Фазовые превращения в механике деформируемого твердого тела с приложениями к механике разрушения, образованию наноструктур и росту тонких полупроводниковых пленок

Фундаментальные проблемы теоретической и прикладной механики Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского, 2011, № 4 (5), с. 2287-2289

2287

УДК 539.3 539.8

ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ В МЕХАНИКЕ ДЕФОРМИРУЕМОГО ТВЕРДОГО ТЕЛА С ПРИЛОЖЕНИЯМИ К МЕХАНИКЕ РАЗРУШЕНИЯ, ОБРАЗОВАНИЮ НАНОСТРУКТУР И РОСТУ ТОНКИХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПЛЕНОК

© 2011 г. С.А. Кукушкин, А.В. Осипов

Институт проблем машиноведения РАН, Санкт-Петербург

kukushkin_s@yahoo.com

Поступила в редакцию 24.08.2011

Изложены современное состояние проблемы и оригинальные исследования в области термодинамики и кинетики фазовых переходов первого рода в многокомпонентных системах применительно к задачам механики деформируемого твердого тела. Рассказывается о микроскопической кинетической теории начальных стадий разрушения хрупких твердых тел. Излагаются результаты новейших теоретических и экспериментальных исследований по выращиванию низкодефектных монокристаллических пленок на подложках при большом рассогласовании параметров решеток пленки и подложки. Рассказывается о возможных путях «обхода» больших механических напряжений, возникающих при росте таких пленок и создании нового метода выращивания низкодефектных структур.

Ключевые слова: разрушение, нанопрочность.

1. Фазовые превращения в механике деформируемого твердого тела

Изложено современное состояние проблемы и приведены оригинальные исследования авторов в области термодинамики и кинетики фазовых переходов первого рода в многокомпонентных системах [1-4]. Рассказывается о природе фазовых превращений. Излагается новый, оригинальный подход, разработанный для описания фазовых переходов первого рода в многомпонентных и многофазных системах, позволяющий с единых позиций описать все стадии фазовых превращений в различных системах. Суть подхода заключается в следующем. Для описания кинетики фазового превращения выводиться общая система уравнений, состоящая из кинетического уравнения функции распределения зародышей новой фазы по размерам, уравнения баланса движущих сил фазового превращения и уравнения роста зародышей новой фазы. Например, если зародыши новой фазы растут из однокомпонентных расплавов, то уравнением баланса движущих сил является закон сохранения тепла в расплаве. В случае роста новой фазы из раствора будет два уравнения баланса, а именно уравнение баланса тепла и закон сохранения вещества [4, 5]. При фазовых превращениях в сегнетоэлектрических кристаллах этим уравнением будет уравнение дипольного момента в кристалле [5]. При исследовании

механического разрушения уравнением баланса будет закон равновесия упругих напряжений в системе и т.п. [6]. Эта система уравнений исследуется с помощью специально разработанных или модифицированных авторами следующих методов и подходов: кинетической теории фазовых переходов первого рода, теории возмущений. Излагается новый метод описания процесса зарождения, основанный на использовании теории возмущений. Рассматриваются изотермическое и неизотермическое оствальдовское созревание ансамблей многокомпонентных островков новой фазы [1]. Затрагивается целый комплекс вопросов, таких как распределение островков по размерам, их миграция как целого, морфологическая устойчивость и др. Приводится методика расчета областей сосуществования фаз в многокомпонентных системах. Обсуждаются вопросы описания ранних стадий разрушения твердых тел под нагрузкой и изложена микроскопическая теория фазового перехода первого рода в сегнетоэлект-риках — сегнетоэластиках, находящихся под совместным воздействием электрических и механических полей. Рассмотрены вопросы описания ранних стадий разрушения твердых тел под нагрузкой [5, 6].

Особое внимание уделено проблемам фазовых переходов при росте и образовании новых композитных материалов, наноструктур, росте тонких пленок.

2. Наносборка низкодефектных

монокристаллических слоев карбида кремния на кремниевых пластинах — новый метод твердофазной эпитаксии: модель и эксперимент

Изложены результаты новейших исследований в области роста и выращивания низкодефектных, механически ненапряженных нанопленок различных материалов на подложках при большом рассогласовании решеток пленки и подложки (~15—25%) [7].

Исследования проводятся на примере роста пленок карбида кремния на кремнии, имеющих важнейшее прикладное значение для современной микро- и оптоэлектроники. Предложен теоретически и реализован экспериментально принципиально новый, отличающийся от всех существующих методик, метод выращивания низкодефектных, механически ненапряженных монокри-сталлических нанопленок карбида кремния на кремнии. Суть разработанного метода заключается в создании в приповерхностных слоях подложки специальных механических объектов, снимающих высокие упругие напряжения, вызванные разницей в параметрах решеток. Такими объектами являются два центра дилатации, а именно, центр расширяющий решетку подложки и центр ее сжимающий. Применительно к росту карбида кремния на кремнии таким центрами дилатации являются атомы углерода и кремневая вакансия. Эти центры дилатации образуются в кремнии в результате протекания химической реакции 2Б1 + + СО = БЮ + БЮ. Рассчитаны механические поля, возникающие при зарождении центров дилатации в кристаллах кремния. Доказано, что атомы углерода и вакансии в кристаллической матрице могут как притягиваться друг другу, так и отталкиваться друг от друга. Притягивающийся атом углерода и вакансия образуют единый объект — дилатационный диполь. Получена зависимость величины энергии притяжения от кристаллографической ориентации оси диполя. Вычислены упругие поля, создаваемые дилатационными диполем. В процессе роста концентрация диполей возрастает. По достижению ими критической концентрации диполи превращаются в молекулы БЮ. сливающиеся в сплошную пленку и поры. Найдены условия, при которых реализуется бездефектный рост пленок БЮ на Б1. Построены кинетическая и термодинамическая теории данного механизма роста. Предложена модель релаксации упругих напряжений в пленке за счет вакансий и

пор в подложке. Впервые на практике осуществлена наносборка пленок карбида кремния на кремниевой подложке посредством синтеза дилатаци-онных диполей, что позволило получить высоко -совершенные слои карбида кремния на кремниевой подложке [7]. Впервые на подложках кремния выращены монокристаллические нанопленки карбида кремния гексагональных 4H-SiC и 6H-SiC политипов [7]. Проведены рентгеноструктурные, электронографические, эллипсометрические и люминесцентные исследования, доказывающие высокое совершенство получаемых пленок. На полученных пленках карбида кремния были выращены низкодефектные слои таких полупроводников, как GaN, AlN и ZnO [8]. Впервые в мировой практике на выращенных образцах нанокарбида кремния на кремнии созданы макеты работающих (светящихся) светодиодов.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (гранты №09-03-00596, 09-01-92653-ИНД), программ РАН «Основы фундаментальных исследований нанотехнологий и наноматериалов» и программы президиума РАН «Поддержка инноваций и разработок».

Список литературы

1. Кукушкин С.А., Слезов В.В. Дисперсные системы на поверхности твердых тел: механизмы образования тонких пленок (эволюционный подход). СПб: Наука, 1996. 304 с.

2. Кукушкин С.А., Осипов А.В. Термодинамика и кинетика фазовых переходов первого рода на поверхности твердых тел // Химическая физика. 1996. Т. 15, №9. С. 5-104.

3. Kukushkin S.A., Osipov A.V. New phase formation on solid surfaces and thin film condensation // Progress in Surface Science. 1996. V. 151, №1. P. 1-107.

4. Кукушкин С. А., Осипов А. В. Процессы конденсации тонких пленок // Успехи физических наук. 1998. Т. 168, №10. С. 1083-1116.

5. Кукушкин С.А., Осипов А.В. Фазовые переходы и зарождение каталитических наноструктур под действием химических, физических и механических факторов // Кинетика и катализ. 2008. Т. 49, №1. С. 85-98.

6. Кукушкин С.А. Начальные стадии хрупкого разрушения твердых тел. // Успехи механики. 2003. №2. С. 21-43.

7. Кукушкин С.А., Осипов А.В. Новый метод твердофазной эпитаксии карбида кремния на кремнии: модель и эксперимент // ФТТ. 2008. Т. 50, вып. 7. С. 1188-1195.

8. Бессолов В.Н. и др. Нитрид алюминия на кремнии: роль промежуточного SiC слоя и технологии хло-ридной газофазной эпитаксии // Письма в ЖТФ. 2010. Т. 36, вып. 11. С. 17-23.

PHASE TRANSFORMATIONS IN MECHANICS OF DEFORMABLE SOLIDS WITH APPLICATIONS TO MECHANICS, NANOSTRUCTURE FORMATION, AND THIN SEMICONDUCTOR FILM GROWTH

S.A. Kukushkin, A V Osipov

The paper describes the current state of the problem and the original studies in the field of thermodynamics and kinetics of first-order phase transitions in multicomponent systems with reference to the problems of mechanics of deformable solids. The microscopic kinetic theory of initial stages of failure of fragile solids is presented. Results of the latest theoretical and experimental studies on the growth of low-defect single-crystal films on substrates are given for the case of big mismatch parameter of the film and a substrate. Possible ways of avoiding high elastic stresses arising when growing such films are described, and the development of a new method of growing low-defective structures is presented.

Keywords: failure, nano-durability.