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

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

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.

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

This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License