earlier
spellingShingle	Формирование островковых наносистем в результате самоорганизации при плавлении конденсированных пленок Bi и Sn на Si Гладких, Н.Т. Крышталь, А.П. Сухов, Р.В.
title	Формирование островковых наносистем в результате самоорганизации при плавлении конденсированных пленок Bi и Sn на Si
title_full	Формирование островковых наносистем в результате самоорганизации при плавлении конденсированных пленок Bi и Sn на Si
title_fullStr	Формирование островковых наносистем в результате самоорганизации при плавлении конденсированных пленок Bi и Sn на Si
title_full_unstemmed	Формирование островковых наносистем в результате самоорганизации при плавлении конденсированных пленок Bi и Sn на Si
title_short	Формирование островковых наносистем в результате самоорганизации при плавлении конденсированных пленок Bi и Sn на Si
title_sort	формирование островковых наносистем в результате самоорганизации при плавлении конденсированных пленок bi и sn на si
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/72440
work_keys_str_mv	AT gladkihnt formirovanieostrovkovyhnanosistemvrezulʹtatesamoorganizaciipriplavleniikondensirovannyhplenokbiisnnasi AT kryštalʹap formirovanieostrovkovyhnanosistemvrezulʹtatesamoorganizaciipriplavleniikondensirovannyhplenokbiisnnasi AT suhovrv formirovanieostrovkovyhnanosistemvrezulʹtatesamoorganizaciipriplavleniikondensirovannyhplenokbiisnnasi

Формирование островковых наносистем в результате самоорганизации при плавлении конденсированных пленок Bi и Sn на Si

Репозитарії

Схожі ресурси