doi: 10.17586/2226-1494-2021-21-5-686-693


УДК 539.211, 538.971

Аномальный диффузионный профиль адатомов на экстремально широких террасах поверхности Si (111) 

Соловьева Е.О., Рогило Д.И., Щеглов Д.В., Латышев А.В.


Читать статью полностью 
Язык статьи - русский

Ссылка для цитирования:
Соловьева Е.О., Рогило Д.И., Щеглов Д.В., Латышев А.В. Аномальный диффузионный профиль адатомов на экстремально широких террасах поверхности Si(111) // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2021. Т. 21, № 5. С. 686–693. doi: 10.17586/2226-1494-2021-21-5-686-693


Аннотация
Предмет исследования. В работе экспериментально изучено распределение концентрации адатомов на экстремально широких террасах поверхности Si(111), сопоставимых по размерам с длиной диффузии адатомов. Метод. Экстремально широкие террасы созданы в процессе in situ экспериментов, проводимых методом сверхвысоковакуумной отражательной электронной микроскопии в условиях высокотемпературного отжига образцов Si(111) (более 1000 °C) с быстрым охлаждением до 750 °C для формирования доменов сверхструктуры 7 × 7. Детальный анализ морфологии поверхности террас выполнен методом ex situ атомно-силовой микроскопии в атмосферных условиях. Основные результаты. На основе изображений, полученных с помощью атомно-силового микроскопа, с высоким разрешением (1,2 нм/пиксел) сформированы панорамные топографические изображения террас. С использованием цифровой обработки панорамных изображений, экспериментально визуализировано распределение концентрации адатомов n. Для террасы, охлажденной от 1070 °С, в центре террасы n принимает минимальные значения около 0,13 БС (1 бислой (БС) = 1,56 × 1015 см−2), а вблизи ступени, ограничивающей террасу — возрастает до 0,14 БС. Такое радиальное распределение n(r) при 1070 °С соответствует коэффициенту диффузии адатомов D = 59 ± 12 мкм2/c. Обнаружено, что для террасы, охлажденной от 1090 °С, подход, который предполагает одинаковую длину диффузии адатомов по всей террасе, не описывает экспериментальное распределение n(r). Для его анализа использовано решение стационарного уравнения диффузии в предположении, что D не является константой. На основе численного решения получена зависимость D от экспериментально измеренных значений n. При 1090 °С в предположении, что время жизни адатомов не зависит от n, получено, что коэффициент диффузии адатомов уменьшается от 140 мкм2/c при n = 0,093 БС (в центральных областях террасы) до 5 мкм2/c при n = 0,118 БС (возле ступени). Практическая значимость. Результаты работы экспериментально демонстрируют, что управление концентрацией адатомов может быть использовано для существенного изменения диффузионных свойств адсорбционного слоя на поверхности кристалла.

Ключевые слова: кремний, поверхностная диффузия, адатом, атомно-силовая микроскопия, распределение концентрации

Благодарности. Исследования выполнены при поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (грант № 075-15-2020-797).

Список литературы
1. Misbah C., Pierre-Louis O., Saito Y. Crystal surfaces in and out of equilibrium: A modern view // Reviews of Modern Physics. 2010. V. 82. N 1. P. 981–1040. https://doi.org/10.1103/RevModPhys.82.981
2. Evans J.W., Thiel P.A., Bartelt M.C. Morphological evolution during epitaxial thin film growth: Formation of 2D islands and 3D mounds // Surface Science Reports. 2006. V. 61. N 1-2. P. 1–128. https://doi.org/10.1016/j.surfrep.2005.08.004
3. Латышев А.В., Асеев А.Л. Моноатомные ступени на поверхности кремния. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2006. 241 с.
4. Rogilo D.I., Fedina L.I., Kosolobov S.S., Ranguelov B.S., Latyshev A.V. Critical terrace width for two-dimensional nucleation during Si growth on Si(111)-(7×7) surface // Physical Review Letters. 2013. V. 111. N 3. P. 036105. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.111.036105
5. Takayanagi K., Tanishiro Y., Takahashi S., Takahashi M. Structure analysis of Si(111)-7×7 reconstructed surface by transmission electron difraction // Surface Science. 1985. V. 164. N 2-3. P. 367–392. https://doi.org/10.1016/0039-6028(85)90753-8
6. Lander J.J., Morrison J. Structures of clean surfaces of germanium and silicon. I // Journal of Applied Physics. 1963. V. 34. N 5. P. 1403–1410. https://doi.org/10.1063/1.1729590
7. Yang Y.-N., Williams E.D. High atom density in the “1×1” phase and origin of the metastable reconstructions on Si(111) // Physical Review Letters. 1994. V. 72. N 12. P. 1862–1865. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.72.1862
8. Ong W.J., Tok E.S. Real time dynamics of Si magic clusters mediating phase transformation: Si(111)-(1×1) to (7×7) reconstruction revisited // Surface Science. 2012. V. 606. N 13-14. P. 1037–1044. https://doi.org/10.1016/j.susc.2012.02.025
9. Nasimov D.A., Sheglov D.V., Rodyakina E.E., Kosolobov S.S., Fedina L.I., Teys S.A., Latyshev A.V. AFM and STM studies of quenched Si(111) surface // Physics of Low-Dimensional Structures. 2003. V. 3-4. P. 157–166.
10. Harrison W.A. Surface reconstruction on semiconductors // Surface Science. 1976. V. 55. N 1. P. 1–19. https://doi.org/10.1016/0039-6028(76)90372-1
11. Pang A.B., Man K.L., Altman M.S., Stasevich T.J., Szalma F., Einstein T.L. Step line tension and step morphological evolution on the Si(111)(1×1) surface // Physical Review B. 2008. V. 77. N 11. P. 115424. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.77.115424
12. Rogilo D.I., Rybin N.E., Fedina L.I., Latyshev A.V. Adatom concentration distribution on an extrawide Si(111) terrace during sublimation // Optoelectronics, Instrumentation and Data Processing. 2016. V. 52. N 5. P. 501–507. https://doi.org/10.3103/S8756699016050125
13. Sitnikov S., Kosolobov S., Latyshev A. Attachment–detachment limited kinetics on ultra-flat Si(111) surface under etching with molecular oxygen at elevated temperatures // Surface Science. 2015. V. 633. P. L1–L5. https://doi.org/10.1016/j.susc.2014.12.004
14. Fick A. On liquid diffusion // Journal of Membrane Science. 1995. V. 100. N 1. P. 33–38. https://doi.org/10.1016/0376-7388(94)00230-V
15. Meade R.D., Vanderbilt D. Adatoms on Si(111) and Ge(111) surfaces // Physical Review B. 1989. V. 40. N 6. P. 3905–3913. https://doi.org/10.1103/physrevb.40.3905


Creative Commons License

This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License
Информация 2001-2021 ©
Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики.
Все права защищены.

Яндекс.Метрика