Нанотехнологии в производстве изделий электронной техники

Процессы самосборки и самоорганизации

Самосборка
Саморегулирование является одной из наиболее общих закономерностей в природе. Оно осуществляется различными путями, но всегда с одной общей целью – обеспечить наибольшую устойчивость системы. В нанотехнологии практическое применение нашли самосборка (self-assembling) и самоорганизация (self-organization).

Самосборка
Самосборка (self-assembling) – это процесс адсорбции и формирования специфического расположения молекул на твердой поверхности. Ее движущей силой является хемо-сорбция, которая проявляется в высокоэнергетических реакциях между адсорбатом и адсорбирующей поверхностью. В отличие от сильного взаимодействия между адсорбируемой молекулой и поверхностью, взаимодействие между самими молекулами остается слабым.

Самосборка
Взаимодействие молекулы SH(CH2)n-1CH3 на поверхности Au(111)

Самосборка
На энергетической диаграмме взаимодействия молекулы SH(CH2)n-1CH3 с поверхностью золота (111) отчётливо видны два минимума, соответствующие процессам хемосорбция и физосорбции. Процесс физосорбции в основном обусловлен силами Ван-Дер-Ваальса, либо образованием водородной связи атомами водорода, когда атом водорода «распределяет» единственный электрон для образования двух связей с двумя соседними атомами (очень слабая связь, встречается в полимерных материалах), либо силами электростатического взаимодействия, когда подложка и адсорбирующаяся молекула обладают разными зарядами. Процесс хемосорбция приводит к образованию химической связи между молекулой и подложкой.

Самосборка
Наличие минимума, обусловленного физосорбцией, желательно для процесса самосборки, т.к. представляет возможность «правильно» сориентировать молекулу в пространстве. Причём величина Ерс должна быть сопоставима с температурой синтеза (kT). В противном случае молекула может быть «заблокирована» в этом локальном минимуме и процесс самосборки замедлится.

Самосборка
Пленки мономолекулярной толщины, сформировавшиеся по механизму самосборки, имеют очень низкую плотность дефектов, достаточно стабильны и отличаются механи-ческой прочностью. Их используют в качестве трафарета для литографических процессов. При этом нанометровое разрешение достигается путем использования зондов сканирующего туннельного или атомного силового микроскопа.

Самосборка
Молекулярные блоки должны содержать три основные функциональные группы: группу, прикрепляющую их к поверхности, промежуточную группу и поверхностную функциональную группу. Эти группы не являются взаимозаменяемыми.

Самосборка
Функции позиционирования и распознавания лучше реали-зуются при использовании органических групп. Комбинация различных по составу групп постоянно приводит к появлению новых форм самосборки.

Самосборка
Перед нанесением пленки кремниевую подложку очищают и пассивируют водородом в растворе HF. Затем ее оку-нают в раствор органосиланового мономера и высуши-вают, чтобы сформировать на ее поверхности пленку мономолекулярной толщины. Созданную мономолекуляр-ную пленку толщиной порядка 1 нм обрабатывают по требуемому рисунку низкоэнергетическими электронами, инжектируемыми с зонда сканирующего туннельного или атомного силового микроскопа.

Самосборка
Образец окунают в раствор с коллоидными частицами Pd, которые прикрепляются к необлученным областям пленки. Затем образец снова высушивают и помещают в ванну для электролитического осаждения никеля. Островки палладия на поверхности служат каталитическими центрами для осаждения никеля. За счет бокового роста никелевых островков на палладии промежутки между палладиевыми островками заполняются, и образующаяся толстая пленка никеля имеет сплошную бездефектную структуру.

Самосборка
Созданная профили-рованная металличе-ская пленка использу-ется в качестве маски при последующем тра-влении. Практически достижимое разреше-ние составляет 15 – 20 нм, хотя теорети-чески предельный минимальный размер элемента интеграль-ной микросхемы огра-ничивается размером используемых для самосборки молекул.

Самоорганизация в объемных материалах
Самоорганизация – это процесс, приводящий к определен-ному упорядоченному расположению взаимодействующих атомов в твердом теле, соответствующему минимуму потенциальной энергии данной атомной системы.
Спонтанная самоорганизация в объеме и на поверхности твердого тела является эффективным нанотехнологи-ческим средством создания квантовых шнуров и кванто-вых точек. Из числа таких процессов наиболее значимым и часто используемым является процесс спонтанной кри-сталлизации. Кристаллическое состояние вещества более устойчиво, чем аморфное, поэтому любая аморфная фаза имеет тенденцию к кристаллизации. Закономерности этого процесса определяются индивидуальными физико-химическими свойствами среды и внешними условиями. Главной характеристикой среды является ее температура.

Самоорганизация в объемных материалах
Процесс спонтанной кристаллизации
Образование кристаллических зародышей приводит к уменьшению энергии системы на величину
Δg = gam – gcr,
где gcr и gam – энергии кристаллической и аморфной фаз, соответственно, в расчете на единицу объема.
Понижению объемной энергии противостоит увеличение поверхностной энергии появляющихся зародышей. Появление зародышей с радиусом r и удельной поверхностной энергией σ* приводит к общему изменению свободной энергии системы на величину
ΔG = 4πr2σ* – 4/3πr3Δg,
которая немонотонно изменяется с изменением размера (радиуса) зародышей.

Самоорганизация в объемных материалах
rcr = 2σ*/Δg
Процесс спонтанной кристаллизации
Образование поверхности зародышей требует совершения работы над системой, в то время как формирование кри-сталлического объема зародышей освобождает энергию в системе. Изменение свободной энергии имеет максимум для кластера с критическим радиусом

Самоорганизация в объемных материалах
Процесс спонтанной кристаллизации
Зарождение кристаллических кластеров с радиусом меньше и больше критического требует меньшего измене-ния свободной энергии, чем для кластера критического размера, и система в таких условиях оказывается неста-бильной. На процессы зародышеобразования могут ока-зывать существенное влияние примеси, адсорбирующиеся на поверхности образующихся частиц. Понижение поверх-ностной энергии, обусловленное адсорбцией, существенно влияет на критический размер зародыша. Это влияние может быть использовано для направленного воздействия на зародышеобразование при соответствующем подборе адсорбирующихся компонентов.

Самоорганизация в объемных материалах
Процесс спонтанной кристаллизации
Зародыши с критическим размером имеют благоприятные энергетические условия для последующего роста. Ско-рость образования кристаллитов vn пропорциональна концентрации зародышей с критическим размером и скорости их роста:
vn ~ exp(–ΔGcr/kBT)exp(–Ea/kBT),
где ΔGcr – изменение свободной энергии системы при обра-зовании критического зародыша, kB – постоянная Больц-мана, T – абсолютная температура. Член exp(–Ea/kBT) –вклад диффузии атомов в зарождение и последующий рост зародышей. Он характеризуется энергией активации Ea.

Самоорганизация в объемных материалах
Процесс спонтанной кристаллизации
Поскольку ΔGcr обратно пропорционально T2, скорость образования кристаллитов изменяется как–1/T3 в экспоненциальном множителе. Зарождение каждой определенной кристаллической фазы происходит в узком температурном интервале, ниже которого ничего не происходит, а выше процессы образования и распада зародышей протекают чрезвычайно быстро, не предоставляя возможности для роста даже зародышам с критическими размерами.
Спонтанная кристаллизация широко используется для создания структур с квантовыми точками без использо-вания литографических методов. Этим методом форми-руют нанокристаллы в неорганических и органических материалах.

Самоорганизация в объемных материалах
Золь-гель метод
Золь-гель-технология – метод создания нанокристаллитов в неорганических материалах. Раствор коллоидных частиц размером 1 – 100 нм в жидкости называют золем (sol). Гель (gel) – это сеть жестко связанных полимерных цепочек длиной до нескольких микрометров, представляющих про-межуточное между жидким и твердым состояние. Золь-гель процесс включает стадии получения золя и последующий перевод его в гель посредством химических превращений в жидкой коллоидной системе, что приводит к образованию сетки или каркаса и придает ей определенные свойства твердого тела. Пленкообразующая жидкая композиция наносится на поверхность подложки и при термообработке в процессе золь-гель превращений переходит в твердое состояние, где возможно заметное уплотнение геля и изменение его структуры. При высушивании гель превращается в твердое тонкопористое тело (ксерогель) с конденсационно-кристаллизационной структурой.

Самоорганизация в объемных материалах
Золь-гель метод

Самоорганизация в объемных материалах
В случае кластерного осаждения (cluster deposition) для формирования исходной пленочной композиции, сос-тоящей из атомов/молекул полупроводника и диэлектрика, используется обычное химическое осаждение, электрон-но-лучевое или лазерное испарение, магнетронное распы-ление. Нанокристаллиты полупроводника зарождаются непосредственно в процессе нанесения пленки, если температура подложки поддерживается достаточно высо-кой для инициирования кристаллизации. Последующая термообработка нанесенной пленки при более высокой температуре обычно ставит своей целью увеличение размеров зародившихся кристаллитов или в случае слоистой структуры используется для коалесценции малых кристаллитов и образования сплошного слоя.
Кластерное осаждение

Самоорганизация в объемных материалах
С помощью ионной имплантации (ion implantation) осуществляется внедрение ионов какого-либо вещества в пленку полупроводника или диэлектрика. Имплантированные атомы неравномерно распределены по толщине пленки – их концентрация максимальна на глубине в соответствии с проецированным пробегом ионов с выбранной энергией. Последующая термообработка приводит к формированию кристаллитов требуемого размера. Применение ионной имплантации обеспечивает создание квантовых точек в виде нанокристаллитов и квантовых пленок в виде наноразмерных слоев.
Ионная имплантация

Самоорганизация в объемных материалах
Нанокристаллиты полупроводников AIIBVI, а также Au, Ag и Pt могут быть выращены и в коллоидных растворах. Часто блокируют быструю агломерацию коллоидных частиц, для чего в жидкие органические растворы солей металла и галогеносодержащих соединений добавляют стабилизи-рующий агент. Объединение коллоидных частиц приводит к образованию нанокристаллитов, размер которых (1 до 100 нм) определяется температурой, скоростью перемеши-вания реагентов и концентрацией стабилизатора. Коллоид-ные кластеры могут долго существовать в жидкой фазе, не осаждаясь и не коагулируя, благодаря слабым межкла-стерным взаимодействиям, зарядовому отталкиванию и пассивации поверхности.
Реакция получения кластеров коллоидного золя золота: 2HAuCl4 + 3H2O2 → 2Au + 2HCl + 3O2
Получение нанокристаллитов полупроводников AIIBVI, а также Au, Ag и Pt в коллоидных растворах

Самоорганизация в объемных материалах
По отношению к жидкой фазе коллоидные кластеры могут быть разделены на две группы: гидрофильные и гидрофо-бные. Гидрофильные кластеры могут сорбировать на своей поверхности молекулы окружающей среды и образо-вывать с ними прочные сольватные комплексы, то есть кластеры этого типа окружены оболочкой. Гидрофобные кластеры не адсорбируют на своей поверхности молекулы растворителя. Однако их поверхность можно модифициро-вать ионами из раствора, при этом она приобретает поло-жительный или отрицательный заряд.
Получение нанокристаллитов полупроводников AIIBVI, а также Au, Ag и Pt в коллоидных растворах

Самоорганизация в объемных материалах
Твердотельные кластеры формируются в результате различных превращений в твердой фазе: в ходе твердо-тельных химических реакций, в результате спекания, под действием фотохимических реакций, в процессе перехода аморфной фазы в кристаллическую, в ходе механо-химических реакций. Многие химические реакции в твердом теле, например реакции разложения солей и комплексов металлов, сопровождаются образованием зародышей металлов или оксидов металлов с последующим их ростом за счет спекания.
Реакция термического разложения оксилата железа:
Fe2(C2O4)3 • 5H2O → Fe2O3 + 3CO2 + 3CO + 5H2O
Твердотельные химические реакции

Самоорганизация в объемных материалах
Гидротермальный и сольвотермальный синтез
Из-за высокой растворимости большого количества неорга-нических веществ в воде при повышенных температуре и давлении возможна кристаллизация растворенного мате-риала из жидкой фазы. Высокая температура воды играет важную роль в трансформации материала прекурсора, пос-кольку при этом создается повышенное давление паров, а сама структура воды отличается от таковой при комнатной температуре. К тому же при высокой температуре изменя-ются свойства самих реагентов (растворимость, скорости диффузии, реакционная способность). Контроль давления паров, температуры и времени реакции предоставляет широкие возможности для синтеза высококачественных наночастиц и нанотрубок. В ходе процесса эти параметры могут варьироваться для достижения максимально высокой скорости спонтанного зародышеобразования и узкого распределения наночастиц по размерам.

Самоорганизация в объемных материалах
Гидротермальный и сольвотермальный синтез
Выбор растворителя не ограничивается лишь водой, а включает и другие полярные и неполярные растворители, такие, как толуол, бензол, спирт и т. д . Практически метод реализуется нагревом смеси реагентов в подходящем растворителе в автоклаве. Гидротермальный синтез проводится, как правило, при температурах 100-370 °С (критическая точка воды: 374,2 °С при 21,4 МПа). В случае использования высококипящих растворителей температура синтеза может достигать 600 °С. При более высоких температурах реализуют синтез в сверхкритических условиях.

Самоорганизация в объемных материалах
Гидротермальный и сольвотермальный синтез
Фазовая диаграмма воды

Методы сольвотермального синтеза и синтеза в сверхкритических условиях позволяют получать самые разные типы наноструктур, начиная от простых веществ (Ge, Si), оксидов и халькогенидов, таких, как SiO2, ТiO2, ZnO, PbS, ZnS, CdS и заканчивая сложными соединениями (SrFe12019, LaMnO3 и т.д.) и сложными нанострктурами (цеолиты, мезопористый диоксид кремния и диоксид титана). Нанокристаллы, полученные этим методом, обычно хорошо закристаллизованы, но имеют широкое распределение по размерам.
Самоорганизация в объемных материалах
Гидротермальный и сольвотермальный синтез

Самоорганизация в объемных материалах
Получение наностуктур TiO2: наночастицы
Гидротермальный и сольвотермальный синтез

Самоорганизация в объемных материалах
Получение наностуктур TiO2: наношнуры
Гидротермальный и сольвотермальный синтез

Самоорганизация в объемных материалах
Получение наностуктур TiO2: наношнуры
Гидротермальный и сольвотермальный синтез

Самоорганизация в объемных материалах
Получение наностуктур TiO2: нанотрубки
Гидротермальный и сольвотермальный синтез

Самоорганизация в объемных материалах
При механохимических способах получения наноклас-теров используются шаровые и планетарные мельницы. Это позволяет не только измельчать массивное вещество, но также создавать новые химически активные поверхности, что приводит к возникновению новых соединений. Тек механохимический подход позволяет получать новые сплавы и интерметаллиды металлов, в частности при гораздо более низких температурах, чем при обычном плавлении.
Механохимический синтез

Самоорганизация при эпитаксии
При осаждении одного материала на подложку из другого мате-риала возможно три варианта формирования поверхностных структур: послойный рост сплошной пленки (двумерный рост) в режиме, называемом модой Франка–Ван-дер-Мерве (Frank-Van der Merwe), образование и рост островков (трехмерный рост) – мода Волмера‑Вебера (Volmer-Weber), и комбинированный режим – мода Странского‑Крастанова (Stranski-Krastanov), когда изначально пленка растет послойно, а затем трансформируется в островковую структуру.

Самоорганизация при эпитаксии
Послойное формирование рост пленок по механизму Франка–Ван-дер-Мерве имеет место, когда атомы мате-риала пленки образуют более сильные связи с подложкой, чем друг с другом. Поэтому, пока не завершается форми-рование одного слоя, полностью покрывающего поверх-ность подложки, не начинается рост следующего слоя. Формирование пленок островкового типа по механизму Волмера‑Вебера происходит, когда атомы материала пленки сильнее связаны между собой, чем с подложкой.
В режиме Странского‑Крастанова сочетаются послойный и островковый рост.
Режим (мода) формирования эпитаксиальных поверхност-ных структур определяется соотношением поверхностной энергии и энергии границы раздела материалов пленки и подложки, а также рассогласованием параметров их кри-сталлических решеток.

Самоорганизация при эпитаксии
gsv > gfs + gfv gsv < gfs + gfv gsv ≈ gfs + gfv
gsv – поверхностная энергия подложки
gfv – поверхностная энергия пленки;
gfs – энергия на границе раздела подложка/плёнка.
Eadh – энергия адгезии Eadh = gfv+ gsv- gfs
Eadh = 2 gfv (смачивание) Eadh<< 2 gfv (отсутствие смачивания)

Самоорганизация при эпитаксии
Все вышеприведенные энергетические аргументы справедливы для равновесного состояния системы. Формирование же эпитаксиальных пленок происходит в условиях, отличающихся от равновесных, что затрудняет их анализ и интерпретацию по энергетическим критериям. Кинетические эффекты, контролируемые температурой подложки и скоростью осаждения материала, существенно влияют на режим формирования поверхностных структур. Однако, энергетические соображения полезны для многих практических случаев, поскольку могут предсказывать поведение различных систем в равновесных и квазиравновесных условиях. Также не учитываются эффекты смешивания различных материалов.

Самоорганизация при эпитаксии
Если сумма поверхностной энергии эпитаксиальной пленки и энергии границы раздела меньше, чем поверхностная энергия подложки, (осаждаемый материал смачивает под-ложку), имеет место послойный рост пленки в режиме Франка–Ван-дер-Мерве. При этом формируются однород-ные псевдоморфные и напряженные сверхрешетки. Этот режим пригоден также для создания самоорганизующихся квантовых шнуров на вицинальных поверхностях кристал-лов. Вицинальными (vicinal) называют поверхности, которые не являются равновесными для данного кристалла. Обычно это поверхности, слегка разориенти-рованные относительно основных низкоиндексных плоскостей кристалла – на практике чаще всего исполь-зуют разориентацию относительно (001) и (311) плоскостей.

Самоорганизация при эпитаксии
Формирование наноструктур на вицинальной поверхности
режим Франка Ван-дер-Мерве

Самоорганизация при эпитаксии
Формирование наноструктур на вицинальной поверхности Подготовленная вицинальная поверхность состоит из эквидис-тантно расположенных террас, плоскость которых совпадает с одной из низкоиндексных плоскостей кристалла. Высота каждой террасы – один моноатомный слой. Создание квантовых шнуров начинают с нанесения материала, из которого будет формиро-ваться шнур. Температуру подложки выбирают, чтобы обеспе-чить достаточную диффузионную подвижность атомов наноси-мого материала на поверхности подложки. Осажденным атомам энергетически более выгодно прикрепляться к ступеньке тер-расы. Количество наносимого материала на много меньше сплошного моноатомного слоя. Это необходимо для того, чтобы оставить место на террасе для заполнения материалом подложки, что и делается после прекращения подачи материала шнура. Нанесение материала подложки продолжают до полного восстановления террас, которые при этом становятся на один моноатомный слой толще. Нанесение материала шнура, а затем подложки повторяют несколько раз, обеспечивая, таким образом, создание квантового шнура, встроенного в подложку.

Самоорганизация при эпитаксии
Формирование островковых наноструктур по механизму Странского-Крастанова (2D→3D переход)
Однородные напряженные эпитаксиальные пленки начинают расти послойно, даже когда имеется рассогласование решеток наносимого материала и подложки. Накопление энергии в напря-женном состоянии по мере увеличения толщины пленки ведет к образованию островков, что понижает общую энергию в системе – режим Странского‑Крастанова. Переход от двумерного послой-ного роста сплошной пленки к трехмерному росту островков (2D→3D переход) имеет место, когда межатомные расстояния в кристаллической решетке осаждаемого материала больше, чем в решетке подложки. Островковая структура энергетически более благоприятна для релаксации напряжений, нежели слоистая. Релаксация напряжений в двумерном слое происходит только в направлении, перпендикулярном плоскости этого слоя. В островке напряжения имеют возможность релаксировать как в самом островке, так и вокруг него.

Самоорганизация при эпитаксии
Формирование островковых наноструктур по механизму Странского-Крастанова (2D→3D переход)
Этап А : формирование двумерной эпитаксиальной пленки
Этап В : 2D→3D-переход
Этап С : Дальнейший рост островков по механизму дозревания
Энергетический барьер Ea

Самоорганизация при эпитаксии
Формирование островковых наноструктур по механизму Странского-Крастанова (2D→3D переход)
На начальном этапе A послойным ростом формируется двумерная эпитаксиальная пленка. Поверхность подложки идеально смочена наносимым материалом. Упругие напряжения линейно возрастают с увеличением объема нанесенного материала. В момент времени tcw смачивающий слой достигает критической толщины, когда послойный рост становится метастабильным. При дальнейшем поступлении материала создаются сверхкритические условия, в которых все еще сплошной эпитаксиальный слой готов к разрыву и переходу в режим роста трехмерных островков по механизму Странского‑Крастанова. Временной диапазон существования метастабильного состояния определяется энергетическим барьером для этого перехода Ea.

Самоорганизация при эпитаксии
Формирование островковых наноструктур по механизму Странского-Крастанова (2D→3D переход)
Этап B, представляющий 2D→3D-переход (фрагментация сверх-критического смачивающего слоя), начинается, когда накоплен-ной упругой энергии становится достаточно для преодоления энергетического барьера этого перехода в момент времени X. 2D→3D-переход может продолжаться без дальнейшего поступле-ния материала, используя материал, запасенный в сверхкрити-ческом смачивающем слое. Существуют две стадии – зарожде-ние островков и их последующий рост. Флуктуации толщины пленки или напряжений по поверхности подложки приводят к зарождению островков в определенных местах. Толщина смачи-вающего слоя, при которой начинается спонтанное зарождение островков, зависит от рассогласования параметров решеток ма-териалов, от наносимого материала и от анизотропии свойств подложки. Для контролируемого расположения островков подло-жку подвергают предварительной обработке для создания на ее поверхности неоднородностей, служащих центрами зарождения.

Самоорганизация при эпитаксии
Формирование островковых наноструктур по механизму Странского-Крастанова (2D→3D переход)
Дальнейший рост островков в пределах этапа C происходит по механизму дозревания. Система уже растратила большую часть энергии, запасенной в упругих напряжениях. Разность в свободной энергии между большими и маленькими островками приводит к медленному росту больших островков за счет поглощения маленьких. Этот процесс контролируется поверхностной диффузией.

Самоорганизация при эпитаксии
Формирование островковых наноструктур по механизму Странского-Крастанова (2D→3D переход)
Этап В
Образование первого сверх-критического зародыша при-водит к фрагментации всего смачивающего слоя. Повер-хность островка благопри-ятна для понижения напря-жений, максимальная вели-чина которых – у границы с подложкой. Благодаря рела-ксации напряжений в объе-ме островка, на поверхности они минимальны. Островок имеет монокристалличес-кую напряженную бездис-локационную структуру.

Самоорганизация при эпитаксии
Формирование островковых наноструктур по механизму Странского-Крастанова (2D→3D переход)
Этап В
Последующий рост остров-ков стимулируется избыт-ком материала в сверхкри-тическом смачивающем слое, предшествовавшем фрагментации. Он имеет скорости, которые в десятки раз большими обычных скоростей роста при данной температуре. Обычно остро-вки приобретают пирами-дальную форму с {113}, {105} или {110} гранями или форму усеченных пирамид.

Самоорганизация при эпитаксии
Формирование островковых наноструктур по механизму Странского-Крастанова

Самоорганизация при эпитаксии
Формирование островковых наноструктур по механизму Странского-Крастанова
Разработано несколько методов для задания мест зарождения островков, использующих эпитаксиальное осаждение в окна маски, созданной электронно‑лучевой или зондовой литогра-фией. Сначала равномерно наносится материал в виде кванто-вых точек с острия вольфрамового зонда на поверхность GaAs подложки. Нанесенный материал должен быть стабилен в парах мышьяка при температурах до 610 °C, поскольку он действует в качестве наномаски при последующем эпитаксиальном осажде-нии GaAs. На начальных этапах эпитаксии GaAs сформирован-ные ранее наноостровки остаются непокрытыми, однако при уве-личении толщины осажденного GaAs они постепенно закрываю-тся за счет бокового роста над островком. Над островками обра-зуются пирамидальные впадины. Затем проводят эпитаксиаль-ное осаждение InAs. Зарождение и рост самоорганизующихся островков InAs происходит только в этих впадинах.

Самоорганизация при эпитаксии
Формирование островковых наноструктур по механизму Странского-Крастанова
Повторение операций нанесения GaAs и InAs позволяет созда-вать многослойные структуры с квантовыми точками из InAs, встроенными в GaAs. Причем квантовые точки в них распола-гаются строго друг над другом в местах, обозначенных предва-рительным нанесением маскирующего материала с зонда.
Несмотря на то, что детали механизма, контролирующего образование наноразмерных островков, остаются объектом исследования, метод эпитаксиального осаждении материалов в режиме Странского‑Крастанова находит применение для массового производства структур с квантовыми точками, нано- и оптоэлектронных приборов на их основе.

Самоорганизация при эпитаксии
Формирование островковых наноструктур по механизму Волмера-Вебера
При формировании поверхностных структур в режиме Волмера‑Вебера островки из осаждаемого материала образуются на поверхности подложки уже с момента зарождения. Зародыши могут иметь куполообразную, дискообразную или полиэдрическую форму в зависимости от свойств осаждаемого материала и материала подложки.

Самоорганизация при эпитаксии
Формирование островковых наноструктур по механизму Волмера-Вебера
Свободная энергия образования куполообразного зародыша с радиусом кривизны r
Критический радиус зародыша
σmx = γfv поверхностная энергия пленки
σxs = γsv поверхностная энергия подложки
σms = γfs энергия на границе раздела подложка/плёнка

Самоорганизация при эпитаксии
Формирование островковых наноструктур по механизму Волмера-Вебера
Свободная энергия образования дискообразных зародышей высотой b и радиусом r
= γfv + γsv - γfv
– свободная краевая энергия
– критический радиус зародыша

Самоорганизация при эпитаксии
Формирование островковых наноструктур по механизму Волмера-Вебера
Свободная энергия образования полиэдрических островков в форме гексагональных призм с высотой c и ребром a

Формирование пленок Лэнгмюра-Блоджетт
Термины пленки Лэнгмюра-Блоджетт (Langmuir-Blodgett films) и LB-пленки обозначают мономолекулярные или многослойные пленки, перенесенные с границы раздела вода/воздух (в общем случае жидкость/воздух) на твердую подложку. По своим движущим силам процесс формирова-ния таких пленок подчиняется закономерностям само-сборки. Молекулярная пленка на границе раздела вода/воздух называется Лэнгмюровской пленкой (Langmuir film). Метод физического осаждения LB‑пленок при погружении (или подъеме) в жидкость, на поверхности которой находится органическая пленка, называется LB-осаждением. В качестве жидкой среды чаще всего используется деионизованная вода, но могут применяться и другие жидкости, например, глицерин и ртуть.

Формирование пленок Лэнгмюра-Блоджетт
Вещества, мономолекулярные слои которых переносятся LB-методом и взаимодействуют с водой (растворяются в воде), смачиваются водой или набухают, называются гидрофильными (hydrophilic). Вещества, которые не взаимодействуют с водой (не растворяются), не смачи-ваются водой и не набухают, называются гидрофобными (hydrophobic). Существуют и амфифильные (amphiphile) вещества, которые растворяется и в воде, и в жирах. Один конец молекул этих веществ является гидрофильным и поэтому оказывается предпочтительно погруженным в воду, а другой конец является гидрофобным и поэтому находится в воздухе.

Формирование пленок Лэнгмюра-Блоджетт
Уникальным свойством LB-пленок является возможность формирования упорядоченной структуры на твердой поверхности из некристаллического материала. В боль-шинстве случаев используются подложки с гидрофильной поверхностью, когда молекулы переносятся в стянутом виде. Можно использовать такие материалы, как стекло, кварц, алюминий, хром, олово (последние в окисленном виде, например, Аl2О3/Аl), золото, серебро и полупро-водниковые материалы (кремний, арсенид галлия и др.).

Формирование пленок Лэнгмюра-Блоджетт

Формирование пленок Лэнгмюра-Блоджетт
Когда подложка двигается через молекулярный слой на границе вода/воздух, этот слой может быть перенесен на нее в процессе извлечения (подъема вверх) или погружения (опускания вниз) данной подложки. Мономолекулярный слой обычно переносится в процессе извлечения подложки, если ее поверхность гидрофильная. Если же поверхность подложки гидрофобная, мономолекулярный слой можно будет перенести в процессе погружения, так как гидрофобные алкильные цепочки взаимодействуют с поверхностью. Если процесс осаждения начинается с гидрофильной подложки, она становится гидрофобной после осаждения первого молекулярного слоя, и таким образом второй слой будет перенесен при погружении.

Формирование пленок Лэнгмюра-Блоджетт

Формирование пленок Лэнгмюра-Блоджетт
А – ванна, обычно изготавливаемая из тефлона
Б – движущийся барьер, позволяющий оказывать контролируемое давление на мономолекулярный слой вещества, находящийся на поверхности жидкости (воды)
В – мотор, который двигает барьер
Г – измерительный прибор, контролирующий давление на поверхности жидкости
Д – балансирующее устройство
Е – мотор с редуктором (коробкой скоростей)
Ж – твердая подложка