Поверхность “It is sometimes said that God made the bulk and Devil made the

Devil made the surface.”
Wolfgang Pauli
Поверхность – первый и неизбежный

«дефект» любого
кристалла, доступного для эксперимента. Неизбежность данного
дефекта делает неизбежной задачу его исследования, а, точнее,
три класса задач:

Наиболее типичной средой, в которой прибывают кристаллы, является воздух
(N, O, пары H2O), кристалл вступает в химическое взаимодействие. Поэтому
большой раздел науки о поверхности связан с исследованием проблемы
коррозии и изысканием способов пассивации поверхности.

Пассивация  — переход поверхности т.т. в неактивное, пассивное состояние, связанное с образованием тонких поверхностных слоёв соединений, препятствующих коррозии.

2. Очень многие химические реакции протекают на поверхности кристалла легче
и селективнее, чем в иных условиях. Поэтому еще один большой раздел науки
о поверхности – гетерогенный катализ.

молекул или
более крупных частиц на своей поверхности.

Поэтому один из самых
интересных и крупных разделов науки о поверхности – это изучение
элементарных механизмов роста кристаллов. По этой же причине, любой атом в
объёме кристалла, в своё время был на поверхности, и, можно сказать, объём
просто пронизан памятью о поверхности.

после обработки
в HCl-iPA и последующего
прогрева в СВВ
420 °С
480

°С

550 °С

600 °С

T  100°

Можно ли осуществить
низкотемпературную реконструкцию
поверхности изменяя её стехиометрию?

O.E. Tereshchenko S.I. Chikichev,
A.S. Terekhov, JVST A17 (1999) 2655

nm
Tann.=375°C
Tann.=20°
(4x2)/c(8x2)
55x55 nm
Tann.=410°C
First order phase transition
O.E. Tereshchenko, et al.
Appl. Phys. Lett.

82 (2003) 4280

объем жидкости или твердого тела и образует раствор или гель.

Термин сорбция объединяет оба понятия. Вещество, на поверхности которого происходит адсорбция, называется адсорбентом, а поглощаемое — адсорбатом. В зависимости от характера взаимодействия между молекулой адсорбата и адсорбентом адсорбцию принято подразделять на физическую адсорбцию (слабые взаимодействие) и хемосорбцию (сильные взаимодействия). Чёткой границы между физической адсорбцией и хемосорбцией не существует; в качестве граничного значения принята энергия связи между адсорбатом и адсорбентом, равная 0,5 эВ на атом или молекулу. Процесс, обратный адсорбции, называется десорбцией. Если скорости адсорбции и десорбции равны, то говорят об установлении адсорбционного равновесия. В состоянии равновесия количество адсорбированных молекул остаётся постоянным сколь угодно долго, если неизменны внешние условия (давление, температура и состав системы).

Введение в физику поверхности: Пер. с англ. / Оура Кендзиро, Лифшиц В.Г., Саранин А.А., Зотов А.В., Катаяма М. - М. Наука, 2006. - 490 с.

with constant sticking coefficient.
The sticking coefficients for As- и Ga-rich

surfaces of GaAs coincide to within 5%.

The difference in Cs adsorption on As- and Ga-rich surfaces is due to the difference in the interaction mechanism of Cs with arsenic and gallium surface atoms!

Cs /GaAs(001)

I /GaAs(001)

Cs

I

+

-

+

-

Work function variation of GaAs(001) under Cs and I deposition

non-intermixing;
selective interaction

Phys. Rev. B (2009)

equation with Hamiltonian that is dependent on energy and contains

additional repulsive, nonlocal potential.

The usage of plane-wave formalism
leads to equation

We used VASP code, which realized the pseudopotential approach

на поверхности другого (подложки)
Общая характеристика методов эпитаксии
4 вида (по

типу материнской фазы):

Газофазная (CVD- chemical vapor deposition)
1872 г. John Haworth

2. Жидкофазная ( LPE – liquid phase epitaxy)
1963 Henri Nelson
Leo Esaki – изобрёл туннельный диод (Нобель. Л.)

3. Молекулярно – лучевая (пучковая) эпитаксия.
В конце 1960-х годов Дж. Р. Артуром (J. R. Arthur) и
Альфредом Чо (Alfred Y. Cho).

4. Твердофазная эпитаксия

Ga(CH3)3+AsH3GaAs(тв)+3CH4

рост?
При каких условиях эпитаксия невозможна?
2. Для

пары произвольно выбранных материалов, каковы условия, при
которых эпитаксия термодинамически устойчива. Какова равновесная фазовая
диаграмма в зависимости от таких параметров, как толщина, решёточное
несоответствие, состав (стехиометрия)

3. Какие структуры, отличающиеся от объёмной (равновесной), возникают
на начальной стадии эпитаксиального роста. Достаточно ли интуитивных
аргументов для предсказания поверхностных структур. Каков наилучший
способ описания идентификации и предсказания факторов,
контролирующих рост (например, поверхностная энергия границы раздела).

4. Каким образом ступени на поверхности влияют на рост и структуру
эпитаксиального слоя? Можно ли ими контролировать, с тем чтобы управлять
структурой и морфологией, возникающей в ходе эпитаксии. Может ли рост или
устойчивость желаемой структуры управляться с помощью исскуственных
ограничений типа: конечного латерального размера подложки или спецрельефа
как при графоэпитаксия.

специальной обработкой? Каков наилучший способ описания релаксации
метастабильных фаз?

Можно ли контролировать деградацию нужной фазы?

6. Как реалистично описывать кинетические процессы происходящие при росте?
(Если мы знаем исходную структуру подложки и все атомные детали (обычно),
можем ли мы предсказать морфологию и структуру, получающегося эпислоя?

7. Можно ли путём соответствующих обработок поверхности и выбором
ростовых условий заставить плёнку расти послойно с гладкими, резкими
границами путём создания энергетических барьеров, предотвращающих
развитие рельефа и трёхмерный рост.

8. Каковы энергетические, энтропийные и электронные свойства дефектов
гетерограниц и гетероструктур, возникающих при гетероэпитаксии?

растущая пленка, 3 –
заслонки, 4 – эффузионные ячейки основных

компонентов, 5 – эффузионные ячейки легирующих примесей; I – зона генерации молекулярных пучков, II – зона смешивания пучков, III – зона кристаллизации на подложке (зона роста)

NH3 – gas source
Substrate:

(0001)Al2O3
back side is coated by Mo or Cr


Variation ranges of growth parameters:
Growth rate 0.1-1.0 ML/s
Substrate temperature 20 - 1100o C
Ammonia flux 5x10-7 – 5x10-4 Torr

Thin films growth modes

Vollmer - Weber
growth mode

Атомы пленки сильнее связаны 
между собой, чем с подложкой.
Островки зарождаются и растут
прямо на поверхности подложки.

Атомы пленки сильнее связаны
с подложкой, чем друг с другом.
Двумерный рост.

Frank - van der Merve
growth mode

Промежуточный случай между
послойным и островковым
ростом.

Stranski-Krastanov
growth mode

зоны смешивания на поверхности, 2 – миграция адсорбированных ато-
мов по

поверхности, 3 – встраивание адсорбированных атомов в крис-
таллическую решетку, 4 – термическая десорбция, 5 – образование по-
верхностных зародышей, 6 – взаимная диффузия. Над растущей поверх-
ностью показаны атомы газовой смеси компонентов в приповерхностной
области. Буквами n-n и i-i показаны нормальная
и инвертированная поверхности раздела растущей гетероструктуры.