Исследование нановолокон карбида кремния при помощи сканирующей туннельной микроскопии

Исследование нановолокон карбида кремния при помощи сканирующей туннельной микроскопии

Scanning tunneling microscopy investigations of silicon carbide nanowires



Абстракт. Изображение сканирующей туннельной микроскопии СТМ получили на поверхности карбида кремния, который получили термическим углероживанием из галогенуглеродов (синтез горения). Морфология нановолокон показывает траншееподобные особенности, расположенные перпендикулярно к оси волокна, что говорит о наличии микрограней на их стенках. Впервые представлены изображения высоко – разрешающей СТМ поверхности SiC. Результаты находятся в соответствии с предыдущими докладами, подтверждающими наличие микрограней на поверхности нитевидных кристаллов SiC.

Целью данной статьи служит исследование морфологии поверхности нановолокон SiC, полученных термическим углероживанием из галогенуглеродов, при помощи метода СТМ.

Материалы и методы.  Все топографические изображения были записаны при положительном напряжении образца (туннельный эффект в простых электронных состояниях образца). Нановолокна карбида кремния получены термическим наугрероживанием из галогенуглеродов (синтез горения). Первоначальные реагенты состояли из политетрафлюороэтилена (57.8% масс) и дисилицида кальция (42.2% масс), что дает наибольший выход SiC. полученный продукт очищался путем обжига на воздухе (900 К, 1ч) и затем промывался КОН (30% масс), H2SO4 (96% масс) и HCl (36% масс). Промывка материала дистиллятом и просушивание следовали за каждым этапом очистки.часть очищенного продукта растворяли в 1,2-дихлорэтане при помощи ультразвука (около 15 мин). Затем каплю смеси ложили на подложку пиролитического графита высокой ориентации или золото (1 1 1) и оставляли образец до высыхания.

Выводы. Высоко- разрешающая СТМ топография показывает траншееподобные свойства на поверхности нановолокон перпендикулярно их оси. Наблюдаемые высоты шагов и изображения высокого разрешения, полученные на стенках нановолокон, объясняются наличием граней (1 0 0), которые, как считают, являются углеродными окончаниями. Данная работа также показывает, что СТМ служит мощной методикой для исследования поверхности наноструктур SiC и может применяться для показа их локальной морфологии на атомном уровне.





Высокое качество кристаллических тонких эпислоев 4H-SiC, выращенных из метилтрихлорсилана (МТС)

Very high crystalline quality of thick 4H-SiC epilayers grown from methyltrichlorosilane



Абстракт. Эпислои 4H-SiC толщиной 200 мкм при помощи хлорид-основанного химического осаждения из газовой фазы с использованием МТС в качестве единственного прекурсора. Высокое кристаллическое  качество выращенных эпислоев продемонстрировано кривыми качания высокоразрешающей рентгеновской дифракции со значением полноширинного полумаксимума около 9 арксек. Высокое качество эпислоя в дальнейшем показано низко температурной фотолюминесценцией. Высокое кристаллическое качество, достигнутое для тонких эпислоев, выращенных всего за 2 часа при 1600оС, подтверждает, что МТС является подходящей молекулой-реагентом для выращивания массивного SiC.

Цель работы – показать возможность выращивания эпислоев толщиной до 200 мкм, достаточной для 25 кВ блокирующих карбид кремниевых устройств, за очень короткое время.

Новизна: получили достаточно толстый слой SiC за очень короткий срок.

Материалы и методы. Эпислои были гомоэпитаксиально выращены в горизонтальном горячестеночном реакторе с использованием пластинок 4H-SiC (0001) n-типа в качестве подложки, которые имели Si-поверхность и обрезаны в направлении (1120). Эпислои выращивались 2 часа с молярной долей МТС, соответствующей скорости роста 100 мкм/ч. Никаких дополнительных добавок не вводили в газовою смесь в процессе выращивания. Используемые методики исследования полученных эпислоев: инфракрасная рефракция с преобразованием Фурье, изучение поперечного сечения эпислоев оптической микроскопией, высокоразрешающая рентгеновская дифракция, низкотемпературная фотолюминесценция.

Выводы.  В данной работе показано, что хлор-содержащий реагент МТС может быть использован как единственный молекулярный прекурсор SiC для выращивания тонких низко примесных, высоко качественных кристаллических эпислоев SiC при высоких скоростях роста (>100 мкм/ч). Тот факт, что выращивание SiC из МТС, дающее один кристаллический эпислойтолщиной 200 мкм высокого качества, фиксирует, что МТС может служить хорошим прекурсором также и для выращивания массивного SiC.







Подготовка, описание и фотолюминесцентные свойства ультра длинных нанопроводов SiC/SiOx

Preparation, characterization and photoluminescence properties of ultra long SiC/SiOx nanocable.



Абстракт. Нанопровода с ядром SiC и поверхностью SiOx в несколько милиметров длинной подготовлены пиролизом нанопорошка SiO2 с добавлением поли(диметил силоксана) (ПДМС) в отсутствии катализатора во вращающейся печи при 1050оС в Ar. Изучалось влияние условий синтеза (температура синтеза и время охлаждения) на продукт. Продукт, полученный при различных условиях, характеризовался рентгеновской дифракцией, переносящей электронной микроскопии, сканирующей электронной микроскопией, высокоразрешающей электронной микроскопией совместно с энергорассеивающей рентгеновской спектроскопией, и фотолюминисцентной спектроскопией. результаты показали, что ядро и поверхность являются кристаллическими и аморфными, соответственно, и что добавка нанопорошка SiO2 и продление времени охлаждения увеличивает диаметр ядра. Процесс роста нанопроводов обсуждается. Фотолюминесцентные эмиссионные полосы нанопроводов попределяются в основном за счет их поверхности.

Цель работы – исследовать влияние условий синтеза на продукт и обсуждения процесса роста нанопроводов.

Новизна: использование ПДМС в качестве добавки к нанопорошку SiO2.

Материалы и методы. Около 5 г смеси SiO2 (30 масс%, ~20 нм диаметром) и ПДМС (70 масс%) расположили в корундовой ступке и ступку поставили на муллитовый огнеупор (150*80*12 мм). Огнеупор разместили в горячей зоне кварцевой трубки-печи. После продувки трубки аргоном в течении 1 часа при скорости 150 мл/мин, далее производили нагрев до желаемой температуры при скорости 10оС/мин и затем выдерживали от 0 до 2 ч в токе аргона при скорости течения 6 мл/мин и охлаждали до комнатной температуры при различных временах охлаждения. 

Выводы. Ультра длинные нанопровода SiC/SiOx получены пиролизом нанопорошка SiO2 c добавкой ПДМС. Из-за нанопорошка SiO2 механизм формирования групп SiC  в ядрах SiC более затруднен чем в случае чистого ПДМС, как прекурсора. Температура синтеза и скорость охлаждения имеют значительное влияние на конечный продукт. Диаметры ядер нанопроводов могут быть подогнаны регулированием скорости охлаждения и/или добавлением нанопорошка SiO2 в ПДМС. Фотолюминесцентные эмиссионные полосы для нанопроводов SiC/SiOx проявляются в основном за счет их поверхности SiOx.



Выращивание усов TiC в матрице Ai2O3 для керамических металлорежущих станков

In situ growth of TiC whiskers in Al2O3 matrix for ceramic machine tools



Абстракт. Усы TiC синтезированы методом карботермального превращения в матрице α-Al2O3 в интервале температур 1380-1580оС в атмосфере аргона. Сырьевыми материалами служат TiO2, углерод, никель и NaCl. Были исследованыразличные процедуры смешения и температуры реакции. Выход усов главным образом зависит от процедуры смешения и морфология синтезированных композитных порошков главным образом зависит от температуры синтеза. Большинство синтезированных усов показывает идеальный коэффициент 10-30 с диаметром 1-3 мкм. Показано незначительное влияние на выращивание усов TiC присутствием порошка Al2O3.

Цель – исследовать влияние условий эксперимента  на выход и морфологию синтезированных усов TiC в матрице Al2O3.

Новизна – получение композитного порошка с гомогенным распределением усов в матрице по  методу карботермального превращения.

Материалы и методы. В качестве реагентов использовались промышленный TiO2, аморфный углерод, Ni и химически чистый NaCl. Промышленный α-Al2O3 со средним размером зерен 0.5 мкм использовался в качестве матрицы. Молярное соотношение TiO2:C:NaCl:Ni составляет 1:3:0,5:0,05. Смеси реагентов, названных соответственно АТ300, АТ301 и АТ302, смешаны 3 различными процедурами. АТ300 смешивалась в смесителе 30 мин и просеяна через сито с ячейкой 100 два раза и затемпросеяна через сито с ячейкой 200 еще два раза. АТ301 подготовлен в мельнице сухого помола в течение 24 ч и затем просеян через сито  с ячейкой 100. Ат302 диспергировался 30 мин ультразвуком в этаноле и мололся 24 ч, затем высушивался в вакуумной сушилке и просеивался через сито с ячейкой 100. Каждые 15 г смеси клали в графитовый реактор несколькими малыми порами в крышке, что позволяет обмениваться газом между реактором и атмосферой, нагретой до температуры синтеза за 10 – 12 минв токе аргона и выдерживали 90 мин. Температуры синтеза составляли, соответственно, 1380, 1480 и 1580оС. Полученные фазы характеризовались силовой рентгеновской диффрактометрией. Выход и морфология усов исследовались сканирующим электронным микроскопом (СЭМ).

Выводы. Усы TiC успешно синтезированы в матрице Al2O3. Большинство усов имеет идеальный коэффициент соотношения 10-30 при диаметре 1-3-мкм. Выход усов в основном зависит от процедуры смешения и морфология смеси в основном зависит от температуры синтеза. Максимальный выход усов получился в материале, полученном в смесителе и просеянном, а гладкие округлые усы получены при высоких температурах синтеза 1480 и 1580оС. Не было зафиксировано значительного влияния присутствия порошка матрицы Al2O3. Также Al2O3 стабилен при температурах синтеза, когда усы выращивали в атмосфере аргона. Остатки кластеров углерода можно наблюдать на фотографиях СЭМ, количество которых может быть проконтролировано.











Искусственно наслоенные гетерополитипичные структуры на основе политипов SiC: молекулярно-лучевая эпитаксия, характеристика и свойства.

Artificially layered heteropolytypic structures based on SiC polytypes: molecular beam epitaxy, characterization and properties.



Абстракт. В последние годы обсуждаются новые типы полупроводниковых гетероструктур, состоящих только из одного материала в различных кристаллических структурах, например вюрцит/цинковая смешанная гетероструктура (гетерополитипичная структура). Такие гетероструктуры сохраняют полностью свободны от дефектов. В этой области карбид кремния является наиболее многообещающим кандидатом из-за кристаллизации SiC в ьолее чем двух различных стабильных структурах. Подготовка гетерополитипичных структур только изменением кристаллической структуры в течении роста является большой проблемой и реализуется только при определенных условиях молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ). В этой статье дается обзор результатов и выводов последних исследований по МЛЭ выращиванию, характеристика и свойства SiC гетерополитипичных структур и связанных с ним материалами.

Цель  работы – описать МЛЭ выращивание новых видов полупроводниковых гетероструктур на основе политипов SiC.

Материалы и методы. Слои SiC выращивались на подложке SiC (0001) (вдоль оси и под углом 3 – 8,5о) при помощи твердого источника молекулярно-лучевой эпитаксии. Подложка нагревалась тепловым излучением графитовой излучины до 1600К. температура измерена при помощи широкополосного оптического пирометра, работающего в диапазоне длин волн 1 – 5 мкм. В этом диапазоне возможно избежать специфических эффектов политипа, так как этот диапазон слишком далек от границы адсорбции различных политипов (между 350 и 530 нм). Точная калибровка температуры выполнялась путем исследования поверхностного переноса фаз как функции температуры.

Молекулярные лучи генерировали автономной электронно-лучевой пушкой, нагревающей чистый кремний и пиролитический углерод. Результирующая скорость роста находится в диапазоне 0,01-0,1 нм/с. Скорость сенсора для этого метода должна определяться пределом обнаружения в процентном диапазоне контролируемой скорости. 

В случае Si калибровка потокометра производится измерением интенсивности колебаний частных отраженных лучей в течение отражательной дифракции быстрых электронов ОДБЭ. Установлено, что  период колебаний соответствует в Si-МЛЭ Si (1 1 1) для двух монослоев. ОДБЭ – наиболее широко используемая методика для отображения и контроля МЛЭ роста. Из-за малого угла падение между 1о и 3о к поверхности пластинки, в этом методе падающие электроны с энергией 10 – 40 кэВ взаимодействуют только с атомами приповерхностных областях глубиной несколько монослоев. Далее, специальная дифракционная геометрия делает возможным получение инфомации в реальном времени о процессе, происходящем на поверхности  и в приповерхностных областях в процессе роста. В простом случае ОДБЭ используется для проверки поверхности после подготовки. Шероховатая поверхность давала бы трехмерную диффракцию, тогда как в случае гладкой поверхности дифракция становится двухмерной. 

В случае углерода, сначала подложка Si (1 1 1) размещалась под углерод при высокой температуре 1275 К. размещение Si под С при такой высокой температуре ведет к формированию кристаллического SiC из-за карбонизации поверхности подложки Si. Последующий рост слоя SiC происходит путем диффузии Si через слой SiC, например вдоль границ зерен. Конечная толщина слоя измерена поверхностным профилометром Дектака. Скорость роста окончательно калибруется последовательным переключением между точными Si-определенными поверхностными суперструктурами из-за осаждения определенного количества С. 

Известно, что эпитаксиальное наращивание на подложку сильно зависит качества поверхности подложки, так как каждый дефект может распространяться в слое в процессе роста и снижать его качество. Поэтому подложка немедленно протравливается перед установкой в аппарат МЛЭ. Однако, поверхностная подготовка SiC затруднена из-за химической стабильности SiC и возможна только в процессе плазменного травления или высоко-температурной подготовки. 

Плазменное травление выполнено с использованием различных газов, например CF4/O2, CCl2F2/O2, SF6/He и CHF3/O2. В отношении метода CVD, травление Н2 и HCl при высоких температурах (T> 1550 К) также успешно применяется для подготовки поверхности SiC. Следовательно, для представленных исследований образцы подготавливают двух-шаговой процедурой, включающей травление H2/O2-плазмой и последующим термическим окислением. Такой процесс предотвращает травление галидами и кислородом, которыми трудно управлять из-за их высокой агрессивности. Остаточные включения и дефекты затем снимались вместе с оксидным слоем при влажной химической обработке в HF. После этого, как было найдено, поверхность имела шероховатость менее 1 нм и свободной от примесей (ниже предела обнаружения электронной Оже-спектроскопии). Найдено, что водород-пассивированная поверхность стабильна против окисления на воздухе в течение 10 – 30 мин. 

Для МЛЭ опытов поверхность подложки SiC подготовлена сублимационным травлением в токе Si при температурах (>1500K), чтобы убрать поверхностные примеси. Попутно, такая подготовка Si дает десорбцию оксидов кремния путем образования летучих монооксидов и одновременно избегается графитизация поверхности из-за истощения поверхности Si при высоких температурах. Травлением Si получена хорошо развитая шаговая структура. Это сравнимо с результатами высоко температурной подготовки с использованием H и HCl.

Метод МЛЭ наращивания, морфология и структура поверхности исследовались ОДБЭ. Также образцы исследовались просвечивающей электронной микроскопией TEM, атомно силовой микроскопией AFM и сканирующей электронной микроскопией SEM, а также измерениями рентгеновской диффракции. 

Выводы. Описано МЛЭ выращивание выращивание новых видов полупроводниковых гетероструктур на основе политипов SiC. продемонстрировано, что формирование основных политипов в период зародышеобразования происходит из-за комплексного взаимодействия между их термодинамическими свойствами и условиями роста. Гетерополитипичные структуры SiC получены переключением условий роста из низких температур (1550 К) и Si-обогащенным коэффициентом Si/C (3C-SiC) к высоким температурам (1600 К) и  С-обогащенным коэффициентом Si/C (4Н- и 6Н-SiC). Был продемонстрирован контролируемый рост гетерополитипичных структур SiC, состоящих из гексагональных и кубических политипов, как 4Н/3C/4H-SiC (0 0 0 1) и 6H/3C/6H-SiC (0 0 0 1). Таким образом, четкость гетерополитипичных границ зависит от гладкости поверхности. Изменение условий от Si-обогащенных к более С-обогащенным легко может быть проконтролировано путем изменения сверхструктуры поверхности из (1×1) к (√3×√3)R30o структур.

На неосевых подложках мультигетероструктуры, состоящие из более чем 20 гетеросоединений, были получены путем первичного отборанитеподобных зародышей 3С-SiC на терассах хорошо подготовленных гексагональных подложек SiC (0 0 0 1) при низких Т (<1500 К) и последовательными потоков волокон 3С и окружающим материалом α-SiC. Количество волокон 3С-SiC определяется шириной террас и температурой роста, тогда как  их толщина (и толщина последовательных выращенных тонких слоев) определяется высотой шага на подложке, который подобен квантовой стенке в несколько нанометров. 

Изменение политипов было зафиксировано образцами Кикуччи, показанными в ОДБЭ. 

В опытах с фотолюминесценцией и электрическими измерениями слоев, состоящих из  мультиквантовых стеночных структур, поведение отличалось от того, что было найдено для слоев SiC. В слоях, содержащих гетерополитипичные структуры, появляются дополнительные пики, которые можно объяснить в пределах триангулярной квантовой стенки 3C-SiC. Более того, высокая концентрация носителей электронов и модуляция их концентраций в пределах слоя фиксирует  локализацию носителей. 

В дальнейшем было продемонстрировано, что стехиометрия поверхности является ключевой для МЛЭ выращивания SiC, особенно при низких температурах.

В будущем полученные результаты также открывают способы для выращивания и исследования маломерных структур с мерностью до 0, как например квантовые точки SiC. Применение гетерополитипичных структур SiC в устройствах, на подобии транзисторов с высокой подвижностью электронов (НЕМТ) или резонансных туннельных диодов, должно стать возможным сейчас. По этому методу в деталях могут быть изучены свойства новых типов гетероструктур.

Полученные результаты должны быть пригодны такжи и для подготовки других видов гетерополитипичных структур, таких как Si вюрцит/цинковая обманка. Это открыло бы возможность использовать резонансные туннельные диоды из Si, без каких-либо включений, в запоминающих и логических контурах.