СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЛАТЕРАЛЬНЫХ НАНОСТРУКТУР
METHOD OF OBTAINING LATERAL NANOSTRUCTURES

3.2.4.1. Область техники, к которой относится изобретение.
Изобретение относится к области применения нано-технологии для получения специфических нано-структур, используемых в различных областях техники, в том числе и для целей манипуляции с отдельными молекулами и получения новых наноструктур.
Классы изобретения:
B82Y30/00 Нанотехнология
В82 В 1/00 Нано-структуры, полученные манипулированием отдельными атомами или молекулами, или ограниченным набором атомов или молекул, как дискретными объектами
В82В 3/00 Производство или обработка нано-структур путем манипулирования отдельными атомами или молекулами, или ограниченным набором атомов или молекул, как дискретными объектами
3.2.4.2. Уровень техники.
По существу, первыми устройствами, которые можно отнести к разряду наноструктур, являются интерференционные оптические и рентгеновские зеркала, в которых чередуются тонкие слои материалов с различными показателями преломления света или различной электронной плотностью. Позднее в аналогичных слоистых системах, но с толщиной слоев порядка нескольких десятков атомных монослоев магнитных и немагнитных проводников были обнаружены эффекты гигантского магнетосопротивления, туннельного магнетосопротивления, спинового клапана, возвратной сверхпроводимости и т.д., которые наряду геометрическими параметрами (субатомной толщиной слоев) определяются материалами, входящими в состав слоистой наноструктуры. В дальнейшем с развитием электронной литографии до субатомного разрешения появилась возможность варьировать размеры создаваемых устройств в плоскости слоев - получать так называемые латеральные наноструктуры. Электронная литография является довольно сложной техникой с применением резистов, травления... и ее разрешение ограничивается размером электронного или ионного пучка и рассеянием данных частиц в резисте. Также известен способ получения наноструктур путем механического воздействия острием кантилевера атомно-силового микроскопа непосредственно на формируемый слой или резист, его покрывающий. Настоящим изобретением предлагается иной способ получения модулированных, в идеале, в трех пространственных направлениях, наноструктур. В уровень техники изобретения следует включить сведения о закономерностях и механизмах гетероэпитаксиального роста кристаллов и кристаллических слоев, способах получения наноструктур, включающих также в себя приемы подготовки поверхностей подложек, методы, устройства и приборы, используемые в этих процессах. Главным образом все перечисленное относится к применению техники, использующей молекулярные потоки осаждаемых материалов в вакууме, т.е. когда длина свободного пробега молекул наносимых материалов сравнима с размером объема, в котором производятся операции. Однако, во многих случаях все это можно отнести и к процессам получения наноструктур посредством эпитаксиального роста в газовой или жидкой фазе, например, с применением методов газотранспортных реакций или гальванопластики.
В общем виде признанная схема [1-18] осаждения (конденсации) молекулярного (атомарного) пучка (пара) и роста эпитаксиального слоя на кристаллической (аморфной или текстурированной) подложке состоит в следующем. Конденсирующаяся молекула (молекулярный ион, атом, частица вещества) до столкновения с подложкой в зависимости от метода нанесения обладает определенной кинетической энергией. Так, например, в случае термического способа испарения эта энергия примерно соответствует температуре тигля. А в случае магнетронного радиочастотного распыления может иметь энергию, сравнимую с энергией бомбардирующих ионов рабочего газа и, в принципе, приводить также и к удалению осаждаемых молекул с подложки. После адсорбции на подложке эта энергия в течение времени релаксации отдается подложке и двумерному газу адсорбированных молекул, которые в течение этого времени релаксации в пределах пространства порядка диффузионной длины захватываются в более устойчивые положения. Устойчивость положения определяется числом молекул (соответственно, энергетическим выигрышем) с которыми образует связь адсорбированная молекула (частица вещества). Поэтому положение адсорбированной молекулы на гладкой поверхности (см. позиции «А, В» на фиг. 1) является наименее выигрышным и наиболее неопределенным (причина образования двумерного газа). Вместе с тем глубина потенциального рельефа для адсорбированных частиц на атомно гладкой поверхности зависит от характера и направленности связи, обеспечивающей ее удержание на поверхности. Так в случае металлической связи этот рельеф может иметь вид своеобразного глубокого «корыта» (ограниченного барьером Эрлиха-Швёбеля;  barrier) с «рябью» на дне, а в случае ковалентной связи этот рельеф может иметь вид отдельных близко расположенных достаточно глубоких потенциальных ям на фоне небольшого общего понижения потенциала притяжения. Более выигрышным оказывается положение у подножия атомной ступеньки (см. позицию «С» на фиг. 1). Еще более выигрышным в энергетическом отношении является положение в углу растущего монослоя (см. позицию «D» на фиг. 1), в изгибе ступени. Эти различия оказываются важными при дальнейшей эволюции структуры растущего слоя, первоначально определяемой свойствами подложки и условиями осаждения, именно: температурой подложки, шероховатостью ее поверхности, характером и плотностью дислокаций; энергией, плотностью и направлением потока конденсируемых молекул, их зарядом, присутствием остаточных (сопутствующих веществ) газов, излучением. Для ряда практических применений настоящего изобретения оказывается важным, что существуют механизмы самоорганизации скоплений молекул, адсорбированных идеальной поверхностью. Эти механизмы могут быть реализованы при определенных подобранных условиях. Так, в двухфазных системах с эффективным притяжением между фазами и эффективным отталкиванием внутри подвижной фазы возможна реализация механизма самоорганизации, аналогичного механизму образования двумерного вигнеровского кристалла [20] или пылевых кристаллов в плазме [21]. Аналогом таких конкурирующих взаимодействий, приводящих к возникновению на бездефектной поверхности подложки периодических структур с определенной симметрией и постоянной решетки, являются взаимодействия, приводящие к эффекту смачивания и напряжениям вследствие рассогласования решеток подложки и растущего эпитаксиального слоя.
Различают три основных механизма эпитаксиального роста, (см. фигуры 1, 2), которые реализуются в зависимости от соотношения кинетической энергии адсорбированных частиц, высоты диффузионного барьера, барьера Эрлиха-Швёбеля, глубин потенциальных ям на растущей ступени и ее изгибе, плотности потоков частиц, характера их взаимодействия с растущим слоем и подложкой.
I Послойный механизм Франка-ван-дер-Мерве (Frank-van-der-Merve) реализуется в случае высокой подвижности адатомов на совершенной поверхности подложки и существенного увеличения энергии связи адатомов в позициях с  координационным числом. При этом механизме процесс роста пленки состоит из следующих стадий: 1 адсорбция частиц первичной фазы на поверхности подложки и растущего слоя (позиции обозначенный как «А»; 2. Поверхностная диффузия адатомов к атомной ступени удержание их на ней (позиции «В»); Данное движение осуществляется как по верхнему монослою, над ступенью, так и нижнему монослою под ступенью. 3. Движение атомов вдоль ступени из позиций «В» и закрепление их в месте ее излома в позиции «С». Как можно сделать вывод из характера наблюдаемых и приводимых на стр. 10-12 в [19] монослойных структур (лучевые структуры островков, сплошные простые формы), их описанию, а также исходя из смысла градации потенциальных ям для адсорбируемых частиц и проистекающего из характера градации их диффузии (см. фигуру 1) послойная ростовая эпитаксиальная мода Франка-ван-дер-Мерве также имеет три под-моды (аналогично рассматриваемым модам I, II, III): 1. лучевое движение границы островка (аналогичное ростовой моде Вольмера-Вебера на поверхности); 2. параллельное смещение границы (аналогичное послойной моде); 3. точечный рост границы только за счет захвата адсорбируемой частицы изгибом ступени, (см. фигуру 8с). В последнем случае граница растущего слоя движется, в конечном счете, благодаря перемещению только одного изгиба ступени и монослой формируется аналогично растровому рисунку.
a
cr
cr
a
cr
II. Зародышевый механизм роста Вольмера-Вебера (Volmer-Weber) реализуется на атомно гладких плотноупаованных гранях совершенного кристалла, каковым являются грани с малыми индексами Миллера. Рост пленок в этом механизме происходит через начальное образование двухмерных или трехмерных зародышей, в дальнейшем разрастающихся в сплошную пленку на поверхности подложки. Однако, вероятность образования зародышей становится заметной лишь при значительных пересыщениях в несколько десятков процентов. В основе образования, роста и слияния зародышей лежат процессы массопереноса вещества на подложку, адсорбции его частиц на поверхности подложки, поверхностной диффузии адсорбированных частиц. Время релаксации изменений между физически адсорбированными на поверхности подложки частицами и находящимися в ее окрестностях частицам составляет микросекунды. Поэтому рост наноструктур с одной стороны контролируется процессами массопереноса и поверхностной диффузии либо, с другой стороны, для осуществления контроля требует воздействий, имеющих меньшую постоянную времени возрастания и спада. Для зародышевого механизма Вольмера-Вебера называется следующая последовательность этапов роста пленки. 1. Адатомы, имеющие поверхностную концентрацию N, взаимодействуя между собой по определенному сценарию, образуют критические зародыши с энергией образования ΔG и концентрацией N=N⋅exp(-ΔG/kT). 2. Критические зародыши за счет диффундирующих к ним адатомов превращаются в островки, разрастаясь в кристаллографических направлениях с более свободной миграцией адатомов и меньшей пороговой энергией образования ориентированных зародышей. Вместе с тем следует заметить, что спонтанное образование винтовой дислокации обеспечивает более быстрый рост островка, в котором она образовалась. 3. При разрастании островков происходит их слияние и образуется сетка зародышевой фазы с пустотами, ограниченными кристаллографическими гранями. 4. Заключительная стадия роста первичного слоя обеспечивает заполнение пустот островковой сетки и формирование сплошного слоя, содержащего определенную долю разориентированных зерен, границ двойникования и дислокаций.
При кристаллизации из парогазовой фазы структурный порядок обеспечивается подвижностью адатомов на подложке и в зависимости от ориентирующих свойств подложки вырастают либо монокристаллические эпитаксиальные пленки, либо поликристаллические. Когда подвижность адатомов снижается настолько, что атомы конденсируются непосредственно в точке их попадания на подложку, образуются мелкозернистые поликристаллические или аморфные пленки. Такое происходит либо при низкой температуре, либо при большом числе захватывающих центров на поверхности подложки.
m
m
Наряду с обычным механизмом Вольмера-Вебера с конденсацией пар - кристалл, в определенных случаях имеет место механизм конденсации с промежуточной жидкой фазой. Этот механизм работает при высоких температурах подложки Т>2/3Т, где Т -температура плавления объемного вещества, и связан понижением температуры плавления малых зародышей, возрастанием значения сил поверхностного натяжения и значительной теплотой конденсации.
III. Механизмом, являющимся в определенной степени комбинацией вышеназванных механизмов, но имеющим свое важное значение при получении наноструктур, является механизм Странского-Крастанова (Stranski-Krastanov). В данном механизме эпитаксиальный слой до определенной критической толщины растет послойно, напоминая ростовую моду Франка-ван-дер-Мерве, а при толщинах больше критической рост в основном идет за счет нано-островков правильной формы, образующих также достаточно регулярные структуры.
Перечисленные механизмы эпитаксиального роста используют при получении слоистых (фронтальных) гетероструктур и наноструктур. В комбинации с методами электронно- или ионно-лучевой литографии получают латеральные нанострукутры. В процессе получения определенных наноструктур применяют чередование механизмов роста. Примером последних являются наноструктуры с квантовыми точками, т.е. чередуются механизмы послойного роста и Странского-Крастанова. Однако, и в этом случае наноструктуры с квантовыми точками являются, по сути, слоистыми наноструктурами и для получения латеральных наноструктур этим способом применяются методы литографии.
Ближайший аналог.
Ближайшим аналогом предлагаемого способа является способ, описанный в [21] и «Способ изготовления квантовых структур: квантовых точек, проволок, элементов квантовых приборов» защищенный патентом РФ №RU 2278815 (1997 г.) (http://www.findpatent.ru/patent/227/2278815.html) Авторы изобретения: Принц Александр Викторович (RU), Принц Виктор Яковлевич (RU), Владелец патента RU 2278815: Принц Александр Викторович (RU).
Более ранним аналогом изобретения является указанный в вышеназванном аналоге патент США Petroff P. et al. "Quantum dot fabrication process using strained epitaxial growth", патент США №5614435, 1997). Относительно данного изобретения авторами патента RU 2278815 (1997 г.) указывается, что «Петрофф с соавторами описали метод получения квантовых точек, не требующий использования литографии».
Авторы указывают, что «Наиболее распространенным, совершенным и технологичным являются методы, основанные на самоформировании квантовых точек в процессе гетероэпитаксиального роста пленок с большим несоответствием постоянных решеток. При определенной критической толщине выращиваемой сжатой пленки происходит переход от двумерного роста к трехмерному (процесс Странского-Крастанова).» «Метод включает осаждение на подложку материала, имеющего постоянную атомной решетки, отличающуюся от постоянной решетки подложки. Под воздействием внутренних напряжений, вызванных несоответствием постоянных атомной решетки, происходит самоформирование квантовых точек из осажденного материала. В процессе осаждения ведут наблюдение поверхности по дифракции отраженных высокоэнергетичных электронов, что позволяет прекратить рост, когда нужное количество квантовых точек сформируется. Осаждение может вестись как молекулярной эпитаксией, так и другими методами осаждения, такими как газофазная эпитаксия, металл-органическое химическое осаждение и т.п.». «Недостатки методов в том, что квантовые точки, получаемые данным методом, формируются главным образом независимо друг от друга и поэтому расположены нерегулярно в случайном месте подложки и всегда варьируют в некоторой степени по размеру. Необходимо повышение их однородности, упорядоченности и поверхностной концентрации. Кроме того, энергетический барьер в таких квантовых точках мал, и для проявления размерного квантования необходимы низкие температуры.
Техническим результатом изобретения является создание более эффективной технологии изготовления квантовых объектов; расширение диапазона используемых материалов; улучшение характеристик получаемых элементов - увеличение квантового барьера; возможность одновременно контролировать механические и электрические свойства объектов; возможность точного позиционирования единичных и массивов квантовых точек и элементов квантовых приборов; возможность прецизионно задавать размеры квантовых объектов.
Технический результат достигается тем, что в способе изготовления квантовых объектов (точек, проволок и элементов квантовых приборов), включающем выращивание напряженной пленки из материала, имеющего постоянную кристаллической решетки, большую, чем материал подложки, толщина напряженной пленки меньше критической и пленка выращивается псевдоморфной, а между напряженной пленкой и подложкой выращивается жертвенный слой, который затем селективно удаляется под заданной областью пленки, что освобождает часть пленки от связи с подложкой, и эта часть выпучивается или гофрируется, в результате чего меняется напряжение в пленке, что в свою очередь вызывает сдвиг дна зоны проводимости (вершины валентной зоны), приводящий к формированию локальной потенциальной ямы для носителей.
Напряженная пленка состоит из нескольких слоев разных веществ. Напряженная пленка состоит из слоя с преимущественным нахождением носителей заряда и слоя практически без носителей заряда. В качестве напряженной пленки используется многослойная структура из двух или более напряженных слоев, разделенных жертвенными слоями, и затем осуществляется частичное удаление жертвенных слоев.»
Таким обратом, следует подчеркнуть, что техническим результатом заявляемого изобретения также является создание простой и универсальной технологии изготовления сложных нано-объектов без применения литографии.
3.2.4.3. Сущность изобретения.
A1
B1
C1
A1
А2
B1
B2
C1
C2
An
Bn
Cn
An
Bn
Cn
Сущность изобретения, а вместе с ней и отличие от аналогов, формально состоит d использовании режима послойного роста Франка-ван-дер-Мерве вместо режима островкового роста Странского-Крастанова при аналогичных методах контроля за растущим эпитаксиальным слоем. Однако, коренное отличие заявляемого способа состоит в использовании для получения технического результата факта движения в латеральном направлении границ слоя, растущего в режиме Франка-ван-дер-Мерве послойного роста. Данный момент отмечается в некоторых источниках, но то, что при определенных условиях его можно использовать для выращивания сложных латеральных наноструктур без применения литографии, в данных источниках не указывается. Для раскрытия сущности изобретения обратимся к фигурам 9 и 10. На фигуре 9 условно представлена подложка, содержащая в себе винтовые ростовые дислокации. Известно из уровня техники, что в режиме послойного роста Франка-ван-дер-Мерве (см. также фигуру 4b) зарождение островков роста происходит на дефектах поверхности подложки в виде изгибов ступеней, которые при полностью застроенном поверхностном слое находятся на оси винтовой дислокации (см. фигуры 7, 8). Таким образом, схема эпитаксиального роста монослоя, представленная на фигуре 4b, за счет перехода изгиба ступеней ростовых винтовых дислокаций в следующий слой повторяется в последующих слоях. Очевидно, что в режиме послойного роста эпитаксиальной пленки материала «А» (см. фигуру 10) на идеальной бездефектной подложке мы можем остановить этот рост на некоторой стадии, которую обозначим величиной (фазой роста слоя) θ и продолжить рост этого слоя в том же режиме, несколько изменив параметры процесса, материалом «В» до момента θ. После этого рост продолжим материалом «С» (и т.д.) до момента θ или вновь материалом «А» до полного построения монослоя из названных материалов. Очевидно, что мы получим некоторый «орнамент», определяемый различием скоростей роста (скоростей движения границ монослоя) вдоль различных кристаллографических направлений. Теперь, если данный процесс со сменой материалов повторить при росте второго (и т.д.) слоя в те же моменты (фазы роста монослоя) θ=θ, θ=θ, θ=θ, то также получим некоторый (допустим псевдо-кольцевой) «орнамент» из материалов «А», «В», «С». Здесь следует подчеркнуть, что с точки зрения энергетического выигрыша за счет эпитаксиальных напряжений каждому материалу выгоднее ложится на слой с тем же материалом. Однако, нельзя утверждать, что в процессе роста таких слоев в последующих слоях сохранится орнамент первого слоя, как и точки зарождения каждого мотива орнамента из монослоев материалов «А», «В», «С»… Таким образом, для специалиста не очевидно, что из факта тангенциального движения границ растущих в режиме Франка-ван-дер-Мерве монослоев автоматически следует возможность получения латеральных наноструктур из различных материалов. Но очевидно, что в случае пространственной регулярности (когерентности) точек зарождения монослойных островков, полной поперечной однородности и линейности фронтов потоков материалов «А», «В», «С», возможности быстрой регулировки интенсивности потоков, строгой определенности захвата конденсируемых частиц материалов в месте изгиба ступеней монослоев, варьируя моменты θ, θ, θ можно получить одинаковые (и не только кольцевые) мотивы орнамента во всех монослоях, а также плавно менять их от слоя к слою. Не кольцевые, т.е. не содержащие в себе ось дислокации, мотивы «орнамента» можно получить, обеспечив условия осаждения адатомов исключительно на одном изгибе ступени роста, и, тем самым, жестко определив спиральный рост монослоя вокруг оси винтовой дислокации в поле ее влияния. В этом случае потребуется более сильная синхронизация моментов θ, θ, θ не только на уровне фазы роста монослоя, но и на уровне фазы роста ступени. Учитывая, что диффузия адатомов (частиц) по поверхности подложки и эпитаксиального слоя происходит через потенциальные ямы ростовых позиций (см. фигуры 1, 2), в которых они могут задерживаться и находиться в состоянии колебательных движений, давая возможность развития ветвей нежелательного роста (см. фигуру 8с), для подавления этого роста и ускорения диффузии по данным позициям применяется резонансная накачка на частоте колебаний адатомов (частиц) в этих позициях.
Произведя селективное травление какого-либо, по замыслу геометрии наноструктуры, материала в таком случае было бы возможно получить наноструктуры любой формы. В случае, представленном на фигуре 11, в качестве материала «А» может быть платина, в качестве материала «В» медь или кобальт, в качестве материала «С» оксид магния, оксид алюминия, или, например, материал растворимой в воде подложки - хлорид натрия. После завершения ростовых процессов, удалив определенный материал посредством растворения, получаем сетку элементов устройств плазмоники, памяти или, как в случае представленном на фигуре 11b, элемент молекулярного сита. Препятствием к получению идеальной сетки такого рода наноструктур является разрушение пространственной когерентности (регулярности) как расположения зародышей в монослоях, так и движения границ ступеней, связанных с этими зародышами. В заявляемом изобретении данные проблемы решаются, не считая подбора материалов, следующим образом.
1. Для управления движением границ в растущем монослое применяются следующие меры.
а) Регулируемое наклонное падение частиц потока материалов. В этом случае преимущество в росте получают границы со стороны потока.
б) Варьирование энергии падающих частиц - увеличение энергии приводит к их более высокой эффективной температуре на адсорбирующей поверхности и, соответственно, увеличению длины пробега и увеличению вероятности захвата изгибом растущей ступени, а не оседанию в случайном месте.
в) Увеличение подвижности адсорбированных частиц посредством лазерного облучения на частотах, соответствующих их колебаниям в ловушках на поверхности растущего монослоя, и посредством фоновой бомбардировки ионами легких элементов.
г) Характер движения границ определяется также выбором материала подложек и их кристаллографической ориентации. На подложках с вициальными поверхностями вырастают полосковые структуры, тогда как наличие гексагональной оси перпендикулярной поверхности, да еще в присутствии винтовых ростовых дислокаций подложки облегчает получение трубчатых наноструктур. Следует заметить, что заявляемое изобретение в последнем случае реализуется и в отсутствие пространственной когерентности зародышей в первом монослое.
2. Для обеспечения пространственной когерентности в первом монослое возможно применение следующих мер и эффектов.
а) Известно, что в двухкомпонентных системах с отталкиванием между подвижными частицами и их притяжением к континууму, в котором они находятся, в двумерном случае особенно, эти частицы образуют правильную пространственную решетку [20, 21]. Можно ожидать, что при наличии эффективного отталкивания (например, как силы поверхностного натяжения растаскивают друг от друга одни частицы и собирают в комки другие) между адсорбированными инородными частицами, они образуют решетку, параметры которой не связаны с параметрами кристаллической решетки подложки. Эти частицы могут в дальнейшем стать зародышами островков при эпитаксиальном росте в послойном режиме Франка-ван-дер-Мерве. Таким же свойством взаимного отталкивания обладают дислокации одного знака, что при определенных условиях может к образованию регулярных структур из ростовых дислокаций.
б) Первичная сетка островковых зародышей может быть нанесена на подложку с использованием молекулярной монослойной эпитаксиальной маски. В качестве первичной, легко удаляемой, маски может использоваться монослой молекул фуллерена (или иных крупных молекул), эпитаксиально (или иначе, в зависимости от задачи) выращенный на подложке, (см. пример на фиг. 6) Через треугольные промежутки между сферическими молекулами фуллерена напыляются зародыши используемого при формировании нанострукутры атомарного материала, который, в частности, может химически связываться с материалом подложки. Промежутки имеют проходной диаметр около 0.25 нМ, что сравнимо с постоянной решетки многих переходных металлов, и за собой тетраэдрическую пустоту со стороной около 0.65 нМ. Принимая во внимание, что «металлический» радиус атома, например, молибдена около 0.14 нМ, в данную пустоту могут поместится зародыш, состоящий из 30-35 атомов, который при осаждении в режиме Вольмера-Вебера может выйти за пределы монослоя молекул фуллерена. Монослой молекул фуллерена, в зависимости от подложки может иметь ось симметрии второго, третьего, четвертого или шестого порядка. Под монослой фуллерена может осаждаться облегчающий его эпитаксию буферный слой, например, молибдена, либо буферный слой, дающий другое эпитаксиальное соотношение и постоянную решетки принимающего слоя, как это показано на фигуре 5 с.Затем, молекулы фуллерена вместе с связанными с ними атомами материала удаляются посредством нагрева подложки с зародышами до испарения монослоя молекул фуллерена. Полученная сетка зародышей с постоянной решетки около 1.4 нМ (3.95 нМ для системы, представленной на фигуре 5) используется в качестве основы для получения сети латеральных наноструктур: В режиме послойного роста доращиваются зародыши до требуемого размера, определяемого по интенсивности электронной дифракционной картины, затем в этом же режиме заполняются промежутки между зародышами иным материалом и процесс вновь повторяется с первым материалом.
в) Первичная сетка островковых зародышей формируется осаждением в ростовом режиме Вольмера-Вебера материала «А» на буферный монослой с модулированной постоянной решетки, вследствие рассогласованности постоянных решетки буферного слоя и подложки. Примером модуляции решетки буферного слоя может быть осаждение на NaCl-подложку монослоя KBr (см. [7, 8] и фигуры 1, 2, 5). В этом случае материал «А» соберется в местах с наименьшим эпитаксиальным напряжением и результирующая сетка наноструктур будет иметь период 3.95 нМ. Применение иных пар материалов подложки и буферного слоя, естественно, даст иной период сетки наноструктур. Таким способом, возможно вырастить, например, магнитные нити длиной достаточной, для выхода магнитных элементов из суперпарамагнитного состояния.
г) Сеть зародышей формируется на ступенях дислокаций несоответствия, возникающих вследствие рассогласования постоянных кристаллической решетки подложки и буферного слоя, материалом которого может быть один из материалов, используемых при выращивании латеральных наноструктур заявляемым способом. Чем больше разность постоянных решетки, тем больше плотность дислокаций, на которых закрепляются и формируются наноструктуры. Соответственно, для оценки моментов смены подаваемых материалов и размеров выращиваемых наноструктур должен быть исследован вопрос плотности и характера дислокаций несоответствия, возникающих в данной системе материал-подложка.
15
16
-2
д) Сеть зародышей наноструктур формируется на дислокациях роста самой подложки, которые возникают при выращивании монокристалла подложки, либо целенаправленно формируются в результате ее специальной обработки. В частности, интерес представляют дислокации несоответствия с правыми и левыми винтовыми компонентами. Плотность ростовых дислокаций, согласно стр. 11 в [18], может доходить до 10-10 М, что соответствует эффективному периоду сетки получаемых на них наноструктур 10 нМ и соответствующей плотности записи информации в случае выращивания на них магнитных наноструктур. Для упорядочения получаемых заявляемым способом латеральных нанострукутр могут использоваться подложки с вицинальными поверхностями кристаллографических плоскостей с малыми индексами Миллера.
15
16
17
Ожидаемым техническим результатом изобретения является получение единичных латеральных наноструктур и регулярных сетей таких наноструктур с латеральными размерами в настоящее время недоступными для методов литографии- порядка нескольких нанометров. Как указывалось выше, возможная плотность записи при получении таким способом магнитных наноструктур на дислокациях роста в подложке порядка 10 Bit. В случае формирования элементов магнитной памяти на модулированном буферном слое KBr или под эпитаксиальным слоем фуллерена плотность записи может составить, соответственно, 6⋅10 и 4⋅10 Bit.
С такой же плотностью могут быть выращены острия автоэмитеров, мембраны и молекулярные сита, нано-ускорители заряженных частиц, устройства плазмоники, одноэлектроники, спинтроники, известные полупроводниковые устройства, такие как затворы и транзисторы.
3.2.4.4. Перечень фигур, чертежей и иных материалов.
Фигура 1. Градация потенциальных ям на поверхности подложки для адсорбированных частиц вещества. Барьер Эрлиха-Швёбеля. (barrier).
Фигура 2. Основные типы ростовых мод при эпитаксиальном росте.
Фигура 3 Принципиальная схема установки молекулярно лучевой эпитаксии с контролем поверхности растущего слоя узла по интенсивности дифракции быстрых электронов.
Фигура 4. Характерный график изменения интенсивности дифракционных рефлексов быстрых электронов и фазы роста монослоя.
Фигура 5. Пример латеральной модуляции постоянной решетки буферного слоя при эпитаксии бромида калия на хлориде натрия.
60
Фигура 6. Рост монослоя фуллерена С на подложке из хлорида натрия
Фигура 7. Структура пронизывающих винтовой и краевой дислокаций, образование смешанных дислокаций.
Фигура 8. Примеры тангенциального смещения ступеней при росте монокристаллов на винтовых дислокациях.
Фигура 9. Схема послойного роста монокристалла на подложке с хаотически расположенными пронизывающими винтовыми дислокациями роста.
Фигура 10. Принципиальная схема формирования сложной наноструктуры на винтовой ростовой дислокации.
Фигура 11. Принципиальная схема формирования элемента молекулярного сита на модулированной структуре буферного слоя.
10.7.4.4. Краткое описание чертежей
Фигура 1. Градация потенциальных ям на поверхности подложки для адсорбированных частиц вещества. Барьер Эрлиха-Швёбеля. ( barrier). Адсорбированные атомы или частицы на поверхности кристалла при физической адсорбции удерживаются на поверхности силами Ван-дер Вальса, которые создают на поверхности потенциальный рельеф, глубина которого зависит от числа соседей, с которыми взаимодействует частица. В этой модели адсорбированная частица (позиции А и В) удерживаясь на поверхности, относительно свободно может диффундировать вдоль нее до попадания в потенциальную яму, связанную со ступенью. Находясь в этой яме частица также относительно свободно может перемещаться вдоль ступени (позиции типа С) до попадания в позицию D с более глубокой и более локализованной потенциальной ямой. Кроме того в зависимости от природы вещества выходу адсорбированной частицы с растущего слоя может препятствовать барьер Эрлиха-Швёбеля.
Фигура 2. Основные типы ростовых мод при эпитаксиальном росте. Иллюстрация взята из [7]. В оригинале: «Figure 1: Schematic representation of the three known film growth modes. The spheres can be either atoms or NPs. When NPs approach a substrate, either adsorption, desorption or diffusion occurs. Depending on the free energy contributions one finds Frank-van-der-Merwe (FvdM), Volmer-Weber (VW), or Stranski-Krastanov (SK) growth.» Сферами представлены атомы или наночастицы, которые адсорбируются или десорбируются на поверхности подложки или растущего слоя и которые диффундируют по этим поверхностям, задерживаясь в неглубоких потенциальных ямах. При низком барьере Эрлиха-Швёбеля или достаточно высокой температуре адсорбированные на растущем слое частицы попадают на ступень этого слоя и, опять-таки при достаточной подвижности частиц вдоль ступени мигрируют к ее изгибу и оседают в нем. Аналогично диффундируют к ступени частицы, адсорбированные завершенным монослоем или поверхностью подложки. В случае низкой подвижности адсорбированных частиц вдоль ступени, возникает множество очагов роста ступени. Таким образом реализуется послойная ростовая мода Франка-ван-дер-Мерве, в которой может быть реализоваться преимущественно точечный рост или рост по всей ступени. При достаточно высоком барьере Эрлиха-Швёбеля реализуется послойно-объемная ростовая мода Странского-Крастанова или чисто объемная ростовая мода Вольмера-Вебера
Фигура 3. Принципиальная схема установки молекулярно лучевой эпитаксии с контролем поверхности растущего слоя узла по интенсивности дифракции быстрых электронов. Рисунок, поясняющий принцип молекулярно-лучевой эпитаксии, взят из курса [19] Surface Physics. 9. Growth of Thin Films: Dr. Enrico Gnecco, Assistant NCCR Nanoscale Science of Basel University, https://nanolino.unibas.ch/pdf/surfacephysics/oberflaeche9.pdf
Фигура 4. Характерный график изменения интенсивности дифракционных рефлексов быстрых электронов и фазы роста монослоя. Рисунок используется в различных источниках и здесь взят из [19]. Из рисунка также видно, что факт зарождения многочисленных островков при послойном режиме эпитаксии очевиден и известен.
60
Фигура 5. Пример латеральной модуляции постоянной решетки буферного слоя при эпитаксии бромида калия на хлориде натрия. Из рисунка видно как рассогласование постоянных решеток подложки и растущего слоя приводит к регулярной деформации этого слоя и появлению сверхструктуры слоя с большим периодом 3.95 нМ вместо исходных 0.658 нМ. Рисунок взят из [8] и [19]. Данная структура может служить основой для получения мембран селективно задерживающих молекулы фуллерена С
60
60
Фигура 6. Рост монослоя фуллерена С на подложке из хлорида натрия. Рисунок демонстрирует возможность получения монослоев фуллерена и нетривиальное эпитаксиальное соотношение монослоя С с подложкой. Рисунок взят из [8].
Фигура 7. Структура пронизывающих винтовой и краевой дислокаций, образование смешанных дислокаций. Обозначения: Screw -винтовая дислокация, Edge - краевая дислокация, Mixed - смешанная дислокация, b - вектор Бюргерса. Рисунок взят из [18] с. 7 http://www.inorg.chem.msu.ru/pdf/Defects2.pdf
Фигура 8. Реализация ростовых мод. а) b) - Примеры тангенциального смещения ступеней при росте монокристаллов на винтовых дислокациях. Рисунок взят из [18] с. 25. с) - три режима ростовой моды Франка-ван-дер-Мерве платины на платине, реализуемых при достаточно близких температурах эпитаксии -300 К, 400 К, и 425 К. [18] с. 10-12
Фигура 9. Схема послойного роста монокристалла на подложке с хаотически расположенными пронизывающими винтовыми дислокациями роста. Обозначения: Substrate - подложка. Штриховые вертикальные линии показывают оси винтовых дислокаций подложки. Элипсоиды - обозначают повторяющиеся области (поля) в каждом монослое, выросшем в моде Франка-ван-дер Мерве, за рост которых отвечали соответствующие дислокации.
Фигура 10. Принципиальная схема формирования сложной наноструктуры на отдельно взятой винтовой ростовой дислокации, а) График регистрации интенсивности дифракции быстрых электронов (по типу фигур 3 и 4). На графике показаны участки А, В, С, во время которых в зону роста подавались материалы «А», «В», «С». b) Формирование распределения материалов А, В, С в двух (в каждом) монослое после его полного построения. В качестве материал С взят материал подложки, с) Коаксиальная наноструктура, получившаяся после удаления материала С. В целом образец представляет сеть таких наноструктур, d) легенда, указывающая обозначение материалов.
Фигура 11. Принципиальная схема формирования элемента молекулярного сита на отдельно взятой винтовой ростовой дислокации или на предварительно сформированном зародыше на модулированной структуре буферного слоя (см. фиг. 5 и 6 и основной тест). В процессе роста каждого слоя вокруг зародыша формировалась расширяющаяся центральная зона из материала «В», затем формировалось кольцо из материала «А» и слой достраивался до целостности материалом «С» (в описании это материал подложки). В завершающей стадии материал «С» исключался и выращивается толстый, несущий мембрану, слой материала «А» (в описании - платина)
3.2.4.5. Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения.
Существование устройств, упоминаемых в разделе «Уровень техники», для осуществления эпитаксиального роста пленок на монокристаллических подложках и контроля за этим ростом, подтверждается источниками, перечисленными в списке литературы и, в частности, описанием прототипов изобретения. В этих источниках в качестве учебного материала приводятся сведения о возможности осуществления послойной, по монослоям атомов и частиц вещества, эпитаксиальной ростовой моде Франка-ван-дер-Мерве, наряду с другими ростовыми модами Вольмера-Вебера и Странского-Крастанова. Последняя названная мода используется для получения латеральных наноструктур (полупроводниковые квантовые точки) без применения техники нано-литографии.
В перечисленных источниках содержатся сведения о тангенциальном движении границ островков монослоев при послойном эпитаксиальном росте в режиме Франка-ван-дер-Мерве, на котором основывается заявляемый способ получения латеральных наноструктур. Данный факт о движении границ естественным образом проистекает из смысла данной послойной эпитаксиальной ростовой моды.
Также в перечисленных источниках содержатся сведения о пронизывающих дислокациях, роли винтовых дислокаций в росте объемных монокристаллов, в частности, используемых для приготовления подложек, на которых затем выращиваются эпитаксиальные слои других материалов. В них также содержатся сведения о главной сути механизма ростовой моды Франка-ван-дер-Мерве - расширении ступеней монослоев - спонтанно зародившихся, созданных искусственно или существующих из смысла дефектов кристаллической структуры (винтовые дислокации).
Однако, во всех известных источниках отсутствуют указания на то, что определенные дефекты, на которых происходит образование зародышей нового эпитаксиального растущего слоя, сохраняются в выращенном слое и переходят в новый слой. В этих же источниках отсутствуют сведения о применении послойной ростовой моды Франка-ван-дер-Мерве для получения латеральных наноструктур без применения техники нано-литографии, осуществляя тангенциальное движение границ островков, стартующих от наследуемых из слоя в слой дефектов, путем их последовательного наращивания различными материалами.
Список литературы,
излагающей уровень техники изобретения
(может быть многократно расширен за счет литературы, приводимой в этих источниках)
1. Федоров А.В., Баранов А.В., Маслов В.Г., Орлова А.О., Ушакова Е.В., Леонов М.Ю., Голубев В.Г. Физика наноструктур. Учебное пособие. - СПб: Университет ИТМО, 2014. - 130 с. Рис. 62. Библ. 135.
2. Thomas Schmidt, Thin Film Growth, MPRS Block Course 21.03.2013 Fritz-Haber-Institute of the Max-Planck-Society Department of Chemical Physics
3. Chaouqi Misbah, Olivier Pierre-Louis, Yukio Saito, Crystal surfaces in and out of equilibrium: A modern view, Rev. Mod. Phys., Vol. 82, No. 1, January-March 2010, pp. 981-1040
4. J. Stangl, V. , G. Bauer, Structural properties of self-organized semiconductor nanostructures, Rev. Mod. Phys., Vol. 76, No. 3, July 2004, pp 725-783
5. Frank Schreiber, Structure and growth of self-assembling monolayers, Progress in Surface Science 65 (2000) 151-256
6. ак. Ю.Д. Третьяков, проф. E.A. Гудилин, A.P. Кауль, A.B. Шевельков, Формирование системы инновационного Образования в МГУ им. М.В. Ломоносова, «Новые материалы и химические технологии». Современные функциональные материалы. Лекция 5. Пленки, http://old.fnm.msu.ru/documents/16/1intro.pdf
7. Freund, L. В.; Suresh, S. Thin Film Materials: Stress, Defect Formation and Surface Evolution; Cambridge University Press, 2003.
8. S. Maier, O. Pfeiffer, Th. Glatzel, E. Meyer, T. Filleter, and R. Bennewitz, Asymmetry in the reciprocal epitaxy of NaCl and KBr, Phisical Review В 75,195408 (2007)
60
9. S. A. Burke, J. M. Mativetsky, S. Fostner, and P. , C on alkali halides: Epitaxy and morphology studied by noncontact AFM, Phisical Review В 76, 035419 (2007)
10. E.M. Труханов, A.B. Колесников, А.П. Василенко,A.K. Гутаковский, Влияние типа винтовой составляющей дислокаций несоответствия на образование пронизывающих дислокаций в полупроводниковых гетероструктурах, Физика и техника полупроводников, 2002, 36, №3, 309-316
11. Е.М. Труханов, Свойства дислокаций несоответствия и псевдодислокаций, не типичные для дефектов однородных кристаллов, Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования, 2010, №1, с. 43-51
12. Лошкарев И.Д., Напряженное состояние и дислокационная структура пленок GaAs, GaP и GeSi на кремнии, Дисс. на соискание ученой степени к.ф-м.н., Науч. рук-ль: д.ф-м.н. Труханов Е.М., Новосибирск - 2013, ФГБУН Институт физики полупроводников им. А.В. Ржанова Сибирского отделения РАН
13. С.А. Кукушкин, А.В. Осипов Процессы конденсации тонких пленок, УФН, т. 168, №10, 1998, с. 1083-1116.
14. Ohring M. Material science of thin films Deposition and Structure. Academic Press. USA. (2002). p. 794
15. В.M. Иевлев, Тонкие пленки неорганических материалов: механизм роста и структура, учеб. Пособие, - Воронеж: Издательско-полиграфический центр Воронежского государственного университета, 2008. - 496 с.
16. Смирнов Е.В. Квантовые объекты нанотехнологий: свойства, применения, перспективы. Инженерный журнал: наука и инновации, 2013, вып.6. http.//eigjournial.ru/catalog/nano/hidden/795.html
17. Дефекты кристаллической структуры. 1. Точечные дефекты. http://www.inorg.chem.msu.ru/pdf/Defects1.pdf
18. Дефекты кристаллической структуры. 2. Протяженные дефекты.
http://www.inorg.chem.msu.ru/pdf/Defects2.pdf
19. Dr. Enrico Gneceo, As-nt NCCR Nanoscale Science of Basel University. Surface Physics. 9. Growth of Thin Films. https://nanolino.unibas.ch/pdf/surfacephysics/oberflaeche9.pdf
20. B.T. Долгополов, Квантовое плавление двумерного вигиеровского кристалла. УФН, 187, №7, 785-797 (2017) (+ ссылки об упорядочении систем с отталкиванием)
21. В.Е. Фортов, А.Г. Храпак, С.А. Храпак, В.И. Молотков, О.Ф. Петров, Пылевая плазма, УФН, 174, №5, 495-544 (2004) (+ ссылки об упорядочении систем с отталкиванием)
22. В.А. Кульбачинский, Полупроводниковые квантовые точки, Соросовский образовательный журнал, 7, №4, 98-104 (2001)
23. Принц А.В., Принц В.Я., «Способ изготовления квантовых структур: квантовых точек, проволок, элементов квантовых приборов», патент РФ №RU 2278815, (1997 г.), (http://www.findpatent.ru/patent/227/2278815.html)
24. Барыбин А.А., Томилин В.И., Шаповалов В.И., «Физико-технологические основы макро-, микро- и наноэлектроники», изд. Физматлит, Москва, 2011, 784 стр. , учебное пособие, ISBN: 978-5-9221-1321-2, УДК: 538.9
25. Храпай B.C. лекция «Квантовый транспорт в латеральных полупроводниковых наноструктурах» (http://issp3.issp.ac.ru/kafedra/courses/khrapai/l.pdft