Упругие искажения по периферии кластера и в прилегающей области подложки возрастают с увеличением его размеров, что изменяет закономерности присоединения адатомов к кластеру[, , ].

Рисунок 1. Схема формирования 3D островков в системе Ge/Si.

Рис.1 схематично показывает основные этапы образования ансамбля напряженных островков. В начальном состоянии (а) на поверхности имеется пересыщенный адсорбат, но теперь он образовался на поверхности подстилающего (смачивающего) слоя напыляемого материала (Ge). Зарождение 3D - "hut"-кластеров (позиция (б)) обусловлено релаксацией упругих деформаций. Далее (позиция (в)) появляются две выделенные формы: "hut" и "dome". Энергетическая выгодность первой и второй форм зависит от их объема, но возможно их сосуществование. Возможен переток атомов к более энергетически выгодной форме (позиция (г, но: нет непрерывного распределения по размерам, а наблюдается бимодальность в распределении); в работе [] наблюдался обратный пере ход от "dome" к "hut". Возможно квазиравновесное состояние системы, когда размеры и форма кластеров практически не изменяются во времени при отсутствии внешнего потока (позиция (д)). Вероятность стабильного состояния ансамбля островков возрастает с увеличением анизотропии поверхностной энергии (ее возрастанием на фасеточных гранях островков). При определенных условиях (близкое расположение островков) теоретически обосновано взаимодействие кластеров через перекрывающиеся поля упругих деформаций в подложке [,], что может способствовать упорядочению пространственного распределения островков на поверхности.

Рост и особенности упорядочения ансамблей Ge нанокластеров. Поверхность кремния (100)

Из-за взаимодействия оборванных связей, атомы в приповерхностной области стремятся перестроиться в более энергетически выгодные положения, образуя на поверхности двумерную периодическую структуру. С помощью метода ДМЭ Шлиер и Фарнсворт [] впервые наблюдали реконструированную поверхность Si(100), имеющую элементарную ячейку 2x1 и домены двух типов, ориентированные вдоль направлений [011] и [0-11]. Атомы идеальной поверхности (100) имеют две ненасыщенные связи, одна из двух оборванных связей поверхностного атома вместе с соответствующей связью соседнего атома образует новую димерную связь. Соседние атомы притягиваются друг к другу образуя пары, что ведет к удвоению элементарной ячейки в направлении перпендикулярном рядам димеров. СТМ изображение чистой поверхности представлено на рисунке 2.

Обычно, поверхность имеет две чередующиеся реконструированные фазы, повернутые на 900 относительно друг друга (см. рис.2), т.е. на поверхности присутствуют два вида террас – SA и SB, с димерными рядами перпендикулярно и параллельно ступени соответственно. Поверхность может состоять так же из террас только одного вида, при этом ступени между ними имеют высоту два монослоя. В работе авторы рассчитали из какого типа террас состоит поверхность Si(100) в зависимости от угла разориентации и температуры образца.

Рисунок 2. Изображение структуры ступени вицинальной поверхности Si(100)

Из-за такой реконструкции поверхности, поверхностная диффузия становится анизотропной. Адатомы "бегают" вдоль димерных рядов значительно быстрее, чем поперек. При малых скоростях осаждения Ge и достаточной температуре, анизотропия поверхностной диффузии приводит к тому, что островки имеют вытянутую форму.

Морфологические перестройки

а

а

В гетеросистемах Ge-Si экспериментально наблюдают несколько стадий эволюции островков в процессе увеличения эффективной толщины пленки. Эти стадии различны для подложек с ориентацией поверхности (001) и (111). С точки зрения создания квантовых объектов поверхность (001) является уникальной, потому что только на ней были обнаружены компактные трехмерные бездислокационные островки размером 10 - 100 нм. Появление таких островков наблюдается после образования сплошной пленки Ge. Начало образования 3D кластеров сопровождается возникновением на картинах дифракции быстрых электронов (ДБЭ) объемных рефлексов и отходящих от них тяжей, сформированных рассеянием электронов на гранях {105}. Благодаря своей форме такие островки получили название "hut" - кластеры []. На рис.3 представлено изображение "hut" кластера полученное Lagally [] с помощью туннельной микроскопии.

Рисунок 3. СТМ изображение простого "hut" островка, полученного напылением чистого Ge на Si(100). Высота островка ~3 нм, основание 20 и 40 нм. Плоскости огранки островка имеют направление {105}.

С ростом средней толщины пленки в дополнение к граням {105} картины ДБЭ показывают появление граней {113} и {102}. Эта стадия роста характеризуется как формирование "dome" - кластеров, рис.4. Переход от "hut" - кластеров размером в основании 15 - 20 нм к "dome" - кластерам (средние размеры 50 - 100 нм) сопровождается увеличением степени релаксации механических напряжений. По данным Floro et al. материал в кластерах типа "hut" упруго релаксирован в среднем на 20%, тогда как в островках типа "dome" из-за большего отношения высоты к основанию релаксация составляет более чем 50%, при этом островки остаются по-прежнему когерентно сопряженными с подложкой.

Рисунок 4. Изображение "Dome" островка с веденными дислокациями несоответствия[].

Как показывают многочисленные экспериментальные наблюдения, последней стадией развития морфологии и структуры островков GexSi1-x на Si (001) и (111) является образование трехмерных пластически - деформированных островков с ДН в границе раздела с подложкой, сопровождающееся быстрым увеличением их размеров (см. например, [, ]).

Эффекты самоорганизации

Процесс самоорганизации вызывает появление в системе островков предпочтительных значений их характеристик: размеров, формы, расстояний между островками и их взаимного расположения. Это является результатом минимизации суммарной свободной энергии системы. Наличие избранных характеристик должно проявляться в спектрах рассеяния и дифракции электронов и рентгеновских лучей при взаимодействии с поверхностью, содержащей наноструктуры, а также в электронных и оптических спектрах.