| 1 |
1 января 2010 г.-31 декабря 2010 г. |
Особенности рассеяния рентгеновского и синхротронного излучений пористыми структурами |
| Результаты этапа: Методом электрохимическоготравления в режиме анодирования сформированы однослойные и многослойные пористые слои на подложках кремния и фосфида индия. В качестве контроля за параметрами слоев (толщины, пористости) в процессе их формирования был использован мониторинг временной зависимости величины протекающего заряда. Полученные образцы мезо- и нанопористых слоев были предварительно протестированы методом растровой электронной микроскопии. Установлено, что они имели как однородное, так и неоднородное распределение по глубине толщин слоев, формы, размеров и ориентации пор.
Проведена модернизация программного обеспечения автоматической системы управления трехкристальным рентгеновским спектрометром (ТРС) и созданы программы по формированию двумерного массива данных, получаемых при использовании линейного координатного детектора на станции Е2 (HASYLAB, DESY).
Методом дифрактометрии высокого разрешения на лабораторных и синхротронных источниках рентгеновского излучений выполнены эксперименты по изучению рассеяния от многомлойных пористых структур (МПС). Получены карты двумерного распределения интенсивности (Resiprocal Space Mapping) излучения вблизи узлов обратной решетки Si(111) и InP(004). В случае МПС Si(111) подслои формировались периодическим изменением тока при анодировании и имели толщины в несколько десятых долей микрона. Установлено, что не смотря на 50% пористость, суммарную толщину структуры 30мкм и значительную величину деформации 4*10-3 пористый кремний состоит в основном из когерентных кристаллитов. В рамках динамической теории дифракции предложена модель описания когерентного рассеяния от многослойной периодической пористой структуры. Показано, что наличие градиентных деформаций 5*10-4 и выше приводит к нарушению фазовых соотношений волн при рассеянии от пористых сверхрешеток. Этот механизм является определяющим по сравнению с пористостью и статическим фактором Дебая-Валлера при формировании сателлитов на кривой дифракционного отражения от сверхрешеток.
Многослойная пористая структура на основе InP состояла из 4-х пористых бислоев, микронной толщины. Структурные параметры подслоев варьировались за счет изменения режима (потенциостатический- гальваностатический) электрохимического травления.
Получены карты распределения интенсивности дифракционного рассеяния вблизи отражения 004 InP. Показано, что полное рассеяние имеет когерентную и диффузную компоненты. Впервые установлено, что в диффузном рассеянии от пористых систем возможно проявление динамических эффектов. На основе статистической динамической теории дифракции предложена модель рассеяния от таких систем. Произведена подгонка теоретических и экспериментальных карт дифракционного рассеяния. Определены структурные параметры подслоев, форма и расположение пор относительно кристаллографических направлений. Результаты рентгенодифракционных измерений подтверждены данными электронной микроскопии. Установлено, что поры сформированы в виде изогнутых цилиндров, в среднем вытянутых вдоль кристаллографического направления [111]. Показано, что величина легирования подложки сильно влияет на степень анизотропии пор.
Проведен анализ возможности применения метода рентгеновской дифрактометрии для исследования скрытых «buried» квантовых точек, являющихся аналогом пористых систем, но с менее выраженной локальной неоднородностью плотности. Показано, рентгенодифракционный метод позволяет восстановить размеры, форму и расстояния между квантовыми точками, а также их взаимную пространственную корреляцию.
|
| 2 |
1 января 2011 г.-31 декабря 2011 г. |
Особенности рассеяния рентгеновского и синхротронного излучений пористыми структурами |
| Результаты этапа: Методами высокоразрещающей дифрактометрии и рефлектометрии с использованием рентгеновского и синхротронного излучений, сканирующей электронной микроскопии и оптической спектрометрии были проведены комплексные исследования структуры и изучены оптические свойства модельных пористых структур на подложках кремния и фосфида индия: одиночных слоев и сверхрешеток (многослойных пористых брэгговских зеркал). Пористые структуры были сформированы на полупроводниковых подложках методом электрохимического травления в режиме анодирования. В рамках выполнения проекта получены следующие основные результаты:
-Развита технология анодирования полупроводниковых подложек на основе автоматизированного процесса электрохимического травления и управляемого от персонального компьютера через контроллер. С использованием автоматизированной системы сформированы модельные пористые слои и модулированные пористые структуры кремния Si(111) (Sb) с различной толщиной и периодом. Проведено тестирование полученных структур методом растровой электронной микроскопии и подтверждены вид пор (наклонные поры в виде ветвей), толщина структур, количество периодов.
-С использованием синхротронного излучения получены карты распределения интенсивности дифракционного рассеяния от модельных слоев пористого InP вблизи отражения 004, 008 с высоким угловым разрешением и хорошей статистикой. Слои содержали наклонные поры в направлении 111В. Показано, что полное рассеяние имеет когерентную и диффузную компоненты. На основе статистической динамической теории дифракции развита модель рассеяния. Впервые с малой дисперсией в рамках одной модели пор произведена одновременная подгонка теоретических и экспериментальных карт дифракционного рассеяния для 3 азимутальных положений образца. Определены структурные параметры подслоев, форма и расположение пор относительно кристаллографических направлений. Результаты рентгенодифракционных измерений подтверждены данными электронной микроскопии. Установлено, что поры сформированы в виде изогнутых цилиндров, вытянутых вдоль кристаллографического направления [111]В. Показано, что величина легирования подложки сильно влияет на степень анизотропии пор.
Развита абсорбционная методика определения средней плотности пористых слоев и многослойных структур пористого кремния на лабораторном источнике рентгеновского излучения в диапазоне 0.7-2 нм. Методика основана на регистрации кривых дифракционного отражения в симметричной и асимметричных геометриях Брэгга. Показано, что в случае симметричной брэгговской дифракции основным критерием использования методики является 1.5 кратное увеличение полуширины брэгговского максимума от подложки. Критерий основан на постоянстве величины экстинкции при небольших градиентах деформации по глубине.
Определены параметры структуры многослойных пористых брэгговских зеркалах (ПБЗ) кремния, с подслоями толщиной в несколько десятых долей микрона. Установлено, что на подложках Si(111) (Sb) возможно формирование ПБЗ с толщиной 40мкм, средней пористостью 50% и однородной деформацией 6Е-3. Показано, что пористый кремний состоит в основном из когерентных кристаллитов. Изучена стабильность структуры слоев ПК во времени.
Определены значения толщины, деформации и плотности для пористого кремния Si(111) (Sb) с толщинами слоев 5-30мкм. Измерены оптические спектры пропускания исследуемых структур в диапазоне 0.8-2.5 мкм и определены показатели преломления пористого слоя в диапазоне 1-1.3 мкм и 2-3 мкм. С использованием рентгенодифракционных данных плотности слоев показано наличие сильной дисперсионной зависимости показателя преломления в исследуемом диапазоне в рамках оптической модели эффективной среды.
На основе рентгенодифракционых данных установлено, что в слоях пористого кремния Si(111) (Sb), сформированных при токе 7ма/см2 и дополнительном освещении, возникают поры размером 3-15 нм. Показано, что при использовании таких структур в качестве мишени в спектрометре ионной подвижности при лазерном воздействии выход отрицательных ионов тринитротолуола оказывается на порядок выше, чем в случае многоступенчатой лазерной ионизации воздушной смеси.
|
| 3 |
1 января 2012 г.-31 декабря 2012 г. |
Особенности рассеяния рентгеновского и синхротронного излучений пористыми структурами |
| Результаты этапа: Выполнены всесторонние теоретические и экспериментальные исследования особенностей процессов рассеяния рентгеновского и синхротронного излучений на низкоразмерных пористых монокристаллических (НПМ) структурах. Представлены результаты измерений физических свойств полученных при выполнении проекта структур и предложены их возможные применения. Образцы НПМ структур для экспериментальных исследований в виде одиночных, многослойных структур и сверхрешеток (многослойных пористых брэгговских зеркал) были изготовлены методом электрохимического травления полупроводниковых подложек Si, InP, GaAs при различных технологических условиях. Развита технология анодирования полупроводниковых подложек на основе автоматизированного процесса электрохимического травления, управляемого от персонального компьютера через контроллер. Комплексные структурные исследования модельных образцов были выполнены методами высокоразрешающей рентгеновской многоосевой дифрактометрии, рефлектометрии с применением лабораторных рентгеновских и синхротронных источников излучения, и сканирующей электронной микроскопии.
Полученные структурные данные от тестовых НПМ образцов позволили предложить модель рассеяния брэгговской и диффузной компонент от таких объектов в рамках статистической динамической теории дифракции. Решение обратной задачи дифракции было проведено методом одновременного численного моделирования нескольких массивов экспериментальных данных: двумерных распределений интенсивности дифракционного рассеяния вблизи узла обратной решетки в зависимости от азимутального положения образца. Развитый в проекте теоретический подход позволил описать особенности рассеяния от пористых структур и восстановить искомые структурные параметры слоев (толщину, деформацию, статический фактор Дебая-Валлера, пористость, форму и ориентацию пор относительно кристаллографических направлений, их размер и корреляционную длину) и их дисперсию. Для осуществления расчетов разработаны новые алгоритмы и программы, включая схемы параллельных вычислений на суперкомпьютерах. В ходе выполнения проекта создана методика структурной диагностики многослойных пористых гетеросистем.
Проведение измерений интенсивности диффузного рассеяния от НПМ структур с высоким угловым разрешением в широком угловом диапазоне и хорошей статистикой позволило обнаружить, что кроме динамических эффектов при рассеянии вдоль сферы Эвальда существуют интерференционные эффекты, которые чувствительны как к форме, так и к напряжениям монокристаллического скелетона.
Для исследования физических свойств образцов были применены методы оптической спектроскопии, фотолюминесценции, ультрамягкой рентгеновской и фотоэлектронной спектроскопии. Для восстановления дисперсии оптических констант по спектрам пропускания предложена методика, основанная на математической обработке с учетом реальных геометрических и физических параметров нескольких спектров пропускания путем минимизации функционала хи^2. |
