Исследование самоорганизации в структуре поверхности аморфного гидрогенизированного кремния модифицированным методом флуктуационного анализа тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.10, кандидат наук Рыбина, Наталья Владимировна

• Рыбина, Наталья Владимировна
• кандидат наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат наук Рыбина, Наталья Владимировна

Оглавление

Список сокращений

Введение

Глава 1 Неупорядоченные полупроводники как перспективные материалы для создания самоорганизующихся систем

1.1 Проблемы современных технологий получения неупорядоченных полупроводников

1.2 Анализ методов исследования структуры неупорядоченных полупроводников

1.3 Анализ методов обработки изображений поверхности материалов, позволяющих изучать процессы структурообразования

1.4 Рассмотрение процессов структурообразования неупорядоченных

полупроводников с позиций теории самоорганизации

Выводы

Глава 2 Разработка модифицированного метода флуктуационного анализа для диагностики корреляционных свойств структуры поверхности материалов

2.1 Метод расчета СВИ как один из методов исследования структурной сложности профиля поверхности материалов

2.2 Описание метода DFA и интерпретация его результатов на основе исследования модельных поверхностей различной степени упорядоченности

2.2.1 Особенности реализации метода DFA

2.2.2 Некоторые возможности метода DFA

2.2.3 Двухмерная реализации метода DFA (2D DFA) для исследования корреляционных свойств структуры поверхности

2.2.4 Апробация метода 2D DFA на модельных поверхностях с целью интерпретации полученных графиков для определения степени упорядоченности структуры

2.2.5 Исследование модельной поверхности, построенной по принципу сходства с поверхностью неупорядоченного

полупроводника, методами 2D DFA и расчета СВИ

Выводы

Глава 3 Исследование шероховатости поверхности образцов неупорядоченных полупроводников зондовыми методами и анализ ее изменения в зависимости от параметров технологических режимов получения образцов

3.1 Обоснование выбора образцов и описание технологических режимов их получения

3.2 Исследование морфологии поверхности образцов a-Si:H, полученных методом TP, методами АСМ и РЭМ

3.3 Исследование шероховатости поверхности зондовыми методами и фазового состава методом рамановской спектроскопии образцов a-Si:H, полученных методом PLD

3.3.1 Исследование морфологии поверхности образцов a-Si:H, полученных методом PLD, методами АСМ и РЭМ

3.3.2 Исследование образцов a-Si:H, полученных методом PLD, методом рамановской спектроскопии

3.4 Исследование морфологии поверхности образцов ta-C, полученных

методом PLD, методами АСМ и РЭМ

Выводы

Глава 4 Диагностика корреляционных свойств структуры поверхности

экспериментальных образцов методами 2D DFA и расчета СВИ

4.1 Диагностика корреляционных свойств структуры поверхности образцов a-Si:H, полученных методом TP

4.1.1 Результаты обработки изображений поверхности образцов методом 2D DFA

4.1.2 Результаты расчета СВИ для поверхности образцов

4.1.3 Анализ процессов самоорганизации структуры поверхности образцов в зависимости от параметров технологических режимов их получения

4.2 Диагностика корреляционных свойств структуры поверхности образцов a-Si:H, полученных методом PLD

4.2.1 Результаты обработки изображений поверхности образцов методом 2D DFA

4.2.2 Результаты расчета СВИ для поверхности образцов

4.2.3 Анализ процессов самоорганизации структуры поверхности образцов в зависимости от параметров технологических режимов их получения

4.3 Диагностика корреляционных свойств структуры поверхности образцов ta-C, полученных методом PLD

4.4 Перспективы развития технологии неупорядоченных материалов для получения заданных свойств

4.4.1 Стадийность структурообразования твердых тел

4.4.2 Возможные пути воздействия на формирование структуры неупорядоченных полупроводников во время роста

4.4.3 Модель роста a-Si:H при осаждении из газовой фазы

Выводы

Заключение

Список литературы

Список сокращений

2D DFA - двумерный флуктуационный анализ с исключенным трендом (2D detrended fluctuation analysis)

a-Si:H - аморфный гидрогенизированный кремний CVD - химическое парофазное осаждение (chemical vapor deposition) DFA - флуктуационный анализ с исключенным трендом (detrended fluctuation analysis)

HHCF - парная корреляционная функция (height-height correlation function)

PLD - импульсное лазерное напыление (pulsed laser deposition)

ta-C - тетраэдрический аморфный углерод

АКФ - автокорреляционная функция

АСМ - атомно-силовая микроскопия

ДТА - дифференциально-термический анализ

ИК - инфракрасное

КР - комбинационное рассеяние

НЧ - низкочастотная

ПС - промежуточный слой

ПЭМ - просвечивающая электронная микроскопия РЭМ - растровая электронная микроскопия СВИ - средняя взаимная информация СЗМ - сканирующая зондовая микроскопия TP - тлеющий разряд

ФРРА - функция радиального распределения атомов ХСП - халькогенидные стеклообразные полупроводники

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование самоорганизации в структуре поверхности аморфного гидрогенизированного кремния модифицированным методом флуктуационного анализа»

Введение

В настоящее время для производства большого количества приборов микро- и наноэлектроники используется кристаллический кремний. Но несмотря на наличие ряда преимуществ и хорошо отработанной технологии производства, возможности использования его в качестве элементной базы будущих технологий ограничены. К недостаткам кристаллического кремния относятся отсутствие возможности производства на его основе элементов с размерами активных областей меньше 10 нм вследствие эффекта туннелирования, в области солнечной энергетики - высокая стоимость готовых модулей, невозможность создания больших по площадям элементов.

Поэтому широкое применение в электронике получил аморфный гидрогенизированный кремний (а-8кН), лишенный указанных недостатков. Перспективы использования неупорядоченных полупроводников [1-2] в целом и а-8кН в частности при производстве электронных и фотоэлектрических устройств обусловливаются наличием у них ряда уникальных свойств, возможностью низкотемпературных процессов осаждения при получении, а также относительно небольшой стоимостью готовых приборов. Поскольку неупорядоченные материалы представляют собой диссипативные структуры, формирующиеся в неравновесных условиях с нарушением симметрии, в термодинамически открытой нелинейной системе [3-8], то в будущем на их основе можно создавать самоорганизующиеся гетерогенные системы, обладающими широкими функциональными возможностями.

В этой связи исследование неупорядоченных материалов представляет

значительный интерес. Одной их актуальных научных задач является

выявление корреляционных зависимостей между структурой материала и

параметрами технологических режимов. Это связано с тем, что в технологии

производства неупорядоченных полупроводников остается ряд нерешенных

проблем, а именно - невоспроизводимость свойств и деградация

структурных параметров со временем. В частности, у солнечных элементов

6

на основе а-БкН при длительном действии света уменьшается проводимость (эффект Стеблера-Вронского [1, 9]), что связано с метастабильностью структуры неупорядоченных полупроводников.

Зачастую заданные характеристики материалов получаются при длительном подборе параметров технологических режимов. Однако это происходит отнюдь не из-за неквалифицированности технологов. Причина данной проблемы - в отсутствии определенных знаний о механизмах структурообразования в процессе роста материалов. Поэтому для ее решения требуется использование методов исследования структуры материала, методов выявления корреляций между структурой и условиями получения материала.

В настоящее время существует достаточно много методов исследования структуры материалов, среди которых можно отметить дифракционные методы, рентгеноспектральный анализ, методы колебательной спектроскопии, просвечивающую электронную микроскопию. Исследовать поверхностные особенности структуры можно зондовыми методами: сканирующей зондовой микроскопией и растровой электронной микроскопией. В дополнение определенную информацию также могут дать и косвенные методы, например дифференциально-термический анализ, исследование теплоемкости, теплопроводности и т.д.

Однако указанные методы наиболее эффективны для исследования материалов, полученных в равновесных условиях. Они позволяют хорошо оценивать структурные особенности на уровнях ближнего и дальнего порядка, но являются неинформативными на уровне среднего порядка [10-11], характерного для неупорядоченных систем.

Синтез неупорядоченных полупроводников происходит при неравновесных условиях, поэтому здесь требуется использование других, принципиально новых подходов.

Одним из перспективных подходов представляется рассмотрение

процессов структурообразования неупорядоченных полупроводников как

7

самоорганизующихся. Правомерность применения данного подхода обусловливается наличием сильнонеравновесных условий формирования структуры, с нарушением симметрии, в термодинамически открытой нелинейной системе [3-8].

Поскольку поверхность материалов несет в себе информацию о структуре в объеме, если поверхность сформирована в процессе роста, то одним из информативных методов контроля свойств является анализ структурной сложности профиля поверхности материалов [12]. При этом необходимо учитывать, что во время роста материала на формируемый рельеф оказывает влияние подложка, на которую материал осаждается.

Поиск корреляций в структуре поверхности ранее осуществлялся путем обработки результатов исследования поверхности такими методами, как Фурье-анализ, вейвлет-преобразование и др. Однако данные методы являются информативными только для линейных систем.

Наиболее результативной в этой области оказалась методика исследования порядка в структуре поверхности материалов [13], построенная на основе теории информации и методе вложения Ф. Такенса [14]. Суть данной методики заключается в расчете средней взаимной информации (СВИ) по ненаправленному вектору, в результате чего получается распределение СВИ. Векторы, характеризующие расположение пиков на распределении СВИ, соответствуют наличию корреляций в структуре поверхности. Но определить тип корреляций на различных пространственных масштабах данная методика не позволяет. Поэтому в диссертационной работе предложено использовать метод двумерного флуктуационного анализа с исключенным трендом (detrended fluctuation analysis, далее - 2D DFA) для выявления корреляций в структурах, синтезированных в неравновесных условиях, на уровнях ближнего, среднего и дальнего порядка.

Цель диссертационной работы - исследование самоорганизации в

структуре поверхности тонких пленок аморфного гидрогенизированного

8

кремния в зависимости от параметров технологических режимов их получения модифицированным методом флуктуационного анализа.

Основные задачи:

1. Анализ методов исследования структуры неупорядоченных полупроводников и методов обработки изображений поверхности материалов, позволяющих изучать процессы структурообразования.

2. Разработка методики исследования самоорганизации в структуре поверхности неупорядоченных материалов.

3. Создание модельных поверхностей с различной степенью упорядоченности и их обработка с помощью модифицированного метода 2D DFA для разработки шкалы значений скейлингового показателя.

4. Исследование шероховатости поверхности образцов a-Si:H зондовыми методами и анализ ее изменения в зависимости от параметров технологических режимов получения образцов.

5. Исследование корреляционных свойств структуры поверхности образцов a-Si:H с помощью модифицированного метода 2D DFA в зависимости от параметров технологии их получения.

6. Сравнительный анализ результатов, полученных методом 2D DFA, с результатами расчета СВИ.

Основными объектами исследований являлись тонкопленочные полупроводниковые структуры на основе аморфного гидрогенизированного кремния, полученные методами тлеющего разряда (TP) и импульсного лазерного напыления (в англоязычной литературе pulsed laser deposition -PLD), и тетраэдрического аморфного углерода (ta-C), полученные методом PLD.

Научная новизна представленных в работе результатов заключается в следующем:

1. Впервые предложена методика определения степени

упорядоченности структуры материалов, полученных в

неравновесных условиях в результате процессов самоорганизации, заключающаяся в нахождении функции корреляций по величине скейлингового показателя и корреляционных векторов по перегибам на зависимости флуктуационной функции от масштаба.

2. Разработана шкала скейлингового показателя для диагностики корреляционных свойств структуры поверхности материалов по результатам исследования модельных поверхностей с различной степенью упорядоченности методом 2Т> ОБА.

3. Выявлены тип корреляций, длины корреляционных векторов на различных масштабах, степень упорядоченности структуры поверхности образцов а-ЭкН, выращенных методами ТР и РЬЭ, при совместном использовании модифицированного метода Ю БРА и расчета СВИ.

4. Установлены корреляционные зависимости между структурой поверхности образцов а-Б^Н и параметрами технологических режимов их получения (температурой подложки, временем осаждения).

Положения и результаты, выносимые на защиту

1. Методика исследования самоорганизации в структуре поверхности, сформированной в процессе роста неупорядоченных полупроводников, на уровнях ближнего, среднего и дальнего порядка, основанная на методе флуктуационного анализа с модифицированной двухмерной реализацией, заключающаяся в нахождении функции корреляций по величине скейлингового показателя и корреляционных векторов по перегибам на зависимости флуктуационной функции от масштаба.

2. Шкала скейлингового показателя, полученная на основе модельных поверхностей от полностью хаотической до упорядоченной, позволяющая оценивать степень организации структуры

поверхности неупорядоченных твердотельных материалов путем сопоставления с ней результатов исследования.

3. Экспериментальные результаты по исследованию процессов самоорганизации в структуре поверхности образцов a-Si:H, полученных методом тлеющего разряда, показывающие, что в структуре поверхности присутствует гармоническая составляющая с наложением коррелированного шума; длина вектора корреляций менялась от 170 нм (для образца, полученного при температуре подложки Тподл=\10°С) до 770 нм (для образца, полученного при Тподл=220°С).

Достоверность научных результатов работы обеспечивается использованием независимых методов исследования (атомно-силовая микроскопия (АСМ), растровая электронная микроскопия (РЭМ), рамановская спектроскопия), а также метода обработки изображений поверхности, позволяющего исследовать процессы самоорганизации (расчет СВИ), проведением экспериментальных исследований на сертифицированном научном оборудовании и отсутствием противоречий с общепринятыми физическими законами.

Личный вклад автора. Результаты диссертационной работы получены автором лично на кафедре биомедицинской и полупроводниковой электроники и в Региональном центре зондовой микроскопии коллективного пользования при Рязанском государственном радиотехническом университете, а также в ходе научно-исследовательских стажировок в лабораториях Университета прикладных наук (Hochschule Mittweida, Германия), в центре коллективного пользования «Диагностика структуры и свойств наноматериалов» Белгородского государственного университета.

Практическая значимость работы заключается в следующем:

- Разработана методика исследования самоорганизации в структуре

поверхности неупорядоченных твердотельных материалов на основе

модифицированного метода 2D DFA, которая позволяет изучать механизмы

11

структурообразования материалов, получаемых в неравновесных условиях, на уровнях ближнего, среднего, дальнего порядков.

- Разработана шкала скейлингового показателя для определения степени упорядоченности структуры поверхности по виду получаемых с помощью модифицированного метода 2D DFA зависимостей флуктуационной функции от масштаба разбиения изображения исследуемой поверхности.

- Результаты экспериментально исследованных методом 2D DFA поверхностей образцов неупорядоченных полупроводников, полученных методами тлеющего разряда и импульсного лазерного напыления, позволили провести анализ зависимости корреляционных свойств структуры поверхности от параметров технологических режимов роста. Это дает возможность выбора параметров технологических режимов при получении неупорядоченных полупроводников для определенных целей.

Апробация. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на VII и VIII международной конференции «Аморфные и микрокристаллические полупроводники» (г. Санкт-Петербург, 2010, 2012), школе молодых ученых «Современные проблемы наноэлектроники, нанотехнологий, микро- и наносистем» (г. Абрау-Дюрсо,

2010), III всероссийской школе-семинаре студентов, аспирантов и молодых ученых по направлению «Наноматериалы» (г. Рязань, 2010), II международной конференции «Образование для сферы нанотехнологий: современные подходы и перспективы» (г. Долгопрудный, 2011), XIII международной конференции «Опто-, наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы» (г. Ульяновск, 2011), всероссийской школе-семинаре студентов, аспирантов и молодых ученых по направлению "Диагностика наноматериалов и наноструктур" (г. Рязань, 2011), научно-практической конференции «Инновации в науке, производстве и образовании» (г. Рязань,

2011), V Всероссийской школе-семинаре студентов, аспирантов и молодых

ученых по направлению "Диагностика наноматериалов и наноструктур" (г. Рязань, 2012).

Публикации. Основные результаты опубликованы в 22 научных работах, из них 7 статей (по специальности) в журналах из списка ВАК, 3 статьи в других изданиях, 12 тезисов докладов на российских и международных конференциях.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из списка сокращений, введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 98 наименований. Диссертация изложена на 144 страницах машинописного текста, содержит 14 таблиц и 53 рисунка.

Внедрение результатов

Полученные экспериментальные результаты использованы при подготовке отчетов о научно-исследовательских работах НИР 22-12Г, 13-09Г, 6-09, 15-11, 19-12, 17-12.

Глава 1 Неупорядоченные полупроводники как перспективные материалы для создания самоорганизующихся систем

В настоящее время одной из глобальных научных задач является миниатюризация приборов и повышение скорости обработки информации. Это в свою очередь требует расширения функциональных возможностей используемых материалов. Решение данной задачи невозможно без применения принципиально новых подходов в технологии синтеза материалов.

Один из таких подходов, представляющийся перспективным, -создание самоорганизующихся систем. Причем данные системы должны быть гетерогенными, т.е. содержать в себе наноструктуры (размерами от единиц до десятков нанометров), которыми можно управлять, создавая необходимую упорядоченность (или наоборот, разупорядоченность) в их расположении и форме. Также эти самоорганизующиеся системы должны обладать широкими функциональными возможностями по передаче информации между наноструктурами. Для наглядности на рис. 1.1 показан пример некой самоорганизующейся системы. Здесь процесс самоорганизации гетерогенной системы разделен на 4 стадии: на первой стадии имеются наноструктуры различной формы и размера, расположенные разупорядоченно (рис. 1.1, а); далее происходит образование структур определенной формы и размера (рис. 1.1, б); на третьей стадии наноструктуры организуются упорядоченно (рис. 1.1, в); и на последней стадии происходит формирование каналов связей меду ними (рис. 1.1, г).

Масштабы данного научного направления очень велики, поэтому в диссертационной работе затронута только третья стадия описанного процесса - упорядочение наноструктур.

В качестве материала для исследований были выбраны неупорядоченные материалы, поскольку обладают свойствами, идентичными свойствам самоорганизующихся гетерогенных систем. В первую очередь это

связано с тем, что неупорядоченные материалы получают в неравновесных условиях.

°<? о

а

О О О оо

о о о оо о о о оо

в г

Рисунок 1.1 - Пример самоорганизации гетерогенной системы: начальное состояние системы (а); образование наноструктур одного размера и формы (б); упорядочение наноструктур (в); формирование каналов связи между наноструктурами (г)

Неупорядоченные полупроводники широко распространены при производстве приборов микро- и наноэлектроники [2], что обусловливается сочетанием таких качеств, как возможность низкотемпературного осаждения тонких пленок, устойчивость к радиационному воздействию, относительно небольшая стоимость готовых приборов.

Халькогенидные стеклообразные полупроводники, аморфный гидрогенизированный кремний и сплавы на его основе, органические материалы - наиболее перспективные представители этого класса материалов. Применяются они в следующих приборах и устройствах [10]:

- фотоэлектрические преобразователи энергии (солнечные батареи) на основе аморфного гидрогенезированного и микрокристаллического кремния и его сплавов;

- матрицы тонкопленочных транзисторов для управления жидкокристаллическими дисплеями и телевизионными экранами;

- устройства для записи и обработки оптической и голографической информации;

- видиконы (принимающие телевизионные трубки);

- оптические диски;

- фототермопластические носители информации;

- фото-, электроно- и рентгенорезисты;

- устройства для копирования информации и принтеры для ЭВМ (ксерокс-процесс);

- устройства памяти на фазовых переходах в халькогенидных сплавах;

- сенсоры (детекторы) для медицинской диагностики;

- элементы инфракрасной оптики.

В связи с широким применением в электронике в последние годы активно ведутся работы по исследованию структурных, электрофизических и оптических свойств неупорядоченных полупроводников [1, 15-17]. Особенностью исследований свойств неупорядоченных материалов является то, что для них далеко не всегда подходят методы, применимые для кристаллических материалов. В первую очередь это связано с тем, что в расположении атомов в структуре неупорядоченных полупроводников отсутствует дальний порядок и имеются различные структурно-химические неоднородности по сравнению с кристаллами. Однако было установлено, что в структуре некристаллических материалов существует также и средний порядок [18].

Таким образом, для характеризации особенностей структуры неупорядоченных полупроводников следует применять методы, позволяющие выявлять порядок в структуре на всех масштабах.

1.1 Проблемы современных технологий получения неупорядоченных полупроводников

Рост материала - это совокупность сложных процессов, при которых свойства структурообразующих единиц (атомов, молекул, частиц, кластеров) изменяются и выращиваемый материала приобретает новые свойства, состав и структуру.

Методы получения неупорядоченных полупроводниковых материалов можно разделить на две категории. К первой категории относятся методы, где условия образования твердой фазы таковы, что структура формируется из объема фазообразующих частиц. Ко второй категории относятся методы, для которых характерно структурообразование на поверхности твердого тела, т.е. с процессами осаждения. Один из методов, относящихся к первой категории, - это синтез в кварцевых ампулах путем сплавления элементарных компонентов или химических соединений, использующийся при получении халькогенидных стеклообразных полупроводников (ХСП) [1]. А такие методы, как химическое парофазное осаждение (в англоязычной литературе chemical vapor deposition - CVD), PLD, вакуумное термическое напыление относятся ко второй категории.

Однако в независимости от того, каким методом получают неупорядоченные материалы, далеко не всегда удается достичь заданных свойств. Использование тех или иных параметров технологических режимов не позволяет определить, какой структурой будет обладать выращиваемый материал.

Например, для a-Si:H, получаемого по наиболее распространенной

технологии - методом TP силаносодержащих смесей, как правило, прямым

или косвенным образом определяются основные реакции, происходящие в

плазме и на поверхности растущей пленки, при этом константы скоростей

реакций остаются неизвестными. Затем эмпирическим путем

вырабатываются способы управления ходом реакций с целью выращивания

пленок с нужными свойствами [19]. Другие методы исследования процессов

17

роста a-Si:H in situ (эллипсометрия, фотопроводимость [1]) также не позволяют сформировать целостной картины процессов, происходящих во время роста. В частности, не удается выявить механизмы формирования различных структурно-химических неоднородностей и объяснить слабую воспроизводимость структуры и свойств от процесса к процессу.

При росте твердого тела оно захватывает неравновесное количество примесей, а в его объеме образуются ростовые структурные дефекты. В случае кристаллических полупроводников со временем они стремятся «залечить» избыточные дефекты и выбросить неравновесно захваченные примеси в среду, чему могут препятствовать внешние воздействия на систему. Если эти воздействия незначительны, то состав, структура, форма и размер кристаллов постепенно приближаются к равновесным. Совокупность процессов, приближающих кристаллы к равновесию, можно назвать спонтанным упорядочением. В случае неупорядоченных полупроводников в связи с тем, что скорость роста велика, они не успевают «залечивать» дефекты, что проявляется в метастабильности и наличии структурно-химических неоднородностей. По этой причине нарушается дальний порядок в расположении атомов.

Таким образом, можно выделить следующие проблемы технологии получения неупорядоченных полупроводников:

- Невоспроизводимость структуры и свойств. Это означает то, что не удается получать в точности подобную структуру от процесса к процессу. В структуре материалов всегда присутствуют различные неконтролируемые и непредсказуемые с точки зрения технологии структурно-химические неоднородности: дефекты, дислокации, зерна, границы зерен и другие [20-21]. Индивидуальность структуры полученного материала и, как следствие, невоспроизводимость его свойств от процесса к процессу часто оказывают заметное негативное влияние на функционирование микроустройств и наноструктур.

- Метастабильность структуры, которая ограничивает возможности эксплуатации приборов, вызывает серьезные проблемы при использовании таких методов, как диффузия, высокотемпературный отжиг дефектов, определяет чувствительность материалов к внешним воздействиям.

- Несовершенство алгоритмов оптимизации технологий: область в пространстве технологических параметров, при которых получается материал с требуемыми свойствами, выявляется зачастую путем простого перебора всех возможных вариантов режима, т.е. является следствием случайного эксперимента [22].

Если говорить о технологиях материалов вообще, то в настоящее время они испытывают определенный кризис. Существует хорошо отработанный ряд технологий, но это по большей части технологии синтеза материалов в равновесных условиях (например, производство кристаллического кремния). Такие материалы используются в качестве элементной базы большого количества устройств, однако возникает ряд сложностей при использовании их в качестве элементной базы будущих технологий. По своей сути будущие технологии синтеза материалов должны быть направлены на создание самоорганизующихся гетерогенных систем, которые по функциональности должны иметь сходство с интегральными схемами и способность передавать сигналы между отдельными элементами.

Неким ориентиром в решении данной проблемы являются биологические системы. Биоструктуры с высоким уровнем сложности характеризуются процессами самоорганизации, самосборки, матричного копирования и размножения. Взгляд на биоструктуры как на многоуровневые системы отражает общее представление об иерархическом строении надмолекулярных биоструктур. На каждом уровне наблюдается периодичность, повторяемость элементов, что является признаком параллельности идущих на этом уровне процессов.

Элементы симметрии наблюдаются практически на всех уровнях

организации надмолекулярных структур, начиная с вторичной структуры.

19

Наличие симметрии в надмолекулярных структурах обусловливает и возможность появления у них периодической организации [23].

Интересен парадокс Левинталя: при сворачивании белка количество возможных конформаций, которые он может принимать, бесконечно велико. Для цепи из 100 остатков их количество составляет Ю100. При условии

13

затраты 10" с на одну конформацию простой перебор всех конформаций, в поиске единственно возможной, занял бы Ю80 лет, что превышает время жизни нашей Вселенной. Если принять во внимание, что на самом деле процесс формирования функционального белка составляет доли секунды, то возникает вопрос: как разрешают этот парадокс сами белковые молекулы? Вероятно, в природе есть механизмы, которые обходят прямой перебор всех конформаций и ведут к быстрому результату - самоорганизации белка.

Существует также и множество других примеров самоорганизации в природе. Классическим структурированием в условиях притока энергии может служить возникновение в жидкости ячеек Бенара [24] при определенном градиенте температуры - в жидкости появляются конвекционные потоки, обладающие характерной структурой в виде шестиугольных ячеек призмы. Другие примеры - переходы «спираль-клубок» в полимерных молекулах, самоорганизация коллоидных структур (золи, мицеллы, микроэмульсии [25]) и др.

В качестве примера самоорганизации можно рассматривать метод химической самосборки поверхностных наноструктур. Разновидность химической сборки - метод молекулярного наслаивания, основанный на процессах образования поверхностных химических соединений при хемосорбции компонентов из газовой фазы.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Рыбина, Наталья Владимировна, 2013 год

Список литературы

1. Айвазов A.A., Будагян Б.Г., Вихров С.П., Попов А.И. Неупорядоченные полупроводники: учеб. пособие / под ред. A.A. Айвазова. М.: МЭИ, 1995. 352 с.

2. Попов А.И. Физика и технология неупорядоченных полупроводников. М.: МЭИ, 2008. 272 с.

3. Хакен Г. Информация и самоорганизация. Макроскопический подход к сложным системам. М.: Мир, 1991. 240 с.

4. Авачева Т.Г., Бодягин Н.В., Вихров С.П., Мурсалов С.М. Исследование самоорганизации неупорядоченных материалов с применением теории информации // Физика и техника полупроводников. 2008. Т. 42. Вып. 5. С. 513-518.

5. Авачёва Т.Г., Бодягин Н.В., Вихров С.П., Мурсалов С.М. Процессы самоорганизации в неупорядоченных материалах: учеб. пособие. Рязань: РГРТУ, 2007. 56 с.

6. Бодягин Н.В., Вихров С.П. Закономерности эволюции технологий материалов // Приложение к журналу «Вестник РГРТУ». 2009. № 4. Вып. 30. С. 9-33.

7. Nicolis G., Prigogine I. Self-organization in nonequlibrium systems. From dissipative to order through fluctuations. N.Y.: Wiley, 1977. 512 p.

8. Aivazov A.A., Bodyagin N.V., Vikhrov S.P. Intermediate layers in a-Si:H growth processes // MRS Proceedings. 1996. Vol. 420. P. 145-151.

9. Будагян Б.Г., Айвазов A.A., Мейтин М.Н. Метастабильность и релаксационные процессы в аморфном гидрогенизированном кремнии // ФТП. 1997. Т. 31. № 12. С. 1449-1454.

Ю.Попов А.И. Аморфные полупроводники в микро- и наноэлектронике // Приложение к журналу «Вестник РГРТУ». 2009. № 4. Вып. 30. С. 72-80.

П.Попов А.И., Васильева Н.Д. Критерии упорядоченности атомной

структуры некристаллических полупроводников // ФТТ. 1990. Т. 32. Вып. 9.

135

С. 2616-2622.

12. Алпатов A.B., Вихров С.П., Гришанкина Н.В., Мурсалов С.М. Исследование структурной сложности профиля поверхности материалов с применением метода 2D флуктуационного анализа с исключенным трендом // Вестник РГРТУ. 2012. № 4. Вып. 42. Ч. 2. С. 12-20.

13. Авачева Т.Г., Бодягин Н.В., Вихров С.П. и др. Программа для обработки изображений профиля поверхности материала, полученных с применением атомно-силовой микроскопии, для исследования информационных характеристик структур микро- и наноэлектроники "Nanolnform". Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 50200800039.

14. Takens F. / Lectures notes in mathematics, Warwick, 1980 // D. Rand, L.-S. Young etc., N.Y.: Springer-Verlag, 1981. P. 366.

15.Хейванг В., Биркхельц У., Айнцингер Р. и др. Аморфные и поликристаллические полупроводники: пер. с нем. / под ред. В. Хейванга. М.: Мир, 1987. 160 с.

16. Гришанкина Н.В., Литвинов В.Г., Гудзев В.В., Рыбин Н.Б. Исследование диодных структур на основе Si и a-Si:H методом токовой релаксационной спектроскопии глубоких уровней в режимах эмиссии и захвата // Вестник РГРТУ. 2011. № 3. Вып. 37. С. 72-80.

17. Машин А.И., Хохлов А.Ф., Домашевская Э.П. и др. Исследование электронной структуры аморфного кремния и силицина методом рентгеновской спектроскопии // Физика и техника полупроводников. 2001. Т. 35. Вып. 8. С. 995-1000.

18. Голикова O.A., Кудоярова В.Х. Дефекты, ближний и средний порядок в структурной сетке аморфного гидрированного кремния // Физика и техника полупроводников. 1998. Т. 32. № 7. С. 876-878.

19. Физика гидрогенизированного аморфного кремния. Вып. 1: Структура, приготовление и приборы: пер с англ. / под ред. Дж.

Джоунопулоса, Дж. Люковски. М.: Мир, 1987. 307 с.

136

20. Бодягин Н.В. Области критического состояния вещества в технологиях твердотельных материалов // Известия вузов. Сер. Электроника. 1997. №2. С. 31-35.

21.Мотт Н., Дэвис Э. Электронные процессы в некристаллических веществах: пер. с англ. М.: Мир, 1982. Т.2. 658 с.

22. Бодягин Н.В., Вихров С.П. Проблемы технологий полупроводниковых материалов и закономерности формирования их структуры с позиций теории нелинейных систем и системного анализа // Вестник РГРТА. 2001. Вып. 9. С. 64-71.

23. Карасев В.А., Лучинин В.В. Введение в конструирование бионических наносистем. М.: Физматлит, 2011. 464 с.

24. Щука А.А. Наноэлектроника. М.: Физматкнига, 2007. 464 с.

25. Суздалев И.П. Нанотехнология: физико-химия нанокластеров, наноструктур и наноматериалов. М.: КомКнига, 2006. 592 с.

26. Blakemore J.S. Solid State Physics. N. Y.: Cambridge University Press, 1985. 520 p.

27. Фульц Б., Хау Дж.М. Просвечивающая электронная микроскопия и дифрактометрия материалов. М.: Техносфера, 2011. 904 с.

28. Синдо Д., Оикава Т. Аналитическая просвечивающая электронная микроскопия. М.: Техносфера, 2006. 255 с.

29. Эгертон Р.Ф. Физические принципы электронной микроскопии. Введение в просвечивающую, растровую и аналитическую электронную микроскопию: пер. с англ. М.: Техносфера, 2010. 304 с.

30. Штанский Д.В. Просвечивающая электронная микроскопия высокого разрешения в нанотехнологических исследованиях // Рос. хим. ж. (Ж. Рос. хим. об-ва им. Д.И. Менделеева). 2002. Т. XLVI. №5. С. 81-89.

31.Rudee M.L., Howie A. The structure of amorphous Si and Ge // Philosophical Magazine. 1972. Vol. 25. P. 1001-1007.

32. Graczyk J.F., Chaudhari P.A Scanning electron diffraction study of

vapor-deposited and ion implanted thin films of Ge (I) // Phys. Stat. Sol. (b). 1973.

137

Vol. 58. P. 163-179.

33. Коньков О.И., Теруков Е.И., Границына JI.C. Проводимость и структура пленок аморфного гидрированного кремния, легированного эрбием a-SiH(Er) // Физика и техника полупроводников. 2002. Т. 36. Вып. 11. С. 1332-1336.

34. Гоулдстейн Дж., Ньюбери Д., Эчлин П. и др. Растровая электронная микроскопия и рентгеновский микроанализ: в 2 кн.: пер. с англ. М.: Мир, 1984. 349 с.

35. Гришанкина Н.В., Авачева Т.Г., Литвинов В.Г. Изучение особенностей структурообразования пленок a-Si:H с позиций теории самоорганизации // Вестник Тамбовского университета. Сер. Естественные и технические науки. 2011. Т. 16. Вып. 3. С. 817-820.

36. Миронов В. Л. Основы сканирующей зондовой микроскопии. М.: Техносфера, 2005. 144 с.

37. Meyer Е., Hug H.J., Bennewitz R. Scanning probe microscopy: the lab on a tip. Berlin: Springer, 2003. 210 p.

38. Вихров С.П., Вишняков H.B. Нанотехнологии и их применение. Рязань: Сервис, 2012. 208 с.

39. Павлов А.Н. Методы анализа сложных сигналов. Саратов: Научная книга, 2008. 120 с.

40. Ababranel H.D.I., Brown R., Sidorovich J.J., Tsimiring L.S. The analysis of observed chaotic data in physical systems // Rev. Mod. Phys. 1993. Vol. 65. No. 4. P. 1331-1392.

41. Астафьева H.A. Вейвлет-анализ: основы теории и примеры применения//УФН. 1996. Т. 166. № 11. С. 1145-1170.

42. Рехвиашвили С.Ш. Применение вейвлет-преобразования для обработки изображений в атомно-силовом микроскопе // Письма в ЖТФ. 2002. Т. 28. Вып. 6. С. 46-50.

43. Гиляров В.Л., Корсуков В.Е., Бутенко П.Н., Светлов В.Н.

Применение вейвлет-преобразования при изучении изменения фрактальных

138

свойств поверхностей аморфных металлов под воздействием механической нагрузки // ФТТ. 2004. Т. 46. Вып. 10. С. 1806-1810.

44. Короновский A.A., Храмов А.Е. Об эффективном анализе перехода к хаосу через перемежаемость с помощью вейвлетного преобразования // Письма в ЖТФ. 2001. Т. 27. Вып. 1. С. 3-11.

45. Гусев В.А., Короновский A.A., Храмов А.Е. Применение адаптивных вейвлетных базисов к анализу нелинейных систем с хаотической динамикой // Письма в ЖТФ. 2003. Т. 29. Вып. 18. С. 61-69.

46. Скобочкин A.M., Левченко В.Д. Структурная диагностика поверхностей с использованием вейвлетов // Препринт Института прикладной математики им. М. В. Келдыша РАН. 2002. № 48. 16 с.

47. Karabacak Т., Zhao Y.-P., Wang G.-C., Lu T.-M. Growth-front roughening in amorphous silicon films by sputtering // Phys. rev. B. 2001. Vol. 64. 085323. 6 p.

48. Рамбиди Н.Г., Берёзкин A.B. Физические и химические основы нанотехнологий. М.: Физматлит, 2008. 456 с.

49. Вихров С.П., Бодягин Н.В., Уфимцев А.Г. Идентификация порядка в структуре твердотельных материалов методами нелинейной динамики // Физика полупроводников и микроэлектроника: Межвуз. сб. науч. тр. Рязань: РГРТА, 1997. С. 9-13.

50. Бодягин Н.В., Вихров С.П. Пространственно-временной хаос в процессе образования твердотельного состояния // Письма в ЖТФ. 1997. Т. 23. Вып. 19. С. 77-80.

51. Бодягин Н.В., Вихров С.П., Ларина Т.Г. и др. Природа невоспроизводимости структуры и свойств материалов для микро- и наноэлектроники: учеб. пособие. Рязань: РГРТА, 2004. 64 с.

52. Ларина Т.Г. Роль промежуточного слоя в процессе образования твердотельных структур // Физика полупроводников. Микроэлектроника. Радиоэлектронные устройства: Межвуз. сб. науч. тр. Рязань: РГРТА, 2004. С. 21-25.

53. Bilgram J.H., Guttinger H., Kanzig W. Fluctuations of the ice-water interface during solidification // Phys. Rev. Lett. Vol. 40. No. 40. P. 1394-1397.

54. Малинецкий Г.Г., Потапов А.Б. Современные проблемы нелинейной динамики. М.: Эдиториал УРСС, 2000. 336 с.

55. Bodyagin N.V., Vikhrov S.P., Mursalov S.M., Larina T.G. Diagnostics of the structure and amorphous materials growth process by nonlinear dynamics method // J. of optoelectronics and advanced materials. 2003. Vol. 5. No. 5. P. 1293-1298.

56. Николис Г., Пригожин И. Познание сложного. М.: Мир, 1990. 342 с.

57. Мелихов И.В. Физико-химическая эволюция твердого вещества. М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2006. 309 с.

58. Мурсалов С.М., Бодягин Н.В., Вихров С.П. О расчете корреляций в структуре поверхностей твердотельных материалов / Письма в ЖТФ. 2000. Т. 26. Вып. 15. С. 53-57.

59. Алпатов А.В., Авачева Т.Г., Вихров С.П. и др. Применение метода 2D DFA для выявления корреляций поверхностного интерфейса пленок а-Si:H // Сб. трудов VIII международной конференции «Аморфные и микрокристаллические полупроводники». 2-5 июля 2012 г., г. Санкт-Петербург. С.-Пб.: Изд-во Политех. Ун-та, 2012. С. 32-33.

60. Вихров С.П., Авачева Т.Г., Бодягин Н.В. и др. Установление степени упорядочения структуры материалов на основе расчета информационно-корреляционных характеристик // Физика и техника полупроводников. 2012. Т. 46. Вып. 4. С. 433-438.

61. Grishankina N.V., Vikhrov S.P., Avacheva T.G. etc. Determination of the degree of ordering of materials' structure by calculating the information-correlation characteristics // Semiconductors. 2012. Vol. 46. No. 4. P. 415-421.

62. Peng C.-K., Buldyrev S.V., Havlin S. etc. Mosaic organization of DNA nucleotides // Phys. Rev. E. 1994. Vol. 49. P. 1685-1689.

63. Peng C-K, Havlin S, Stanley H.E, Goldberger A.L. Quantification of scaling exponents and crossover phenomena in nonstationary heartbeat time series // Chaos. 1995. Vol. 5(82). P.82-87.

64. Meakin P. Fractals, scaling and growth far from equilibrium. Cambridge University Press, 1998. 674 p.

65. Ben-Avraham D., Halvin Sh. Diffusion and reactions in fractals and disordered systems. Cambridge University Press, 2005. 332 p.

66. Barabasi A.-L., Stanley H.E. Fractal concepts in surface growth. Cambridge University Press, 1995. 388 p.

67. Стрельцов Д.Р., Бузин А.И., Григорьев Е.И. и др. Скейлинговый анализ морфологии наноструктурированных поли-п-ксилиленовых пленок, синтезированных методом газофазной полимеризации на поверхности // Российские нанотехнологии. 2008. Т. 3. № 7-8. С. 115-123.

68. Алпатов А.В., Митрофанова М.Ю. Метод флуктуационного анализа сердечного ритма в режиме реального времени // Биомедицинская радиоэлектроника. 2011. № 7. С. 66-71.

69. Ни К., Ivanov Р.С., Chen Z. etc. Effect of trends on detrended fluctuation analysis // Physical Review E. 2001. Vol. 64. 011114.

70. ГОСТ 25142-82 Шероховатость поверхности. Термины и определения URL:http://vsegost.com/Catalog/43/43751.shtml (дата обращения 21.03.2013).

71.Klapetek P., Necas D., Anderson С. Руководство пользователя Gwyddion. URL: http://www.gwyddion.net (дата обращения 15.04.2013).

72. Gu G.-F., Zhou W.-X. Detrended fluctuation analysis for fractals and multifractals in higher dimensions // Physical Review E. 2006. Vol. 74. 061104.

73. Yang H.-N., Zhao Y.-P., Wang G.-C., Lu T.-M. Noise-induced roughening evolution of amorphous Si films grown by thermal evaporation // Physical Review Letters. 1996. Vol. 76(20). P. 3774-3777.

74. Бердников A.E. Разработка и исследование технологии

высокоскоростного осаждения аморфного гидрогенизированного кремния и

141

его сплавов в плазме низкочастотного разряда. Диссертация на соискание ученой степени д-ра техн. наук. Ярославль, 2001. 308 с.

75. Eason R. Pulsed laser deposition of thin films: applications-led growth of functional materials. N. Y.: Wiley, 2007. 682 p.

76. Chrisey D.B., Hubler G.K. Pulsed laser deposition of thin films. Wiley-Interscience, 1994. 648 p.

77. Yoshinobu T., Iwasaki H. Scaling analysis of chemical-vapor deposited tungsten films by atomic force microscopy // Applied Physics. 1993. Vol. 32. P. 1562-1564.

78. Будагян Б.Г., Айвазов A.A. Физико-химические основы базовой технологии получения аморфного гидрогенизированного кремния. М.: МГИЭТ (ТУ), 1996. 60 с.

79. Yan J., Asami T., Kuriyagawa T. Nondestructive measurement of machining-induced amorphous layers in single-crystal silicon by laser micro-Raman spectroscopy // Precision Engineering. 2008. Vol. 32. P. 186-195.

80. Алпатов A.B., Вихров С.П., Гришанкина H.B. Выявление корреляций поверхностного интерфейса пленок a-Si:H методом двумерного флуктуационного анализа // ФТП. 2013. Т. 47. Вып. 3. С. 340-347.

81. Alpatov A.V., Vikhrov S.P., Grishankina N.V. Revealing the surface interface correlations in a-Si:H films by 2D detrended fluctuation analysis // Semiconductors. 2013. Vol. 47. No. 3. P. 365-371.

82. NT-MDT.OcHOBbi СЗМ. п.2.5.2 Влияние радиуса закругления зонда и угла раствора конуса http://www.ntmdt.ru/spm-basics/view/effect-tip-radius-cone-angle (дата обращения 20.02.2013).

83. Физика гидрогенизированного аморфного кремния. Вып. 2: Электронные и колебательные свойства: пер с англ. / под ред. Дж. Джоунопулоса, Дж. Люковски. М.: Мир, 1988. 448 с.

84. Авачева Т.Г., Вихров С.П., Быков В.А. и др. Исследование

структурных особенностей пленок a-Si:H в зависимости от технологических

режимов осаждения // Сб. трудов VI международной конференции

142

«Аморфные и микрокристаллические полупроводники». 7-9 июля 2008 г., г. Санкт-Петербург. С.-Пб.: Изд-во Политех. Ун-та, 2008. С. 32-33.

85. Yasuda S., Chikyow Т., Inoue S. etc. Pulsed laser deposition of photosensitive a-Si thin films // Applied Physics A. 1999. Vol. 69. P. 925-927.

86. Bloss W.J., Rewley D.M., Cox R.A., Jones R.L. Kinetics and Products of the IO Self-Reaction//Physical Chemistry. 2001. Vol. 105(33). P. 7840-7854.

87. Yuksel M., Karabacak Т., Guclu H. Networking behavior in thin film and nanostructure growth dynamics / Proceedings of IEEE International Conference on Nano-Networks (Nano-Net), Catania, Italy, 2007. 5 p.

88. Karabacak Т., Guclu H., Yuksel M. Network behavior in thin-film growth dynamics // Phys. Rev. B. 2009. Vol. 79. 195418.

89. Panagiotis A. Monte Carlo simulation of roughening during thin film plasma etching / Zografou: National Technical university of Athens, 2006. P. 81.

90. Klein J., Maier W. F. Thermal stability of sol-gel-derived porous AM-AlxZr mixed oxides // Chemistry of materials. 1999. Vol. 11 (9). P. 2584-2593.

91. Goritz D., Raab H., Frohlich J., Maier P. Surface structure of carbon black and reinforcement // Rubber Chemistry and Technology. 1999. Vol.72. P. 929-945.

92. Auer S., Frenkel D. Prediction of absolute crystal-nucleation rate in hard-sphere colloids //Nature. 2001. Vol. 409. P. 1020-1023.

93. Maya L., Muralidharan G., Thundat T.G. Kenik E.A. Polymer-mediated assembly of gold nanoclusters // Langmuir. 2000. Vol. 16 (24). P. 9151-9154.

94. Авачева Т.Г. Исследование самоорганизации структуры поверхности неупорядоченных полупроводниковых материалов. Диссертация на соискание ученой степени канд. физ.-мат. наук по специальности 01.04.10 "Физика полупроводников". Рязань, 2009. 213 с.

95. Street R.A., Tsai С.С. Dependence of hydrogen diffusion on growth conditions in hydrogenated amorphous silicon // Phil. Mag. B. 1988. Vol. 57. No. 5. P. 663-669.

96. Эбелинг В. Образование структур при необратимых процессах. М.: Мир, 1979. 280 с.

97. Polk D.E. Structural model for amorphous silicon and germanium // Journal of Non-Crystalline Solids. 1971. Vol. 5. P. 365-371.

98. Kesselsa W.M.M., Smetsa A.H.M., Marrab D.C. etc. On the growth mechanism of a-Si:H // Thin Solid Films. 2001. Vol. 383. P. 154-160.