Неустойчивость тонких пленок, самоорганизация на поверхности презентация

Содержание

Нестабильность механически напряженной пленки Instability of mechanically stressed films Механизм развития нестабильности - поверхностная диффузия Mechanism of instability development is surface diffusion Причина нестабильности – избыточная упругая энергия Origin of instability

Слайд 1Наномеханика Nanomechanics of materials and systems
Lecture 5
Неустойчивость тонких пленок, само-организация на

поверхности.
Surface instability and self-organization

Слайд 2Нестабильность механически напряженной пленки Instability of mechanically stressed films
Механизм развития нестабильности -

поверхностная диффузия
Mechanism of instability development is surface diffusion

Причина нестабильности – избыточная упругая энергия
Origin of instability is elastic energy


Слайд 3Малые периодические изменения толщины Small periodic variation of thickness
ω=2π/λ


Слайд 4Малые периодические изменения толщины Small periodic variation of thickness


Слайд 5Плотность энергии и химический потенциал Energy and chemical potential
Увеличение площади поверхности квадратично

по a / λ (change in surface area)

Химический потенциал (Chemical potential)


Слайд 6Критическая длина стабильности Critical length of stability
Пусть a зависит от времени
Изменение свободной

энергии, усредненное по периоду λ:
Free energy over a period

Нестабильность Азаро-Тиллера—Гринфельда
Asaro-Tiller-Grinfeld instability


Слайд 7Нестабильность напряженной пленки Asaro-Tiller--Grinfeld instability
ν = 0.3
G = 0.67 1011 Pa
γ =

1 J/m2
ε = 0.007


Asaro-Tiller--Grinfeld instability

M = E/(1- ν)
E = 2G(1+ν)


Слайд 8Нестабильность пленки GeSi на Si Asaro-Tiller--Grinfeld instability of GeSi on Si
Transmission

electron microscopy cross-sectional image of a Si0:81Ge0:19 alloy film grown epitaxially on a Si substrate (a). The ridges are aligned with a <100> crystallographic direction. While the TEM image appears to represent a fully two-dimensional configuration, the planview images of the film surface (b) shows that the regular ordering has a relatively short range. The normal distance between parallel lines in the lower images is the peak-to-peak distance in the upper image, or about 300nm. Reproduced from Cullis et al. (1992). εm=0.66%

a


Слайд 9Возмущения второго порядка Second order disturbation


Слайд 10Применимость приближения малых флуктуаций Applicability of small perturbation approach
The dependence of change

in surface energy and elastic energy of a solid due to sinusoidal perturbation of surface shape versus the amplitude-to-wavelength ratio of that perturbation. The results show that the small slope approximation is reliable for values of a/λ up to 0.1, and is a fair approximation for significantly larger values.

Слайд 11Домашнее задание (Homework) 4
Пленка Ge толщиной 4 нм выращена эпитаксиально на

подложке Si с ориентацией (111) и толщиной 400 мкм. 4-nm-thick Ge epitaxial film was grown over 400-μm-thick Si substrate with (111) orientation.

Определить (determine)
1. Анизотропию кривизны структуры по Стони Anisotropy of Stoney curvature (if any?)
2. Критическую длину Asaro-Tiller-Grinfeld нестабильности пленки (γ = 1 J/m2). Asaro-Tiller-Grinfeld critical length (γ = 1 J/m2).

Слайд 12Начальная стадия самоорганизации КТ InAs на поверхности GaAs Initial stage of

self-organization of InAs QDs on GaAs surface

Слайд 13КТ InAs на поверхности GaAs InAs quantum dots on GaAs surface
AFM image


Слайд 14Причина формирования КТ – выигрыш в упругой энергии The reason for

self-organization is a release of elastic energy

Effect of island shape on the volume elastic relaxation of a coherently strained island. The dark area is that with a large elastic strain energy density: (a) island with height-to-width
ratio h/L<<1 is weakly relaxed; (b) island with height-to-width ratio h/L>>1 is nearly completely relaxed.


Слайд 15Механизм Странского-Крастанова Stranski-Krastanow mechanism
Размерный параметр задачи
Dimensional parameter
γf~1J/m2, Mf~1011Pa, εm~0.03


Слайд 16Механизм Странского-Крастанова Stranski-Krastanow mechanism
dimensionless parameter


Слайд 17Соотношение вертикального и латерального размеров Optimal aspect ratio
Free energy change per

unit volume of island of material due to reorganization
of uniformly strained film material to a nonuniformly strained conical island.
The parameter Z = ζ/V1/3 represents the size of the island relative to the natural system length ζ.

Слайд 18Упругая энергия при изменении отношения высоты островка к его основанию Elastic energy

vs. aspect ratio

Total, normalized energy as a function of island aspect ratio (one with a log scale on the
abscissa is shown to convey more detail in the transition regime). Data points represent a mix of spherical caps and pucks; all fall along the same curve. For aspect ratios larger than approximately 0.25, the energy (when scaled as such) becomes independent of aspect ratio. Jonsdottir et al, 2006


Слайд 19Начальные стадии формирования пирамид Ge на Si Initial stages of formation of

Ge islands on Si

STM images of the surface evolution during growth of a Ge layer on Si (001). In panels (a)–(d), the Ge coverage grows from 2.8 to 4.0 ML’s. During growth (a)–(c) first mounds
(prepyramids) develop, then these convert (d) to {105} facetted pyramids. From Vailionis et al., 2000.


Слайд 20Формы островков Ge на Si Shapes of Ge islands on Si
The size

distribution of several island types occurring during deposition of Ge on Si(001). The inset shows the time evolution of the island density for different types. Adapted
from Vailionis et al., 2000.

Слайд 21Распределение по размерам Size distribution
0
1
2
Size distributions of domes and pyramids calculated by

means of equilibrium statistics (lines) for two different Ge coverages Q, and obtained from AFM (black dots). From Rudd et al., 2003

Слайд 22Эволюция формы Shape evolution
Shape transition of Ge or SiGe islands grown on

Si(001) during growth solid arrows, postgrowth annealing (dotted arrow), and Si capping (dashed arrow). The solid curves represent the critical volumes for pyramids and domes. From Rastelli, Kummer, and von Kaenel, 2002.

Слайд 23Формы островков Shape evolution
Typical Ge island shapes obtained by STM during

Si capping of Ge domes grown on Si(001): (a),(b), domes; (c) pyramids; (d)–(f) prepyramids. The Si coverages are 0, 1, 2, 4, 8, and 16 ML’s for panels (a)–(f). From Rastelli et al., 2001.

Слайд 24Геометрия островков InAs на GaAs и Ge на Si Geometry of InAs

islands on GaAs and Ge on Si

Geometry of an InAs pyramid over an InAs wetting layer deposited on a GaAs(001) surface.

3D STM image (a) and schematic top and side views (b) of a 3D island formed during the deposition of pure Ge on Si(001). All faces of the island are {105} facets. The height of the island is 2.8 nm while the base dimensions are of the order of 20 and 40 nm. Due to frequently observed elongation of the islands—that is either in [100] or [010] direction—the island’s shape resembles that of a “hut”. The vertical scale of the STM image is exaggerated: the islands actually are fairly Kat with an 11.3° tilt angle of the facets as it is shown in (b) (after Mo et al. and Teichert et al.).


Слайд 25Нуклеация пирамидальных островков Nucleation of pyramidal islands
The volume dependence of the energy

necessary to create a pyramidal island, calculated for three different orientations of the facets. Energy and volume are normalized to the critical values of {105} facetted pyramids. Adapted from Tersoff and LeGoues, 1994; Brunner et al., 2000.

Энергия создания пирамидального островка с гранями под углом θ

A = σm2 (1- ν)/(2πG)


Слайд 26Фасетирование островков InAs на GaAs Facetting of InAs islands on GaAs
Facetting of

InAs islands (a) sketch of facets of an InAs islands on GaAs(001) obtained by STM; (b) and (c) zoom of the reconstructed {-1-37} facet; (d) structure model of facet reconstruction. From Marquez et al., 2003.

Слайд 27Фасетирование островков Facetting of islands
Зубчатая фасетированная поверхность. Эффективные силы противоположного знака приложены

к соседним углам. (Forces on facetted surface)

Полная энергия (Total energy)

The balance of forces acting on a crystal edge. Forces caused by the intrinsic surface stress τ are balanced by the force G acting from the bulk of the crystal. According to Newton’s third law, the reaction F=-G is acting from the surface layer on the bulk of the crystal, resulting in the strain field. The inset in the middle depicts the force balance, which is similar for a liquid and for a crystal.


Слайд 28Энергия фасетированной поверхности Energy of facetted surface
The energy of a periodically faceted

surface per unit surface area vs the period D. There always exists an optimum period of faceting Dopt due to the logarithmic dependence of the elastic relaxation energy on the period D.

Выигрыш в упругой энергии
Release of elastic energy

Полная энергия поверхности
Total energy of facetted surface

Оптимальный период Optimal period


Слайд 29Равновесность системы островков
The energy of a dilute array of 3D coherently

strained islands per one atom vs size of the island. The parameter α is the ratio of the change in the surface energy due to the formation of islands, Esurf, and of the contribution of the edges to the elastic relaxation energy, |Eelastic|.

Удельная энергия на 1 атом в пирамидальном островке размером L x L

E0 – характерная энергия
L0 – характерная длина


Слайд 30Самоорганизация QD на поверхности: Кинетика или термодинамика? Self-organization: kinetics or thermodynamics?

Формирование квантовых точек

на поверхности обычно проходит в неравновесных условиях Formation happens under non-equilibrium conditions
Термодинамические модели в целом описывают наблюдаемые явления Thermodynamics describes the process reasonably well
Роль кинетики зависит от конкретной системы и условий формирования квантовых точек Role of kinetics is specific for systems and conditions
Для большого числа практически важных полупроводниковых гетеросистем разработаны рецепты воспроизводимого получения массивов квантовых точек на поверхности Technology has been developed for reliable production of quantum dots in different systems

Слайд 31Роль условий роста Role of growth conditions
Effect of As pressure on InAs/GaAs

quantum dot arrays. Plan-view TEM and photoluminescence spectra for five values of arsenic pressure are given, PAs0 = 2 106 Torr. The dense array of 3D coherent dots existing for P=PAs0 undergoes a reversible transition to a planar morphology with lowering of pressure to P=1/6 PAs0. An increase of pressure results in Ostwald ripening, formation of dislocated clusters at P=3PAs0, and complete disappearance of coherent dots at P=5PAs0.

Слайд 32Самоорганизация квантовых точек на поверхности Self-organization of quantum dots on a growth

surface

Технология молекулярно-лучевой эпитаксии (MBE) или газофазной эпитаксии с использованием металлоорганических соединений (MOVPE, MOCVD).

Механизмы роста:
Франка—ван дер Мерве (Frank—van der Merve, FM)
Фолмера—Вебера (Volmer—Weber, VW)
Странского—Крастанова (Stranski—Krastanow, SK)


Слайд 33Режимы роста гетероэпитаксиальных систем Growth modes in heteroepitaxial systems
Основные параметры:
Энтропия пересыщения


Энергии поверхности
подложки

- γs
пленки - γf
границы раздела - γsf

Параметры решетки
подложки - as
пленки - af
рассогласование εm = (af - as)/af

В гетеросистеме с малым рассогласованием εm ≈ 0 реализуется
Режим Франка—ван дер Мерве (FM), если γf + γsf < γs,
Режим Фолмера—Вебера (VW), если γf + γsf > γs

Для Е=100GPa, γ=1J/m2, εm=0.02, a=0.25 nm


Слайд 34Фазовая диаграмма режимов роста Phase diagram of growth modes
Равновесная фазовая диаграмма гетероэпитаксиальной

системы с рассогласованием решеток. Daruka and Barabasi (1997).
Q — количество осажденного материала; εо — рассогласование решеток.

Слайд 35Домашнее задание (Homework) 5
Пленка Ge толщиной 4 нм выращена эпитаксиально на

подложке Si с ориентацией (111) и толщиной 400 мкм. 4-nm-thick Ge epitaxial film was grown over 400-μm-thick Si substrate with (111) orientation.

Определить (determine)
4.2. Критическую длину Asaro-Tiller-Grinfeld нестабильности пленки (γ = 1 J/m2). Asaro-Tiller-Grinfeld critical length (γ = 1 J/m2).
5. Характерный размер квантовых точек Ge Characteristic size of Ge quantum dots

Слайд 36Латеральное упорядочение островков
Энергия латерального взаимодействия островков
R – расстояние между островками;
V –

объем островка;
(mx ; my) – единичный вектор на поверхности;
B, C – константы;

для изотропной среды В2 = 0, изотропное дипольное отталкивание;

для анизотропной среды возможно притяжение по “мягким” направлениям, обычно <100>.

Слайд 37Энергия латерального взаимодействия островков на поверхности
Normalized interaction energy as a function

of island separation, for islands with aspect ratio AR = V/A3/2 = 1/3. Jonsdottir et al, 2006

Слайд 38Латеральное упорядочение островков InAs на GaAs
Ordering of quantum dots: (a) plan-view

transmission electron microscopy (TEM) micrograph of a single sheet of InAs dots grown in molecular beam epitaxy by four-monolayer deposition of InAs. Dots are preferentially aligned in rows parallel to <100>. (b) Histogram of the direction between the nearest neighboring dots.

Слайд 39Искусственное упорядочение квантовых точек
AFM images of the surface of a Ge

layer grown on lithographically prepatterned Si(001) substrates. In the sample shown at top left, the islands are arranged into a regular array along two orthogonal <110> directions. In the sample shown at bottom right, the unit vectors of the 2D array of pits are oriented along <100> and <110> directions, leading to a 45° island alignment. Zhong and Bauer, 2004.

Проблемой самоорганизации КТ является статистический разброс размеров
Латеральное самоупорядочение КТ на поверхности малоэффективно


Обратная связь

Если не удалось найти и скачать презентацию, Вы можете заказать его на нашем сайте. Мы постараемся найти нужный Вам материал и отправим по электронной почте. Не стесняйтесь обращаться к нам, если у вас возникли вопросы или пожелания:

Email: Нажмите что бы посмотреть 

Что такое ThePresentation.ru?

Это сайт презентаций, докладов, проектов, шаблонов в формате PowerPoint. Мы помогаем школьникам, студентам, учителям, преподавателям хранить и обмениваться учебными материалами с другими пользователями.


Для правообладателей

Яндекс.Метрика