КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

---

Номер 19-72-00082

НазваниеРазвитие теоретических методов для описания роста и эволюции некосселевских кристаллов и тонких плёнок

РуководительРедьков Алексей Викторович, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем машиноведения Российской академии наук, г Санкт-Петербург

Период выполнения при поддержке РНФ

07.2019 - 06.2021

Конкурс№40 - Конкурс 2019 года «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе, 02-201 - Теория конденсированного состояния

Ключевые словакристалл, теория, молекулярная динамика, рост, эволюция, дефекты, дислокация, некосселевский, многокомпонентный, упругие напряжения, химические реакции, вакансии, морфологическая устойчивость

Код ГРНТИ29.19.03

СтатусУспешно завершен

---

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

---

Аннотация
Проект направлен на решение фундаментальной проблемы изучения механизмов роста и эволюции так называемых некосселевcких кристаллов - сложных кристаллических соединений, ячейка которых содержит несколько различных типов атомов в неэквивалентных позициях. Именно к таким соединениям относится значительная часть материалов, используемых в современной технологии (в том числе полупроводниковой). Примером могут послужить GaAs, GaN, SiC, InAs и многие другие. Однако, основная доля теоретических исследований, существующих к настоящему моменту, посвящена простым косселевским кристаллам, состоящих из атомов одного сорта. Это значительно упрощает рассмотрение задач, хотя эксперименты зачастую ставятся на многокомпонентных кристаллах (LiF, NaCl, GaN,SiC и т.д.). При этом экспериментальные результаты часто хорошо описываются построенными для однокомпонентных кристаллов теориями при выборе соответствующих «эффективных» параметров: коэффициента диффузии, атомарного объема, энергий активации зарождения и миграции адатомов и т.д. Несмотря на этот факт, очевидно, что в реальном многокомпонентном кристалле у адатома каждого компонента эти параметры различаются. Как пример, можно привести процесс роста кристалла нитрида галлия (GaN). Энергии связи адатома галлия с поверхностью GaN равна ~0.15 eV, тогда как энергия адатома азота ~0.05 eV, но в зависимости от условий роста, соотношения потоков и давлений компонентов в системе, «эффективная» энергия связи, при которой косселевы ростовые модели дают хороший описательный результат, может быть совсем другой. Это связано с различным вкладом тех или иных адатомов в процесс роста: если адатомов одного типа в системе мало, то именно они лимитируют процесс роста, а от свойств других адатомов рост практически не зависит. Следовательно, даже зная свойства отдельных компонентов, на данный момент мы пока не можем в общем случае аналитически предсказать, каков будет этот "эффективный" параметр - для каждых ростовых условий эта величина будет своя. Таким образом, крайне актуальна задача расширения существующих для однокомпонентных систем теорий на многокомпонентный случай. Новизна и сложность этой задачи состоит в том, чтобы правильно учесть влияние каждого компонента на конечные «эффективные» параметры системы и получить выражения, связывающие свойства отдельных компонентов, ростовые условия и скорость роста кристалла как целого. Помимо этого, необходимо проанализировать и явления, которые могут быть вызваны самим фактом наличия нескольких компонентов и повлиять на рост кристалла. Следует отметить, что работа по расширению различных ростовых и иных моделей на многокомпонентные случаи ведется очень активно и востребована, так как в промышленности сейчас используется большое количество многокомпонентных соединений, например, вышеупомянутый GaN, на основе которого делают светодиоды и высокочастотные транзисторы. Именно поэтому появляется все больше работ, посвященных переносу тех или иных теорий на двух- и более компонентные системы. При этом, однако, для многих теорий и моделей до сих пор нет многокомпонентных «аналогов». В проекте будет рассмотрен ряд таких теорий и решен цикл матфизических задач о росте и эволюции некосселевского кристалла в рамках модели терраса-ступень-излом по различным механизмам, будут найдены выражения для скорости перемещения отдельного излома, ступени, группы параллельных ступеней, а также скорость движения группы ступеней, образованных винтовой дислокацией. После решения этих задач будут получены выражения, связывающие нормальную скорость роста кристалла, концентрации отдельных компонентов в растворе или газовой фазе, их свойства (длину свободного пробега по поверхности, энергию связи, атомарные объемы), упругие напряжения, температуру, а также общее пересыщение в системе. Будет теоретически рассмотрен ряд явлений, которые, как представляется автору проекта, могут иметь место вследствие наличия нескольких компонентов, и оценено их влияние на скорость роста кристалла. В частности, планируется рассмотреть явление выпадения отдельных компонентнов в виде островков на террасах между ступенями, их движение в градиенте концентрации около ступени, а также самоорганизацию подобных островков в квазипериодические слои. Также будет рассмотрена и задача о перемещении дислокации за счет анизотропии распределения упругих напряжений вокруг неё, поскольку может повлиять на процесс роста кристалла. Для подтверждения полученных аналитических результатов, будет проведено численное моделирование рассмотренных явлений в некосселевском кристалле методом молекулярной динамики с использованием потенциалов, описывающих реальные многокомпонентные кристаллы. Большинство численных результатов будет сравнено с результатами, полученными аналитически.

Ожидаемые результаты
В рамках выполнения проекта ожидаются следующие результаты: 1)Решена задача о росте идеального некосселевского кристалла по механизму терраса-ступень-излом при наличии упругих напряжений как из паров собственных компонентов, так и при поступлении компонентов на поверхность за счет химической реакции. Найдены аналитические выражения для скорости движения отдельного излома на ступени (в случае, когда изломов на ступени мало), скорости движения отдельной ступени, скорости движения группы эквидистантных ступеней. Получены выражения для скорости роста кристалла как за счет движения ряда параллельных ступеней, так и по спиральному механизму. При выводе уравнений учтена разница в свойствах (коэффициентах диффузии по поверхности, атомарных объемах) различных компонентов, составляющих некосселевский кристалл. 2) Решена задача о росте идеального некосселевского N-компонентного кристалла по механизму Чернова из паров или раствора собственных компонентов. Найдены аналитические выражения для скорости движения отдельной ступени, скорость движения группы эквидистантных ступеней. Получено выражение для скорости роста кристалла как за счет движения группы параллельных ступеней, так и по спиральному механизму. 3) Рассмотрен ряд явлений, имеющих место при росте некосселевского кристалла ввиду наличия нескольких компонентов. Решена задача о выпадении новой фазы отдельных компонентов в пространстве между ступенями , найден критерий, когда эта фаза выпадает, а когда нет, и изучено влияние этого явления на скорость роста кристалла. Рассмотрена задача о взаимодействии ступени с зародышами отдельных компонентов на поверхности некосселевского кристалла. Найдена скорость растворения и "перемещения" островка в градиенте концентрации, создаваемой ступенью, и оценено влияние этого явления на скорость роста кристалла. Рассмотрено явление самоорганизации островков из отдельного компонента в квазипериодические слои вдали от ступени. Найдены условия возникновения подобной самоорганизации и показано, что движение ступени, и как следствие, скорость роста кристалла в этом ростовом режиме будет носить периодический во времени характер, что ранее, насколько известно автору, никогда не обсуждалось в литературе. 4) Решена задача о движении дислокации в некосселевском кристалле под действием упругих напряжений. Найдено выражение для распределения вакансий в подрешетках различных компонентов вокруг дислокации и их потоки. Вычислена скорость перемещения ядра дислокации. 5) Проведено численное моделирование описанных процессов методом молекулярной динамики с использованием потенциалов для некосселевских кристаллов. Численно найдены зависимости скорости движения ступеней от различных параметров (концентраций различных компонентов в системе, температуры, упругих напряжений, общего пересыщения в системе). Большинство полученных с помощью молекулярной динамики результатов сопоставлены с аналитическими результатами из предыдущих пунктов для верификации аналитических результатов. Полученные результаты, как надеется автор, позволяют по-новому взглянуть на процессы роста некосселевских кристалов и будут полезны с фундаментальной точки зрения, поскольку расширят имеющийся теоретический задел в области роста кристаллов на многокомпонентные системы, и демонстрируют новые явления, возникающие при росте некосселевских кристаллов вследствие наличия нескольких компонентов, которые, насколько известно автору, никогда не рассматривались ранее теоретически. Эти явления могут оказать существенное влияние на скорость роста кристалла и представляется важным понимание, когда и при каких условиях они возникают и как ими управлять. Помимо этого результаты будут полезны и с прикладной точки зрения, поскольку полученные выражения, связывающие скорость роста кристалла и ростовые условия, а также критерии возникновения упомянутых явлений могут быть использованы для описания реального процесса роста обширного класса различных многокомпонентных кристаллических соединений, используемых в промышленности, и как следствие, позволят оптимизировать ростовые условия для таких соединений как с точки зрения скорости роста, так и с точки зрения режима роста, поскольку наиболее низкодефектные кристаллы и тонкие плёнки чаще всего растут при низких пересыщениях именно в тех режимах, которые рассмотрены в настоящем проекте. Поскольку рост кристаллов и тонких плёнок в настоящее время является многомиллиардной индустрией, оптимизация процессов роста, на взгляд автора, имеет большую общественную значимость.

---

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

---