Difusão e Interdiffusion na Síntese do Semicondutor Nanostructures

pelo Professor Federico Rosei

Fulvio Ratto, Istituto di Fisica Applicata “Nello Carrara” e Professor Federico Rosei, Institut Nacional de la Pesquisa Scientifique
Autor Correspondente: rosei@emt.inrs.ca

Os nanostructures do Semicondutor foram estudados extensivamente durante as últimas duas décadas. Sob circunstâncias de processamento apropriadas, a fabricação de junções heterogêneas entre materiais diferentes do semicondutor resulta em nanostructures tridimensionais com dimensões laterais na escala do nanômetro do comprimento 1-100. Um exemplo notável é a caixa de semicondutores do Grupo IV tais como o silicone (Si) e o germânio (Ge).

O depósito do Ge em uma carcaça do Si apenas algumas camadas atômicas grossas induz a organização do auto de um nanostructure high-density com as propriedades físicas e químicas diferentes a seu ambiente vizinho. Por exemplo, um traço peculiar de seu comportamento elétrico é a capacidade para prender quantidades discretas de carga oposta (elétrons e furos de elétron), similarmente à caixa de átomos naturais. Em conseqüência, estes nanostructures são referidos frequentemente como o “quantum pontilha” (QDs) e “átomos artificiais”. Igualmente, as interacções mútuas dentro das arquiteturas funcionais de QDs podem causar os analogues artificiais das moléculas e dos cristais, conduzindo a uma gama de oportunidades novas.

As aplicações potenciais de QDs são enormes. Os campos Tecnologicos onde o uso de QDs pode exercer o impacto o mais alto incluem o diodo luminescente (DIODO EMISSOR DE LUZ) e as tecnologias laser, únicas fontes do fotão, transistor novos, autômatos e computadores celulares do quantum, catalizadores avançados, dispositivos fotovoltaicos, diagnósticos ambientais e biomedicáveis, imagem lactente e terapêutica, biosensing, Etc. Em particular, a revelação dos processos compatíveis com tecnologia do silicone guardaram o potencial para a integração imediata de QDs em processos avançados da fabricação do semicondutor.

A fabricação dos nanostructures do germânio/silicone que usam a aproximação de baixo para cima podia transformar-se uma opção viável para realizar disposições de QDs epitaxially crescido. A experiência prototípica consiste envolve o depósito lento de átomos do germânio em uma carcaça de silicone (por exemplo fractions do por segundo monatomic das camadas), que possa ser realizada por uma variedade de produto químico e métodos físicos já no uso no processamento do semicondutor.

Em altas temperaturas, os átomos do Ge replicate a geometria da estrutura de cristal da carcaça do Si, devido às similaridades entre estes elementos. Porém o parâmetro da estrutura do Ge é aproximadamente 4% maior do que aquele do Si, que causa a acumulação excessiva da tensão na relação heterogênea.

Além de alguma espessura, os mecanismos espontâneos intervêm para realizar o abrandamento parcial desta tensão. Um destes mecanismos é a criação da aspereza, que conduz finalmente à emergência de nanostructures tridimensionais. Outros mecanismos incluem a nucleação de deslocações do desajuste e a mistura de átomos do Ge e do Si, que reduz a má combinação eficaz da estrutura na relação. O geométrico, a tensão e o perfil elementar dentro e em torno dos nanostructures tridimensionais governam características fundamentais dos estes QDs.

Quando o conceito principal na origem da organização do auto de nanostructures do semicondutor for uma instabilidade termodinâmica, sobre anos recentes um paradigma novo estêve propor, que referisse um papel determinante de parâmetros e de barreiras de energia cinéticos contra a difusão atômica. A estabilidade Termodinâmica, que é um dos conceitos os mais ubíquos na física, não explica um número de propriedades físicas e químicas observadas sob circunstâncias experimentais típicas, incluindo por exemplo a tensão e perfis elementares. 2

Para conseguir a estabilidade termodinâmica todo o material dentro e em torno dos nanostructures tridimensionais deve sustentar rearranjos maciços e a grande multidão de configurações competitivas. Contudo isto é obstruído por barreiras de energia contra a difusão e trocas atômicas. Sob circunstâncias experimentais típicas, há um grande desequilíbrio entre a probabilidade da difusão de superfície e da difusão do volume.2

Na prática, a difusão de superfície prova extremamente rápido e é governada essencialmente pelo movimento Brownian (movimento aleatório) e somente dirigida parcialmente pela paisagem termodinâmica da superfície.

Ao contrário a difusão maioria é insignificante, isto é os átomos abaixo da camada atômica o mais elevado são congelados assim que coberto por átomos novos. Além Disso quando a temperatura é extinguida logo após o depósito, a configuração total da amostra que compreende estatísticas por exemplo do tamanho e da forma, tensão e separações elementares do perfil e as mútuas do QDs não pode submeter-se à evolução significativa, que dá a importância a mais alta aos processos dinâmicos realizados durante o crescimento.

Uma característica importante que seja definida cedo no processo do depósito é as posições mútuas dos nanostructures tridimensionais resultantes. A probabilidade da nucleação de um nanostructure individual aumenta com a concentração local de átomos disponíveis, cuja difusão e a aglomeração pode gerar núcleos estáveis.

Esta probabilidade deixa cair de repente assim que um núcleo parecer e começar ampliar pela captação dos átomos próximos conduzidos essencialmente pelo movimento Brownian.3 Isto explica porque os núcleos tendem a manter uma determinada distância separada, que correlacione com o comprimento de difusão de superfície atômico.4 A difusão De Superfície igualmente negocia o crescimento, o tamanho e a forma do nanostructure pela captação de átomos móveis.3

Sob a suposição a mais simples do movimento Brownian, este é um processo competitivo intuitivo entre nanostructures de coexistência, por meio de que o mais próximo sua proximidade mútua o menor seu tamanho relativo.4 A correlação entre o tamanho e a forma é um conceito contínuo.1 Finalmente, a difusão de superfície determina o perfil elementar dentro dos nanostructures, cujas as características principais podem ser explicadas em termos do movimento Brownian mais uma vez, a mobilidade diferente do germânio e do silicone e sua dependência na temperatura.2

Em temperaturas moderados por exemplo (diga aproximadamente 500 Celsius) a mobilidade do germânio é muito mais alta do que aquela do silicone, que faz com que os átomos do Si acumulem em bordas e em perímetros do nanostructure, 5,6 visto que a estabilidade termodinâmica exigiria o oposto, isto é núcleos ricos do Si e de ricos do Ge periferias.

Quando demasiadamente simplificada, a imagem descrita acima é um começo razoável para compreender propriedades individuais e colectivas de nanostructures do semicondutor como observada em dados experimentais. Uma variedade de componentes termodinâmicas adicionais, incluindo por exemplo interacções da tensão entre nanostructures e carcaça, entre nanostructures de coexistência e dentro dos nanostructures individuais, podem induzir perturbação eficazes na definição de locais preferenciais da nucleação, na transferência da massa e da modulação do tamanho e da forma (veja por exemplo Ostwald amadurecer que promove o crescimento de grande sobre nanostructures pequenos), e na troca de átomos do germânio e do silicone.

A dinâmica diffusive e os componentes termodinâmicas adicionais podem tornar-se modulados pela integração das intervenções invertidos apropriadas, que podem ser projectadas e executado de acordo com o comportamento espontâneo descrito acima, que não pode ser suprimido. Esta é uma aproximação híbrida para conseguir nanostructures do semicondutor com controle aumentado sobre seus posição, tamanho, forma e composição elementar.

Neste contexto a noção “das sugestões de superfície” é um conceito poderoso, 7 por meio de que uma alteração preliminar da carcaça altera a paisagem cinética e termodinâmica na superfície, na adsorção e na difusão assim de guiamento dos átomos e das moléculas. Os Exemplos “das sugestões de superfície” podem ser disposições de etapas, 8 de deslocações e de heterogeneidade do produto químico introduzidas na carcaça de silicone antes do depósito do germânio.

Em conclusão, sobre anos recentes houve um progresso significativo na compreensão fundamental e a fabricação de QDs baseou em nanostructures do semicondutor. Quando houver ainda muitos assuntos críticos adiante, o potencial para a inovação radical atrás destes conceitos fornece a motivação forte para as investigações futuras de nanostructures do semicondutor.


Referências

1. F. Rosei, J. Phys.: Cond. Matt. 16, S1373 (2004).
2. F. Ratto, G. Costantini, A. Rastelli, O.G. Schmidt, K. Kern, F. Rosei, J. Exp. Nanosci. 1, 279 (2006).
3. M. Fanfoni, M. Tomellini, J. Phys.: Cond. Matt. 17, 571 (2005).
4. F. Ratto, A. Locatelli, S. Fontana, S. Kharrazi, S. Ashtaputre, S.K. Kulkarni, S. Heun, F. Rosei, Phys. Rev. Lett. 96, 096103 (2006).
5. G. Katsaros, G. Costantini, M. Stoffel, R. Esteban, A M. Bittner, A. Rastelli, U. Denker, O.G. Schmidt, K. Kern, Phys. Rev. B 72, 195320 (2005).
6. F. Ratto, A. Locatelli, S. Fontana, S. Kharrazi, S. Ashtaputre, S.K. Kulkarni, S. Heun, F. Rosei, 2 Pequenos, 401 (2006).
7. F. Cicoira, F. Rosei, Ressaca. Sci. 600, 1 (2006).
8. A. Sgarlata, P.D. Szkutnik, A. Balzarotti, N. Motta, F. Rosei, Appl. Phys. Lett. 83, 4002 (2003).

Copyright AZoNano.com, Professor Federico Rosei (Université du Québec)

Date Added: May 10, 2010 | Updated: Jun 11, 2013

Last Update: 14. June 2013 01:48

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