Количественный анализ атомной структуры поверхностных фаз с помощью сканирующей туннельной микроскопии тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.07, кандидат физико-математических наук Утас, Татьяна Валерьевна

• Утас, Татьяна Валерьевна
• кандидат физико-математических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Утас, Татьяна Валерьевна

Введение

1 Количественный анализ атомной структуры поверхностных фаз на кремнии с помощью сканирующей туннельной микроскопии (литературный обзор).

1.1 Основные представления о поверхностных структурах.

1.2 Атомарно-чистые поверхности Si(100) и Si(lll).

1.2.1 Атомная структура поверхности Si(100)2xl.

1.2.2 Атомная структура поверхности Si(lll)7x7.

1.3 Роль атомов адсорбата и кремния в формировании упорядоченных поверхностных структур "адсорбат-кремний".

1.3.1 Взаимодействие атомов адсорбата и иодложки.

1.3.2 Способы определения покрытия адсорбата в поверхностной фазе.

1.3.3 Плотность атомов кремния в верхнем слое поверхности.

1.3.4 Уравнение баланса кремния до и после реконструкции поверхности

1.4 Магические нанокластеры на поверхностях Si(lll) и Si(100). . 54 Выводы по главе.

2 Экспериментальная установка и методы исследования 62 2.1 Методы исследования.

2.1.1 Сканирующая туннельная микроскопия.

2.1.2 Сканирующая туннельная спектроскопия

2.1.3 Дифракция медленных электронов.

2.2 Оборудование.

2.3 Экспериментальные методики.

2.3.1 Приготовление атомарно-чистой поверхности Si(100) и Si(lll)

2.3.2 Калибровка температуры образца.

2.3.3 Калибровка скорости напыления адсорбата.

2.3.4 Методика определения плотности атомов Si верхнего слоя в поверхностных структурах адсорбат-кремний.

2.3.5 Точность метода определения плотности атомов кремиия в поверхностных фазах.

Выводы по главе.

Атомная структура поверхностных фаз А1 на поверхности Si(lll)

3.1 Атомная структура 7-фазы и ее доменных границ в субмонослойной системе Al/Si(lll).

3.1.1 СТМ изображеиия 7-фазы А1 на Si(lll).

3.1.2 Периодичность и квазииериодичность 7—фазы.

3.1.3 Доменные границы 7—фазы и их атомные структуры и состав.

3.2 Атомная структура поверхностной фазы Si(lll)V7xV7—Al

3.2.1 Условия получения поверхностной фазы Si(lll)\/7x\/7—Al.

3.2.2 Анализ СТМ изображений поверхности Si(lll)\/7x\/7-Al.

3.2.3 Атомная модель структуры Si(lll)\/7x\/7 - R19,1°-А1.

Выводы по главе.

Исследование процессов формирования упорядоченных массивов магических нанокластеров Al/Si(lll) и In/Si(100)

4.1 Магические нанокластеры Si(ll 1)7x7—А1.

4.1.1 Условия формирования упорядоченного массива магических нанокластеров Al-Si на Si(l 11)7x7.

4.1.2 Анализ СТМ изображений массива магических кластеров Al-Si.

4.1.3 Механизм формирования совершенного массива магических кластеров.

4.1.4 Островки магического размера со структурой у/Зху/З—А1, встроенные в поверхность Si(lll)\/7х \/7—А1.

4.2 Исследование легированных магических кластеров

Si(100)4x3—In.

4.2.1 Состав и атомная структура магического нанокластера Si7liie

4.2.2 Формирование суперрешетки из магических нанокластеров In—Si

4.2.3 Модификация части нанокластеров In—Si с сохранением периодичности массива.

4.2.4 Определения состава модифицированного кластера In—Si.

4.2.5 Атомное строение модифицированного кластера Sisliig.

4.2.6 Модификация - легирование нанокластера.

Выводы по главе.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Количественный анализ атомной структуры поверхностных фаз с помощью сканирующей туннельной микроскопии»

Актуальность работы. Прогресс в области микроэлектроники тесным образом связан с уменьшением размеров полупроводниковых устройств. В соответствии с известным законом Мура, "количество транзисторов, которое может быть помещено на поверхности микросхемы, удваивается примерно каждые 2 года" [1]. Этот закон, впервые высказанный в 1965 году, по-прежнему актуален. Размеры устройств, входящие в состав интегральных схем, неуклонно уменьшаются. На рисунке 1 представлены графики, отображающие уменьшение размеров элементов и, соответственно, увеличение их плотности в интегральных схемах за последние 45 лет. График, представленный на рисунке 1(a), был опубликован в оригинальной работе Мура [1]. Он отображает непрерывный процесс увеличения стенеии интеграции микросхем за иериод с 1959 но 1965 год с экстраполяцией полученной зависимости в последующие годы. По вертикальной оси отложен логарифм (log2 N) от числа элементов N в одной интегральной схеме, а по горизонтальной - годы. На правом графике (рис. 1(6)) представлены данные Samsung Advanced Institute of Technology, иллюстрирующие непрерывное уменьшение размеров элементов памяти в опытном и массовом производствах. Согласно этому графику прогнозировалось, что к 2005 году в лабораторных условиях будут исследоваться объекты до 70 нм, а в массовом производстве изготавливаться приборы с элементами до 100 им. В свете таких прогнозов исследования поверхностных структур с размерами от нескольких нанометров и меньше естественно являются передовыми и очень важными для развития наноэлектропики и физики поверхности.

Представленные данные свидетельствуют о том, что электроника в последнее время выходит на новый уровень, переходит от микро- к наноэлектронике. Такой переход годы

180 s 150

1130 со со 1 00 0 н

1 70 I 50 то

30 10 стадия внедрения

О опытное производство 9 массовое производство годы

1995 2000

Рис. 1. (а) - Увеличение числа элементов (N) в интегральной схеме с 1959 и до 1965 года [1]. (б) Минимизация размеров элементов в микросхемах по данным 2003 года, представленным Samsung Advanced Institute of Technology. невозможен без создания базы знаний о новых материалах наноструктурах, которые могут обладать новыми свойствами и функциональными возможностями. Наноматери-алы представляют собой искусственно или естественно упорядоченную или неупорядоченную систему базовых элементов с размерами нанометрового масштаба и особым проявлением физического и (или) химического взаимодействий при кооперации нано-размерных элементов, обеспечивающих возникновение у материалов ранее неизвестных механических, электрофизических, оптических и других свойств, определяемых появлением наномасштабных факторов [2]. Впервые в 1985 году изобретатели SET (од-ноэлектронного туннельного транзистора) Аверин и Лихачев (МГУ) высказали идею о использовании квантовых точек для создания транзисторов. И уже через два года в лабораториях Bell Laboratories Фалтон и Долан создали первый прототип такого устройства [3,4].

В настоящей работе объектом исследования выбраны поверхностные фазы алюминия и индия на поверхности кремния. Данные адсорбаты являются металлами III группы, которые интенсивно используют для создания полупроводниковых приборов на основе кремния. В связи с этим поверхность кремния является подходящим материалом для создания полупроводниковых приборов нанометрового масштаба. Поверхность как двумерный объект обладает свойствами, отличными от свойств объемного матери-аила. Создание двумерных, одномерных и ноль-мерных объектов и изучение свойств этих материалов является необходимым этапом на пути к разработке новых полупроводниковых приборов с уникальными свойствами.

Среди процессов, происходящих на поверхности, особое место занимает самоупо-рядочеиие атомов в периодические структуры: двумерные поверхностные фазы, одномерные квантовые проволоки и ноль-мерные объекты. Последние представляют собой кластеры, состоящие из нескольких атомов адсорбата и подложки. Найти такие экспериментальные условия, при которых системе адсорбат-подложка будет выгодно сформировать структуру с необходимыми строением и свойствами, - одна из самых важных задач, потому что использование способности системы самоорганизовываться в упорядоченные наноструктуры приведет к удешевлению технологии создания элементов нанометрового размера.

Актуальность диссертации заключается в необходимости изучения систем с пониженной размерностью и поиска новых материалов, которые впоследствии будут использоваться в разработке приборов с нанометровыми размерами. В качестве основного метода исследования поверхности в данной работе выбрана сканирующая туннельная микроскопия (СТМ), представляющая собой уникальный метод исследования поверхности. В СТМ изображениях с атомарным разрешением содержится информация о распределении электронной плотности в локальной области поверхности, которое в свою очередь отражает расположение атомов в верхнем слое поверхности. Уникальность СТМ обуславливается его пространственным разрешением порядка 1А в плоскости поверхности и разрешением по вертикали порядка 0,1 А. Количественный анализ СТМ изображений заполненных и незаполненных состояний поверхности позволяет получить информацию о структуре поверхности, которую не дают другие (интегральные) методы исследования поверхности.

Целью диссертационной работы является исследование атомного строения поверхностных фаз Al/Si(lll) и упорядоченных массивов магических нанокластеров в системах Al/Si(lll) и In/Si(100) на основе количественного анализа СТМ данных.

Для достижения указанной цели предполагалось решить следующие задачи:

1. Разработать методику количественного анализа СТМ изображений с целью определения покрытия адсорбата и кремния.

2. Оценить ошибку в определении покрытий, найти способы ее уменьшения и установить условия применимости методики определения покрытия.

3. Изучить состав и атомную структуру 7—фазы Al/Si(lll) и ее доменных границ с помощью количественного анализа данных СТМ.

4. Определить состав и атомную структуру поверхности Si(lll)\/7x\/7-Al на основе СТМ изображений с атомарным разрешением.

5. Проверить возможность образования магических нанокластеров А1 на поверхности Si(lll). Определить атомное строение и состав кластеров Si(lll)7x7—А1. Исследовать процессы замещения и кластерообразования при начальной адсорбции А1 на поверхность Si(lll)7x7.

6. Найти оптимальные условия формирования бездефектного массива Si(100)4x3—In магических нанокластеров In6Si7 и установить возможность их модификации. Проверить атомную модель кластера In6Si7 и определить состав и атомную структуру модифицированного кластера.

Научная новизна работы. Работа содержит новые экспериментальные и методические результаты, наиболее важные из которых следующие:

1. Разработана методика определения плотности атомов кремния в верхнем атомном слое поверхностных структур. Определены условия, при которых данная методика дает результаты с минимальной ошибкой.

2. Получена количественная информация о составе и структуре 7—фазы Al/Si(lll), предложена модель ее атомной структуры.

3. Определены положения атомов А1 в поверхностной фазе Si(lll)\/7x л/7-А1 и предложена ее атомная модель.

4. Исследован механизм образования упорядоченного массива магических нанокла-стеров Al-Si на поверхности Si(lll)7x7—А1. Показано, что структурная модель, предложенная для нанокластеров металлов III группы In и Ga, справедлива и для панокластеров А1.

5. Определен состав магических нанокластеров In—Si на Si(100) и подтверждена ранее предложенная атомная модель кластера IneSiy. Обнаружена возможность легирования иаиокластера IneSiy.

Практическая значимость исследования. Разработана методика определения плотности атомов кремния в верхнем атомном слое поверхностных структур. Данная методика может быть применена для исследования атомного состава различных поверхностных структур адсорбат - кремний.

Ряд исследованных в данной работе поверхностей 7—фазы Al/Si(lll), Si(lll)\/7x л/7-А1 и Si(lll)7x7—А1 в добавление к хорошо изученной ранее Si(lll)\/3x\/3—А1 представляют собой законченный ряд поверхностных фаз в системе Al/Si(lll), которые формируются в субмонослойном диапазоне покрытий при высокой температуре.

В работе определены такие экспериментальные условия, при которых формируются гомогенные хорошо упорядоченные структуры и массивы магических панокластеров, занимающие всю поверхность. Определены диапазоны температуры и покрытий адсорбата, при которых формируются магические напокластеры, показано, что нанокла-стеры представляют собой достаточно устойчивые объекты. Данный результат может быть полезным в будущем при разработке технологий изготовления полупроводниковых приборов на основе поверхностных фаз и наноструктур.

Продемонстрированная в работе возможность легирования нанокластера In/Si (100) представляет большую практическую ценность, поскольку показано, что нанообъект в результате легирования радикально меняет электрические свойства.

Основные защищаемые положения

1. Анализ массопереноса атомов подложки в ходе формирования поверхностной структуры на основе СТМ изображений поверхности позволяет определить концентрацию атомов подложки в поверхностной структуре с погрешностью менее 5% при учете влияния структурных дефектов поверхности.

2. Структура 7—фазы А1 на поверхности Si(lll) представляет собой квазинериоди-ческий массив доменов. Атомы А1 внутри доменов имеют гексагональную упаковку с периодом 1,1ох1,1о (где о=3,84А- постоянная решетки Si(lll)lxl). Плотность атомов Si в верхнем атомном слое 7—фазы Al/Si(lll) составляет 0,84 и 1,01 МС, а покрытие А1 равно 0,76 и 0,64 МС в зависимости от преобладающего типа доменных границ, при этом средний размер квазинериодических доменов равен 9,2а и 9,8а, соответственно.

3. Атомная структура поверхностной фазы Si(lll)\/7x\/7—А1 представляет собой гексагональный массив тримеров А1 на объемоподобной поверхности Si(lll)lxl. Центры тримеров находятся в положениях Т\, а атомы А1 в тримере занимают положения, близкие к Т4.

4. Атомы А1 на поверхности Si(l 11)7x7 проявляют способность к формированию упорядоченного массива магических нанокластеров. В состав каждого нанокластера входит 3 атома Si и б атомов А1. Атомное строение нанокластера Al-Si описывается структурной моделью, предложенной ранее для нанокластеров In—Si и Ga-Si.

5. Поверхностная структура Si(100)4x3—In представляет собой упорядоченный массив магических нанокластеров In—Si. Каждый наиокластер содержит б атомов In и 7 атомов Si. Дополнительная адсорбция In приводит к модификации до 35% на-иокластеров. Модификация заключается в замещении двух центральных атомов Si в кластере па атомы In.

Апробация результатов работы

Основные результаты работы докладывались на международных, российских и региональных конференциях, в том числе: на Второй Региональной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых по физике полупроводниковых, диэлектрических и магнитных материалов, ИАПУ ДВО РАН, Владивосток, 26сентября 1998 г.; Научной конференции студентов и аспирантов ДВГУ, Владивосток, 2001 г.; Третьей международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых, Владивосток, ВГУЭС, 3-13 апреля 2001 г.; Региональной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых по физике, ДВГУ, 5-6 декабря 2002г.; Международном Симпозиуме "Принципы и процессы создания неорганических материалов", г.Хабаровск, 3-6 ноября

2002 г.; Четвёртой региональной научной конференции "Физика: Фундаментальные и прикладные исследования, образование", ИАПУ ДВО РАН, Владивосток, 2-4 октября

2003 г.; Пятой всероссийской молодежной конференции по физике полупроводников и полупроводниковой опто- и наиоэлектронике, СПбГПУ, Санкт-Петербург, 1-5 декабря 2003 г.; Седьмой региональной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых по физике полупроводниковых, диэлектрических и магнитных материалов, ИАПУ ДВО РАН, Владивосток, 9-10 декабря 2003 г.; Samsung Young Scientist Day, Novosibirsk, April 26-27, 2004.; The Fifth Russian-Japan Seminar on Semiconductor Surfaces, September 1520, 2002.; Международной конференции "Scanning Probe Microscopy-2003", 2-5 марта, Нижний-Новгород, ИФМ PAH.; The 7th International conference on Atomically Controlled surfaces, interfaces and nanostructures, Nara, Japan, November 16-20, 2003; The sixth Japan-Russian Seminar on Semiconductor Surfaces, October 10-17, 2004; Шестой всероссийской молодежной конференции по физике полупроводников и полупроводниковой опто- и наиоэлектронике, политехнический университет, Санкт-Петербург, 6-10 декабря 2004 г.; IX Конференции студентов, аспирантов и молодых ученых по физике полупроводниковых, диэлектрических и магнитных материалов, 18-21 мая 2005 г., Владивосток, ИАПУ ДВО РАН.

Публикации и личный вклад автора

По теме диссертации опубликовано 11 статей в рецензируемых научных журналах.

1. V.G. Kotlyar, A.V. Zotov, А.А. Saranin, T.V. Kasyanova (T.V. Utas), M.A. Cherevik, I.V. Pisarenko and V.G. Lifshits, "Formation of the ordered array of A1 magic clusters on Si(lll)7x7", Phys. Rev. В 66, 165401 (2002).

2. А.А. Saranin, V.G. Kotlyar, A.V. Zotov, T.V. Kasyanova (T.V. Utas), M.A. Cherevik, V.G. Lifshits, "Structure of domain walls in Al/Si(lll)7-phase", Surf. Sci., 517 (2002) 151-156.

3. V.G. Kotlyar, A.V. Zotov, A.A. Saranin, T.V. Kasyanova (T.V. Utas), M.A. Cherevik, I.V. Pisarenko, and V.G. Lifshits, "Magic clusters of group III metals on Si surfaces", Proceedings of the Fifth Russia-Japan Seminar on Semiconductor Surfaces. Institute of Automation and Control Processes. Sept.15-20.-2002. Vladivostok, Russia. P.9-12.

4. A.A. Saranin, V.G. Kotlyar, A.V. Zotov, T.V. Kasyanova (T.V. Utas), M.A. Cherevik, I.V. Pisarenko, and V.G. Lifshits, "Structure of domain walls in Al/Si(lll)'y—phase", Proceedings of the Fifth Russia-Japan Seminar on Semiconductor Surfaces. Institute of Automation and Control Processes. Sept. 15-20.-2002. Vladivostok, Russia. P.118-126.

5. V.G. Kotlyar, A.V. Zotov, A.A. Saranin, T.V. Kasyanova (T.V. Utas), M.A. Cherevik, I.V. Pisarenko, B.K. Churusov, and V.G. Lifshits, "STM study of magic clusters of group III metals on Si(lll) and Si(100)", Phys. of Low Dim. Struct., 3/4 (2003), 97104.

6. V.G. Kotlyar, A.V. Zotov, A.A. Saranin, E.N. Chukurov, T.V. Kasyanova (T.V. Utas), M.A. Cherevik, I.V. Pisarenko, H. Okado, M. Katayaina, K. Oura and V.G. Lifshits, "Doping of magic nanoclusters in the subinonolayer In/Si(100) system", Phys. Rev. Lett., V.91, N.2 (2003).

7. V.G. Kotlyar, A.A. Saranin, A.V. Zotov, T.V. Kasyanova (T.V. Utas), "Thallium overlayers on Si(lll) studied by scanning tunnelling microscopy", Surf. Sci., 543, (2003) L663-L667

8. V.G. Kotlyar, T.V. Kasyanova (T.V. Utas), E.N. Chukurov, A.V. Zotov, A.A. Saranin, "Atomic structure of the Si(lll)\/7x\/7—A1 phase studied using STM and total-energy calculations", Surf. Sci., 545, (2003), L779-L783.

9. V.G. Kotlyar, A.V. Zotov, A.A. Saranin, T.V. Kasyanova (T.V. Utas),M.A. Cherevik,

0.V. Behktereva, M. Katayama, K. Oura, and V.G. Lifshits, "Magic nanoclusters of group III metals on Si(100) surface", e-J.Surf.Sci. Nanotech., Vol.1, (2003), 33-40. Доступпо из URL: http://www.sssj.org/ejssnt/

10. V.G. Kotlyar, A.A. Saranin, A.V. Zotov, T.V. Kasyanova (T.V. Utas), E.N. Chukurov,

1.V. Pisarenko, V.G. Lifshits "Atomic structure of the Al/Si(lll) phases studied using STM and total-energy calculations", e-J.Surf.Sci. Nanotech., Vol.3, (2005), 60-67. Доступно из URL: http://www.sssj.org/ejssnt/

11. В.Г. Котляр, A.A. Саранин, А.В. Зотов, В.Г. Лифшиц, И.А. Куянов, Е.И. Чукуров, Т.В. Касьянова (Т.В. Утас) "Низкоразмерные структуры металлов на поверхности кремния", Вестник ДВО РАН, 2005г., №1, стр.103-115.

Личный вклад автора заключается в активном участии в проведении экспериментов, обработке экспериментальных данных и интерпретации полученных результатов. Вошедшие в диссертацию результаты отражают итоги исследований, проведенных автором в ИАПУ ДВО РАН совместно с группой сотрудников. Часть СТМ изображений с атомарным разрешением получена лично автором. Разработаны методики получения количественной информации из СТМ изображений, а также освоена технология изготовления игл для СТМ.

Участие соавторов публикаций заключалось в следующем: д.ф.-м.н. Зотов А.В. является научным руководителем диссертанта. Д.ф.-м.н., профессор Саранин А.А., д.ф.-м.н. Зотов А.В., д.ф.-м.н. Котляр В.Г. и члеп-корр. РАН, профессор Лифшиц В.Г. участвовали в обсуждении результатов. Теоретические расчеты для атомных структур Si(lll)\/7x\/7—А1 и Si(100)4x3—In были выполнены д.ф.-м.н. Заводинским В.Г. и Чукуровым Е.Н. В работе также участвовали к.ф.-м.н. Писарепко И.В., Черевик М.А. Техническое обеспечение СВВ установки производилось к.ф.-м.н. Чурусовым Б.К., гл. инж. констр. Каменевым А.Н. и м.н.с. Утасом О.А. Часть Часть программного обеспечения, необходимая для обработки экспериментальных результатов, была написана м.н.с. Утасом О.А.

Структура и объем диссертации Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы. Общий объем диссертации составляет 166 страниц, включая 81 рисунок и список литературы из 105 наименований.

Заключение диссертации по теме «Физика конденсированного состояния», Утас, Татьяна Валерьевна

Общие выводы

1. В формировании поверхностной структуры участвуют не только атомы адсорбата, но и атомы иодложки. Реконструкция поверхностной фазы с плотностью атомов Si в верхнем атомном слое, отличным от плотности Si в исходной поверхности, приводит к изменению морфологии поверхности - к образованию островков или вакансионных островков на террасе. По площади островков можно определить покрытие Si в исследуемой поверхностной структуре.

2. Ошибка в определении покрытия атомов Si по балансу Si до и после реконструкции зависит от дефектности исходной и реконструированной поверхности, от плотности, размеров и формы островков, по площади которых определяется покрытие Si. Чтобы ошибка была минимальной, для количественного СТМ анализа выбираются участки поверхности посередине широкой террасы (чтобы исключить влияние ступеней), с равномерным распределением островков, максимально крупных по размеру, но с минимально возможным периметром.

3. При адсорбции более 0,7МС А1 на Si(lll) при температуре 675°С формируется 7—фаза Al/Si(lll), в которой атомы А1 замещают атомы Si в верхнем атомном монослое подложки Si(lll), образуя гексагональную решетку с периодом 1, lxl, 1. В результате несовпадения периодов поверхностной структуры и объемного Si упорядоченная структура разбивается на домены почти треугольной формы, и на поверхности образуется квазипериодическая сетка доменных границ. На основе СТМ изображений с высоким атомарным разрешением определили, что в зависимости от условий формирования на поверхности образуются два тина 7—фазы, которые отличаются между собой типом доменных границ: "легкими" или "тяжелыми". "Легкая" 7—фаза образуется при адсорбции ~0,7МС А1 и характеризуется покрытием А1 0,64 МС, покрытием Si 1,01 МС и средним размером доменов 9,2dol, где af1 - постоянная решетки Si(lll)lxl. Домены 7—фазы с "тяжелыми" границами одновременно сосуществуют с доменами с "легкими" границами. Такая поверхность формируется при напылении более 1,3 МС А1. "Тяжелая"7—фаза характеризуется покрытием А1 0,76 МС, покрытием Si 0,84 МС и средним размером доменов 9, 8oq1.

4. При осаждении ~0,15 МС А1 при температуре 700°С на Si(lll)\/3x\/3-Al формируется структура у/7 х у/7-Al. На основе СТМ изображений с атомарным разрешением установлено, что поверхность представляет собой массив тримеров с центрами в Т\, состоящие из атомов А1, расположенных па переконструированной поверхности Si(lll) в положениях, близких к Т4. Расстояния между атомами А1 в тримерах равно 4,08 А.

5. На начальных стадиях адсорбции А1 (до 0,36МС) па Si(lll)7x7 в температурном диапазоне 475+600°С формируется упорядоченная суперрешетка 7x7, образованная кластерами идентичного размера, структуры и состава (магическими кластерами), состоящими из 6 атомов А1 и 3 атомов Si каждый. Сохранение периодичности исходной поверхности в процессе формирования упорядоченного массива из кластеров свидетельствует о том, что подложка выступает в качестве шаблона. СТМ наблюдения с атомарным разрешением поверхностей с покрытиями А1 от 0 до 0,36 МС показали, что при адсорбции действуют три конкурирующих процесса: 1) замещение краевых адатомов Si па атомы А1, 2) замещение угловых адатомов Si на атомы А1 и 3) формирование кластеров. Замещение угловых адатомов происходит па протяжении всего процесса формирования массива (04-0,36 МС А1), замещение краевых адатомов наблюдается при малых покрытиях А1 (до 0,2 МС), а при увеличении покрытия А1 (0,06+0,36 МС) замещенные краевые атомы Si вовлекаются в процесс кластерообразовапия.

6. На поверхности Si(100) атомы In вместе с атомами Si формируют магические кластеры Sizing, которые при покрытиях In, ~0,5 МС, образуют суперрешетку Si(100)4x3-In. До 35% магических кластеров Si7In6 могут модифицироваться в Si5ln8, в результате чего электронные свойства кластеров меняются: в запрещенной зоне появляется дополнительная плотность электронных состояний.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Утас, Татьяна Валерьевна, 2006 год

1. Moore G.E. Gramming more components onto integrated circuits. // Electronics. -1965.-V. 38., N. 8.-4 p.

2. Лучинин В.В. Введение в индустрию наносистем. // Напо- и микросистемная техника. 2005. - N. 5. - С. 2-8.

3. Devoret М.Н., Glattli С. Single-electron transistors. // Physics World. 1998. -V. 9.- P. 11-13.

4. Devoret M.H., Esteve D., Urbina C. Single-electron transfer in metallic nanostructures. 11 Nature. 1992. - V. 360. - P. 547-549.

5. Schlier R.E., Farnsworth H.E. Structure and adsorption characteristics of clean surfaces of germanium and silicon. // J.Chem. Phys. 1959. - V. 30, N. 4 - P. 917-926.

6. Duke C.B. The amazing story of semiconductor surface structures. // Prog. Surf. Sci.- 1995. V. 50. - P. 31-43.

7. Lifshits V.G., Saranin A.A., Zotov A.V. Surface phases on silicon. Chichester: Wiley, 1994. -450 p.

8. Dgbrowski J., Miissig H.-J. Silicon surfaces and formation of interfaces. Singapore: World scientific, 2000. - 550p.

9. Лифшиц В.Г., Репинский С.М. Процессы на поверхности твердых тел. Владивосток: Дальпаука, 2003. - 723 с.

10. Kotlyar V.G., Zotov A.V., Saranin А.А., Kasyanova T.V., Cherevik M.A., Pisarenko I. V., and Lifshits V.G. Formation of the ordered array of AI magic clusters on Si(lll)7x7. // Phys.Rev.B 2002. - V. 66. - P. 165401-4.

11. Oura К., Lifshits V.G., Saranin A.A., Zotov A.V., Katayama M. Surface Science-An Introduction. Germany: Springer, 2003. - 440 p.

12. Park R.L., Madden H.H. Annealing changes on the (100) surface of palladium and their effect on CO adsorption. // Surf.Sci. 1968. - V. 11, N. 2. - P. 188-202.

13. Wood E.A. Vocabulary of surface crystallography. // J.Appl.Phys. 1964. V. 35, N. 4. - P. 1306 -1312.

14. Вудраф Д., Делчар Т. Современные методы исследования поверхности. Москва: Мир, 1989.- 568 р.

15. Уатсайдс Дою., Эйглер Д., Андерс Р. Нанотехиология в ближайшем десятилетии: прогноз направления исследований пер. с англ. - Москва: Мир, 2002 - 292 р.

16. Avouris P. Manipulation of matter at the atomic and molecular levels. 11 Acc. Chein. Res. 1995. - V. 28. - P. 95-102.

17. Eigler D.M., Schweizer E.K. Positioning single atoms with a scanning tunneling microscope. // Nature. 1990. - V. 344. - P. 524-526.

18. Crommie M.F., Lutz C.P., Eigler D.M. Imaging standing waves in a two-diinensional electron gas. // Nature. 1993. - V. 365. - P. 524-527. //(http://www.almaden.ibm.// com/vis/stm/corral.html#stml6)

19. Buffat Ph., Borel J.-P. Size effect on the melting temperature of Gold particles. // Phys. Rev. A 1976. - V. 13. - P. 2287-2298.

20. Eberhardt W. Clusters as new materials. // Surf. Sci. 2002. - V. 500. - P. 242-270.

21. Alferov Zh.I. Nobel Lecture: The double heterostructure concept and its applications in physics, electronics, and technology. // Rev. Mod. Phys. 2001. - V. 73. - P. 767780.

22. Knight W.D., Clemenger K., Walt A. de Heer, Saunders W.A., Chou M.Y., Cohen M.L. Electronic Shell Structure and Abundances of Sodium Clusters. // Phys. Rev. Lett. 1984. - V. 52. - P. 2141-2143.

23. Brack M. The physics of simple metal clusters: self-consistent jellium model and semiclassical approaches. // Rev. Mod. Phys. 1993. - V. 65. - P. 677-732.

24. Rosenfeld G., Becker A.F., Poelsema В., Verheij L.K., Comsa G. Magic clusters in two dimensions? // Phys. Rev. Lett. 1992. - V. 69. - P. 917-920.

25. Hakkinen H. and Manninen M. How "Magic" is a Magic Metal Cluster? // Phys. Rev. Lett. 1996. - V. 76. - P. 1599-1602.

26. Vitali L., Ramsey M.G., and Netzer F.P. Nanodot formation on the Si(lll)-(7x7) surface by adatorn trapping. 11 Phys. Rev: Lett. 1999. - V. 83. - P. 316-319.

27. Lai M.Y., Wang Y.L. Direct observation of two dimensional magic clusters. 11 Phys. Rev. Lett. 1998. - V. 81, N. 1. - P. 164-167.

28. Lai M.Y. and Wang Y.L. Self-organized two-dimensional lattice of magic clusters. 11 Phys. Rev. В 2001. - V. 64. - P. 241404-4.

29. Li J.L., Jia J.F., Liang X.J., Liu X., Wang J.Z., Xue Q.K., Li Z.Q., Tse J.S., Zhang Z., and Zhang S.B. Spontaneous assembly of perfectly ordered identical-size nanocluster arrays // Phys. Rev. Lett. 2002. - V. 88, N. 6, - P. 066101-4.

30. McEuen P.L. Artificial Atoms: New Boxes for Electrons. // Science, 1997. - V. 278. - P. 1729-1730.

31. Shchukin V.A. and Bimberg D. Spontaneous ordering of nanoclusteres on crystal surface. 11 Rev. Mod. Phys. 1999. - V. 71, N. 4, - P. 1125-1171.

32. Jia J., Wang J.-Zh., Liu X., Xue Q.-K. Artificial nanocluster crystal: Lattice of identical A1 clusters. // Appl. Phys. Lett. 2002. - V. 80, N. 17. - P. 3186-3188.

33. Andersen J.N., Nielsen H.B., Petersen L., Adams D.L. Oscillatory relaxation of the Al(110) surface. 11 J.Phys.C: Solid State Phys. 1984. - V. 17. - P. 173-192.

34. Wang Z.Q., Li Y.S., Jona F., Marcus P.M. Epitaxy growth of body-centered-cubuc nikel on iron. 11 Solid State Comm. 1987. - V. 61. - P. 623-629.

35. Sokolov J., Shih H.D., Bardi U., Jona F., Marcus P.M. Multilayer relaxation of body-centered-cubuc Fe(211). // J. Phys. C: Solid State Phys. 1984. - V. 17. -P. 371-383.

36. Abukawa T., Wei C.M., Yoshimura K., Kono S. Direct method of surface structure determination by patterson analysis of correlated thermal diffuse scattering for Si(001)-(2x1). // Phys. Rev. В 2000. - V. 62, N. 23. - P. 16069-16073.

37. Киттелъ Ч. Введение в физику твердого тела. // перев. Гусева А.А. М: "Наука", 1978. - 792 с.

38. Meade R.D., Vanderbilt D. Adatoms on Si(lll) and Ge(lll) surfaces. 11 Phys. Rev. В- 1989. V. 40, N. 6. P. 3905-3913.

39. Qian G.-X., Chadi D.J. Si(lll)-7 x 7 surface: Energy-minimization calculation for the dimer-adatom-stacking-fault model. // Phys. Rev. В 1987. - V. 35, N. 3. -P. 1288-1293.

40. Robinson I.K., Vlieg E. X-ray reflectivity study of the Si(lll)7x7 surface.//Surf. Sci.- 1992. V. 261. - P. 123-128.

41. Horio Y., Ichimiya A. Kinematical analysis of RHEED intensities from the Si(lll)7x7 structure. // Surf. Sci. 1989. - V. 219, N. 1-2. - P. 128-142.

42. Tong S.Y., Huang H., Wei C.M., Packard W.E., Men F.K., Glander G.S., Webb M.B. Low-energy electron diffraction analysis of the Si(lll)7 x 7 structure. 11 J. Vac. Sci. Technol. A 1988. - V. 6, N. 3, Pt. 1. - P. 615-624.

43. Schlier R.E., Farnsworth H.E. Structure and adsorbtion characteristics of clean surfaces of germanium and silicon. //J. Chem. Phys. 1959. - V. 30. - P. 917926.

44. Yokoyama Т., Takayanagi K. Anomalous flipping motions of buckled dirners on the Si(001) surface at 5K. // Phys. Rev. В 2000. - V. 61. - P. R5078-R5081.

45. Tersoff J., Pehlke E. Sinuous step instability on the Si(100) surface // Phys. Rev. Lett.- 1992. V. 68. - P. 816-819 .

46. Takayanagi K., Tanishiro Y., Takahashi S., Takahashi M. Structure analysis of Si(lll)7x7 reconstructed surface by transmission electron diffraction. // Surf. Sci.- 1985. V. 164. - P. 367-392.

47. Harrison W.A. Surface reconstructure on semiconductor. // Surf. Sci. 1976. -V. 55, N. 1. - P. 1-19.

48. Bennett P.A., Feldman L.C., Kuk Y., McRae E.G., Rowe J.E. Stacking-fault model for the Si(lll)(7x7) surface. // Phys. Rev. В 1983. - V. 28, N. 6. - P. 3656-3659.

49. Culbertson R.J., Feldman L.C., Silverman P.J. Atomic displacements in the Si(lll)(7x7) surface. // Phys. Rev. Lett. 1980. - V. 45, N. 25. - P. 2043-2046.

50. Tromp R.M., Van Loenen E.J., Iwami M., Saris F.W. On the structure of the laser irradiated Si(lll)(lxl) surface. 11 Sol. State Coininun. 1982. - V. 44, N. 6. -P. 971-974.

51. Binning G., Rohrer H., Gerber Ch., WeibelE. (7x7) reconstructure at Si(lll) resolved in real space. // Phys. Rev. Lett. 1983. - V. 50, N. 2. - P. 120-123.

52. Himpsel F.J. Structural model for Si(lll)(7x7). // Phys. Rev. В 1983. - V. 27, N. 12. - P. 7782-7785.

53. McRae E.G. Surface stacking sequence and (7x7) reconstruction at Si(lll) surface. 11 Phys. Rev. В 1983. - V. 28, N. 4. - P. 2305-2307.

54. Saranin A.A., Zotov A.V., Lifishits V.G., Numata Т., Kubo O., Tani H., Katayama M., Oura K. The role of Si atoms in In/Si(lll) surface phase formation. 11 Surf. Sci. 1998. - V. 398. - P. 60-69.

55. Zotov A. V., Saranin A.A., Kubo O., Harada Т., Katayama M., Oura K. Quantitative STM investigation of the phase formation in submonolayer In/Si(lll) system. 11 Appl. Surf. Sci. 2000. - V. 159-160. - P. 237-242.

56. Shibata A., Kirnura Y., Takayanagi K. On the restructed layer of the Si(lll)\/3x\/3-Ag structure studies by scanning tunneling microscopy. // Surf. Sci. 1992. - V. 275. - P. L697-L701 .

57. McComb D.W., Wolkow R.A., Hackett P.A. Defects on the Ag/Si(lll)-(v/3xv/3) surface. 11 Phys. Rev. В 1994. - V. 50, N. 24. - P. 18268-18274.

58. Saranin A.A, Zotov A.V., Lifshits V.G., Ryu J.-Т., Kubo O., Tani H., Harada Т., Katayama M., Oura K. Ag-induced structural transformations on Si(lll): quantitative investigation of the Si mass transport. // Surf. Sci. 1999. - V. 429. -P. 127-132.

59. Tromp R.M., Michely T. Atomic-layer titration of surface reaction. // Nature. -1995. V. 373. - P. 499-501 .

60. Zavodinsky V.G. First principles study of Al-Si nanosized cluster on Si(100)-(2xl). 11 Surf. Sci. 2002. - V. 516. - P. 203-206.

61. Zotov A.V., Saranin A.A., Ignatovich K.V., Lifshits V.G., Katayama M., Oura K. Si(100)4x3-In surface phase: identification of silicon substrate atom reconstruction. 11 Surf. Sci. 1997. - V. 391, N. 1-3. - P. L1188-L1194.

62. Zotov A. V., Saranin A.A., Lifshits V.G., Ryu J.-Т., Kubo O., Tani H., Katayama M., Oura K. Structural model for the Si(100)4x3-In surface phase. // Phys. Rev. В -1998. V. 57, N. 19. - P. 12492-12496.

63. Lander J. J., Morrison J. Surface reactions of silicon with aluminum and with indium. 11 Surf. Sci. 1964. - V. 2. - P. 553-565 .

64. Nishikata K., Murakami K., Yoshimura M., Kawazu A. Structural studies of Al/Si(lll) surfaces by LEED. // Surf. Sci. 1992. - V. 269/270. - P. 995-999.

65. Zotov A.V., Khramtsova E.A., Ryzhkov S.V., Saranin A. A., Chub А.В., Lifshits V.G. LEED-AES reexamination of the Al/Si(lll) "7-phase". // Surf. Sci. 1994. - V. 316, N. 1-2. - P. L1034-L1038.

66. Khramtsova E.A., Zotov A. V., Saranin A.A., Ryzhkov S.V., Chub А.В., Lifshits V.G. Growth of extra-thin ordered aluminum films on Si(lll) surface. // Appl. Surf. Sci. 1994. - V. 82/83, N. 1-4. - P. 576-582.

67. Michely Т., Reuter M.C., Tromp R.M. Al on Si(lll): Phase diagram and atomic mechanisms. 11 Phys. Rev. В 1996. - V. 53, N. 7. - P. 4105-4108.

68. Hamers R.J. Effects of coverage on the geometry and electronic structure of Al overlayers on Si(lll). 11 Phys. Rev. В 1989. - V. 40, N. 3. - P. 1657-1671.

69. Yoshimura M., Takaoka K., Yao Т., Sueyoshi Т., Sato Т., Iwatsuki M. Scanning tunneling microscopy observation of Al-induced reconstructions of the Si(lll) surface: Growth dynamics. // J. Vac. Sci. Technol. B. 1994. - V. 12, N. 4. - P. 2434-2436.

70. Groger R., von Blanckenhagen P. Phase transitions in ultrathin AI films on Si(lll) surfaces. 11 Thin Solid Films 1996. - V. 281-282, N. 1-4. - P. 73-75.

71. Groger R.M., Barczewski M.R. Ultrathin AI layers on Si(lll) and Si(100): structures and phase transitions. // Surf. Interface Anal. 2001. - V. 32. - P. 154-160 .

72. Yoshirnura M., Takaoka Т., Yao Т., Sato Т., Sueyoshi Т., Iwatsuki M. AI induced reconstructions on the Si(lll) surfaces studied by scanning tunneling microscopy. // Mat. Res. Soc. Syrnp. Proc. 1993. - V. 295. - P. 157-160.

73. Chelikowsky J.R. Electronic structure of AI chemisorbed on the Si(lll) surface. 11 Phys. Rev. B. 1977. - V. 16, N. 8. - P. 3618-3627.

74. Sugawara Y., Orisaka S., Morita S. Noncontact AFM imaging on Al-adsorbed Si(lll) surface with an empty orbital. // Appl. Surf. Sci. 2000. - V. 157, N. 4. - P. 239-243.

75. Hansson G. V., Bachrach R.Z., Bauer R.S., Chiaradia P. New models for metal-induced reconstructions on Si(lll). // Phys. Rev. Lett. 1981. - V. 46, N. 15. -P. 1033-1037.

76. Payne M.C., Teter M.P., Allan D.C., Arias T.A., Joannopoulos J.D. Iterative minimization techniques for ab initio total-energy calculations: molecular dynamics and conjugate gradients. // Rev. Mod. Phys. 1992. - V. 64, N. 4. - P. 1045-1097.

77. Ceperley D.M., Alder B.J. Ground State of the Electron Gas by a Stochastic. // Method Phys. Rev. Lett. 1980. - V. 45. - P. 566-569.

78. Perdew J., Zunger A. Self-interaction correction to density-functional approximations for many-electron systems // Phys. Rev. В 1981. - V. 23. - P. 5048-5079.

79. Натптпап D.R. Generalized norm-conserving pseudopotentials. // Phys. Rev. В -1989. V. 40. - P. 2980-2987.

80. Kleinman L., Bylander D.M. Efficacious form for model pseudopotentials. // Phys. Rev. Lett. 1982. - V. 48. - P. 1425-1428.

81. Fuchs M., Scheffler M. Ab initio pseudopotcntials for electronic structure calculations of poly-atomic systems using density-functional theory // Сотр. Phys. Commun. -1999.-V. 119.-P. 67-98.

82. Kotlyar V.G., Kasyanova T.V., Chukurov E.N., Zotov A.V., Saranin A.A. Atomic structure of the Si(lll)\/7x\/7-Al phase studied using STM and total-energy calculations. 11 Surf. Sci. 2003. - V. 545. - P. L779-L783.

83. Yoshimura M., Takaoka K., Yao T. Low-coverage, low-temperature phase of A1 overlayers on the Si (111)» — 7x7 structure observed by scanning tunneling microscopy. // Phys. Rev. В 1993. - V. 47, N. 20. - P. 13930-13932.

84. Jia J.-F., Liu X., Wang J.-Z., Li J.-L., Wang X.S., Xue Q.-K., Li Z.-Q., Zhang Z., Zhang S.B. Fabrication and structural analysis of Al, Ga, and In nanocluster crystals. 11 Phys. Rev. В 2002. - V. 66, N. 16. - P. 165412-10.

85. Ichinokawa Т., Itoh H., Schmid A., Winau D., Kirschner J. Reconstructed structures in metal/Si(100) surfaces at high temperature observed by scanning tunneling microscopy. // Vac. Sci. Technol. В 1994. - V. 12. - P. 2070-2073.

86. Shimizu N., Kitada IL, Ueda O. Cluster-ordered array on the Si(100) surface formed by Al deposition // Phys. Rev. В 1995. - V. 51, N. 8. - P.5550-5553.

87. Zhu C., Kawazu A., Misawa S., Tsukahara S. Adsorption of Al on Si(100) at high temperature. // Phys. Rev. В 1999. - V. 59, N. 15. - P. 9760-5763.

88. Kotlyar V.G., Saranin A.A., Zotov A.V., Lifshits V.G., Kubo O., Ohnishi H., Katayama M., Oura K. High-temperature interaction of Al with Si(100) surface at low Al coverages. // Surf. Sci. 2002. - V. 506, N. 1-2. - P. 80-86.

89. Зотов А.В., Саранин А.А. Введение в сканирующую туннельную микроскопию.-Учебное пособие. Владивосток: ИАПУ, 2002. - 62 с.

90. Baski A.A., Nogami J., Quate C.F. Indium-induced reconstructions of the Si(100) surface. // Phys. Rev. В 1991. - V. 43, N. 11. - P. 9316-9319.

91. Zotov A. V., Saranin A.A., Lifshits V.G., Ryu J.-Т., Kubo O., Tani H., Katayama M., Oura K. Structural model for the Si(100)4x3-In surface phase. // Phys. Rev. В -1998. V. 57, N. 19. - P. 12492-12496.

92. Bunk 0., Falkenberg G., Zeysing J.H., Johnson R.L., Nielsen M., Feidenhans'l R. Comment on "Structural model for the Si(001)4x3-In surface phase". // Phys. Rev. В- 1999. V. 60, N. 19. - P. 13905-13906.

93. Shimomura M., Nakamura Т., Kim K.-S., Abukawa Т., Tani J., Kono S. Structure of Si(001)-(4x3)-In surface studied by X-ray photoelectron diffraction. // Surf. Rev. Lett.- 1999. V. 6, N. 6. - P. 1097-1102.

94. Reese P.J.E., Miller Т., Chiang T.-C. Photoelectron holography of the In-terminated Si(001)-(4x3) surface. // Phys. Rev. В 2001. - V. 64, N. 23. - P. 233307-4.

95. Schmidt T.M., Castineira J.L.P., Miwa R.H. Solving the structural model for the Si(001)-In(4x3) surface. // Appl. Phys. Lett. 2001. - V. 79, N. 2. - P. 203-205.

96. Schmidt T.M., Castineira J.L.P., Miwa R.H. Si(001)/In-4x3 surface: a first principles total energy calculation. // Surf. Sci. 2001. - V. 482-485, N. 2. - P. 1468-1473.

97. Cotzomi-Paleta J., Cocoletzi G.H., Takeuchi N. First principles calculations of the adsorption of group III metals on Si(001) at high temperatures. // Surf. Rev. Lett. -2002. V. 9, N. 5-6. - P. 1641-1644.

98. Kubo O., Kobayashi Т., Yamaoka N., Saranin A.A., Zotov A.V., Ohnishi H., Katayama M., Oura K. Formation of Si(100)c(8x2) surface phase using H-induced self-organization and H extraction. 11 Phys. Rev. В 2001. - V. 64, N. 15. - P. 1534064.

99. Takeuchi N. First-principles calculations of the atomic structure of the In-induced Si(001)-(4x3) reconstruction. // Phys. Rev. В 2001. - V. 63, N. 24. - P. 245325-7.

100. Car R., Parrinello M. Unified Approach for Molecular Dynamics and Density-Functional Theory. 11 Phys. Rev. Lett. 1985. - V. 55. - P. 2471-2474.