Аннотация результатов, полученных в 2019 году
С применением in situ метода сверхвысоковакуумной отражательной электронной (СВВ ОЭМ) и ex situ атомно-силовой микроскопии проведены исследования кинетики движения атомных ступеней и распределения концентрации адатомов на поверхности кремния и КНИ с ориентацией поверхности (111) в условиях сублимации при нагреве кристалла пропусканием постоянного и переменного тока. Влияние деформационных полей на кинетику движения ступеней на поверхности КНИ не выявлено из-за сильного эффекта электромиграции адатомов. Обнаружено формирование дендритных островков на широких террасах поверхности КНИ, зарождение которых происходит во время закалки образца, и, предположительно, обусловлено локальных деформаций на поверхности из-за наличия трехмерных кластеров точечных дефектов вблизи границы раздела оксид-полупроводник. Методом in situ СВВ ОЭМ экспериментально изучены процессы, протекающие на широких (более 10 мкм) и узких террасах (до 1 мкм) поверхности Si(111) в условиях осаждения, десорбции и диффузии Sn при температурах до 850°С. Впервые визуализировано формирование аморфной фазы “1×1”-Sn (с концентрацией Sn 7,8×10^14 атомов/см^2) на реконструированной поверхности Si(111)-(√3×√3)-Sn непосредственно в процессе осаждения Sn. Показано влияние электромиграции атомов на процессы зарождения и заполнения поверхности аморфной фазой “1×1”-Sn при осаждении Sn, а также в отсутствие внешнего потока. Обнаружено, что ступени являются эффективными барьерами для электромиграции Sn на поверхности Si(111)-(√3×√3)-Sn в направлении вышележащих террас. Методом in situ СВВ ОЭМ показано, что при нагреве кристалла Bi2Se3 в условиях пересыщения атомами селена выше 300°C сублимация атомов висмута приводит к движению молекулярных ступеней в направлении вышележащих террас на поверхности Bi2Se3(0001), что соответствует ступенчато-слоевому механизму сублимации. Показано, что в таких условиях на широких (~10–100 мкм) террасах сублимация Bi2Se3 происходит по двумерно-островковому механизму за счёт зарождения двумерных вакансионных островков глубиной ≈1 нм, соответствующей толщине одного молекулярного слоя. В области высоких температур (до ~400°C) увеличение скорости сублимации висмута приводит к увеличению скорости движения молекулярных ступеней и частоты зарождения вакансионных островков с сохранением послойного механизма сублимации и макроскопического рельефа поверхности. Экспериментально и с помощью моделирования Монте-Карло изучен процесс термического огрубления ступенчато-террасированных поверхностей GaAs с различной шириной террас. Установлено, что введение барьера Швёбеля способствует образованию эшелонов ступеней, окаймляющих центры торможения, как при сублимации, так и при росте кристалла. С помощью высокоразрешающей электронной микроскопии (ВРЭМ) проведен сравнительный анализ особенностей атомного строения пленок HfO2, выращенных методом плазма-стимулированного атомно-слоевого осаждения на подложках кремния и сапфира. Установлены структурно-морфологические характеристики этих пленок и границ раздела. На основе анализа экспериментальных данных о структуре, морфологии и закономерностях формирования двумерных массивов нанокристаллов сульфидов металлов установлены основные факторы, влияющие на процесс получения нанокристаллов с заданной пространственной плотностью и размером при синтезе с использованием технологии Ленгмюра — Блоджетт. С использованием ВРЭМ установлена атомная структуры ядра скользящих 60º дислокаций (S1-тип), введенных термическим ударом в Fz- Si и дислокаций несоответствия в гетеросистеме GeSi/Si(001). Впервые построены карты распределения упругих деформаций для этого типа дислокаций. С помощью ВРЭМ установлены структурно-морфологические особенности нанокристаллов α-Fe в CVD пленках SiCxNy:Fe на подложках Si(001). Определены условия, когда эти пленки обладают наилучшими ферромагнитными свойствами, позволяющими их использование в магнитных датчиках и устройствах спинтроники. Разработана оригинальная методика изготовления из полупроводниковых материалов тонких фольг для исследования сверхслабых деформаций кристаллической решетки методом ВРЭМ, основанная на использовании химико-механической полировки на финальной стадии обработки поперечных срезов пластин или эпитаксиальных гетероструктур. Получены высокого качества ВРЭМ изображения кристаллических решеток гетероструктур SiGe/Si и GaAs/Si за счет отсутствия на поверхностях фольги аморфного слоя, формирующегося в случае обычного изготовления фольг с использованием ионного травления. Изучена дислокационная структура, формирующаяся в бруске монокристаллического Si в процессе пластической деформации изгибом от поверхностных источников дислокаций в виде искусственно созданных царапин. Получены ВРЭМ изображения скользящих дислокаций в разных областях кристалла, отличающихся знаком и уровнем деформации. Уточнена схема изготовления фольг для продолжения исследования структуры ядра дислокаций в таком кристалле с учетом значительного искривления линий дислокаций из-за их отклонения от фиксированных систем скольжения. Расчетом в рамках теории фотонно-стимулированного транспорта показана эквивалентность фотонных реплик основной особенности коэффициента прохождения электрона через одномерный туннельный барьер в случаях симметричного и антисимметричного профилей терагерцовых потенциалов. Дано сравнение расчетов среднего по времени коэффициента прохождения в низкочастотном пределе с первыми измерениями фотопроводимости туннельного точечного контактанcа частоте облучения 2.44 ГГц. С помощью алгоритма Метрополиса и расчетов трехмерной электростатики найдены свойства слабого плавного беспорядка в затворно-индуцированном двумерном газе с учетом кулоновских корреляций в распределении зарядов на границе нелегированного полупроводника с подзатворным изолятором. При таком беспорядке расчетом плотности состояний и баллистического кондактанса малой области двумерного газа обнаружено проникновение плато квантового эффекта Холла в область локализованных состояний уширенного уровня Ландау. Методами дифракции медленных электронов, сканирующей туннельной микроскопии и с помощью расчетов на основе теории функционала плотности исследована структура высокоиндексной поверхности Si(47 35 7), отклоненной на угол 10.7° от плоскости (1 1 0). Показано, что поверхность имеет периодичность 1 × 1, значительно реконструирована и содержит пентамерные структуры, аналогичные тем, что наблюдаются на поверхностях Si(1 1 0) и Ge(1 1 0). Разработана атомная модель перестроенной поверхности Si(47 35 7). В основе модели лежат мини-фасеточные плоскости ориентации {111} и универсальный структурный блок, предложенный ранее для объяснения пентамерных структур, наблюдаемых на поверхностях Si(110) и Ge(110). Предложенная модель поверхности является стабильной, хорошо воспроизводит основные черты экспериментальных СТМ-изображений высокого разрешения и приводит к достаточно низкой энергии поверхности. Для получения массивов частиц Ge субмикронного размера, представляющих интерес для применений в ближней инфракрасной области спектра, исследовано явление несмачиваемости поверхности плёнок SiO2 сравнительно толстыми (60 нм) слоями Ge. Установлено, что реализация несмачиваемости зависит от температуры и способа начального осаждения слоя Ge. Слои Ge, осажденные с использованием ячейки Кнудсена, трансформировались в частицы Ge посредством твердофазных процессов. Образование частиц из слоев Ge, выращенных испарением Ge с использованием электронного пучка, требовало их плавления. В первом методе, форма частиц определялась кинетикой их образования и поэтому была разной. Во втором методе, затвердевание жидких капель Ge на SiO2 приводило к созданию частиц Ge одинаковой формы, близкой к полусферической. Дисперсия контактных углов частиц отражала степень отклонения условий их образования от термодинамического равновесия. Разработана конструкция InAlGaAs/InAlAs гетероструктуры для электрооптического модулятора на основе квантово-размерного эффекта Штарка, обеспечивающая его наилучшие оптические и СВЧ характеристики. Проведено моделирование элементов электрооптического модулятора на основе рассчитанной гетероструктуры (делителей пучка на основе MMI, элемента трансформации формы пучка для согласования с оптическим волокном) с учетом особенностей технологии их изготовления и выбранной конструкции.

Аннотация результатов, полученных в 2020 году
Методами in situ сверхвысоковакуумной отражательной электронной и ex situ атомно-силовой микроскопии исследована морфологическая стабильность экстремально широких (~100 мкм) террас атомно-чистой поверхности Si(111) в процессе эпитаксиального роста Si при температурах подложки T=600–770°C и скорости осаждения кремния R=0.002–0.2 БС/с (1 БС=1.56×10^15 см^−2). Рост происходит по многослойному механизму. На основе зависимостей среднеквадратичной шероховатости W(Θ) выделено три режима морфологической нестабильности, обусловленные (I) барьерами Швебеля для встраивания и эффективной диффузией адатомов вдоль краев ступеней типа [−1 −1 2], ограничивающих островки роста на террасах Si(111)-7×7, в области низких T и R, (II) появлением фазы “1×1” за счет образования кластеров избыточных адатомов и ее быстрым фрактальным распространением по поверхности при промежуточных T и R, и (III) доминирующей восходящей диффузией адатомов в область фазы “1×1”, формирующейся на вершинах холмов при высоких T и R. С применением in situ метода сверхвысоковакуумной отражательной электронной микроскопии проведены исследования кинетики движения атомных ступеней на поверхности кремния и кремния-на-изоляторе с ориентацией поверхности (111) в условиях осаждения золота при нагреве кристалла пропусканием постоянного и переменного электрического тока. Показано, что границы концентрационных интервалов эшелонирования атомных ступеней остаются такими же несмотря на уменьшения толщины объема кремния и, тем самым, уменьшения потока междоузельных атомов из объема на поверхность. Определено, что процесс эшелонирования при осаждении золота определяется процессами на поверхности, не смотря на значительный массоперенос между поверхностью и объемом. Проведен анализ дрейфа одиночных двумерных вакансионных островков на широкой террасе поверхности Si(100) в условиях электромиграции при компенсации сублимирующего с поверхности потока кремния из внешнего источника. Определена температурная зависимость эффективного электрического заряда адатома на поверхности Si(100). Экспериментально исследованы процессы диффузии, электромиграции и десорбции атомов Sn на поверхности Si(111) при температурах до 800°С, а также начальные стадии роста Si на поверхности Sn/Si(111). Определена энергия активации десорбции адатома Sn c поверхности Si(111)-(√3×√3)-Sn — 1.3 ± 0.2 эВ. Показано, что атомная ступень является эффективным барьером на пути электромиграции адатомов Sn в направлении вышележащих террас. Эффективный заряд адатома Sn на поверхности Si(111)-(√3×√3)-Sn составляет более 0.01 от элементарного заряда. Структурные изменения индуцированные осаждением и десорбцией Sn приводят к повышенному массопереносу на поверхности Si(111), что выражается в кластерировании атомных ступеней. Расположение доменных границ структуры (7×7) изначально чистой поверхности Si(111) определяет места зарождения двумерных островков на террасах поверхности Si(111)-(√3×√3)-Sn. Впервые методом in situ отражательной электронной микроскопии визуализировано движение атомных ступеней и зарождение двумерных островков на поверхности Bi2Se3(0001) при сублимации и эпитаксиальном росте. Показано, что отжиг канавок глубиной от 2 до ~100 нм, сформированных на поверхности Bi2Se3(0001) зондом атомно-силового микроскопа (АСМ), приводит к постепенному увеличению их ширины и глубины. При этом стенки канавок трансформируются в системы атомных ступеней высотой в одно межплоскостное расстояние для поверхности Bi2Se3(0001) (около 1 нм) и эшелонов таких ступеней, двигающихся в направлении вышележащих террас. Экспериментально и с помощью Монте-Карло моделирования изучено термическое огрубление рельефа поверхности эпитаксиального GaAs в условиях сублимации. Огрубление состоит в формировании углублений, обусловленных раскручиванием спиральных атомных ступеней вокруг точек выхода винтовых дислокаций. Оценены относительное недосыщение (−0.015) и длина поверхностной диффузии атомов Ga (15 нм) при 750°С. Несмотря на фундаментальную важность для широкого спектра приложений, явление пластического течения в кристаллических материалах при больших дозах облучения, когда накопление радиационных повреждений вызывает рост упругих напряжений в кристалле, все еще плохо понято. Проблема связана с источниками скользящих дислокаций, так как все существующие в кристалле скользящие дислокации (если они есть) быстро закрепляются на кластерах точечных дефектов и становятся неподвижными при облучении. Поэтому трудно объяснить изгиб нанопроволок или образование нанокристаллитов при облучении бездислокационных кристаллов, а также локализованное пластическое течение в различных поликристаллических материалах, таких как металлы и оксиды. В рамках проекта с использованием аналитической ВРЭМ с коррекцией сферической аберрации, включая анализ геометрической фазы, а также спектроскопию резерфордовского обратного рассеяния в режиме каналирования и дифракцию рентгеновских лучей, показано, что резкий рост относительной концентрации смещенных атомов от ~0.1 до ~0.45 в диапазоне доз (1–1.5)×10^−16 см^−2 совпадает с началом пластической релаксации и лавинообразным появлением высокой плотности (~10^11 см^−2) скользящих 60° дислокаций, наблюдаемым с помощью ВРЭМ в имплантированном слое в конце пробега ионов, где происходит основное выделение энергии при развитии каскадов столкновений. Малый размер дислокаций (~30 нм) указывает на очень короткое время процесса скольжения, связанного с малым временем (пикосекунды) развития каскадов смещений и генерацией ими ударных волн в качестве движущей силы для скольжения. Таким образом, мы впервые показали, что при достижении критического значения упругих напряжений в имплантированном слое (0.043% для GaAs) ударные волны, испускаемые каскадами смещений, генерируют 60° скользящие дислокации. Однако в GaAs, облученном при T=300°C, уровень напряжений в исследованном диапазоне доз не достигает критического значения и реализуется только кластеризация точечных дефектов. Оптимизирована методика препарирования поперечных срезов гетеросистем кремний — силицид магния для ВРЭМ исследований. Методом ВРЭМ получены новые данные о латеральной и вертикальной пространственной организации кристаллического силицида магния при низкотемпературной МЛЭ на подложках Si(111). Установлены морфологические и кристаллографические параметры блоков Mg2Si и гетерограниц Mg2Si — Si, согласно которым направление роста пленок Mg2Si на Si (111) всегда совпадает с направлением [111] в кристаллической решетке Mg2Si, а колонковая структура возникает из-за того, что на различных участках подложки на начальной стадии эпитаксии равновероятно образование островков Mg2Si, развернутых относительно нормали к подложке [111] на угол, кратный 30-ти градусам. Выполнены оценки остаточных упругих деформаций в пленках Mg2Si, согласно которым эти значения составляют 0.24% и реализуются, когда три плоскости (1 1 −2)Mg2Si сопрягаются с двумя плоскостями (1 −1 0)Si в одном направлении и одна плоскость Mg2Si (2 −2 0) сопрягается с одной плоскостью (1 1 −2)Si. Исследована релаксация напряжений в буферных слоях AlN и в слоях AlGaN в гетероструктурах AlxGa1-xN/AlN/Al2O3(0001). Установлено, что все гетерограницы AlN — Al2O3 содержат краевые дислокации несоответствия (ДН) с периодом залегания около 2 нм, которые локализованы в одной плоскости и обеспечивают полную релаксацию гетероэпитаксиальных напряжений. Обнаружено, что при х=0.42 гетерограница AlN — Al0.42Ga0.58N является когерентной и не содержит ДН, а кристаллическая решетка Al0.42Ga0.58N имеет тетрагональную дисторсию. Величина упругой деформации в направлении роста составляет ~1.2%. По данным ВРЭМ во всех исследованных слоях AlN на Al2O3 выполняется примерно одинаковое соотношение латеральных размеров доменов с Al-полярностью (~50 нм) и инверсных доменов с N-полярностью (~5 нм), что указывает на определяющую роль структурных неоднородностей на поверхности подложки в возникновении ИД. Осаждение верхнего слоя AlGaN на буферный слой AlN приводит к выравниванию рельефа ростовой поверхности, укрупнению латеральных размеров доменов Al-полярности и уменьшению плотности инверсных доменов. Расчетом изучена тонкая структура зон Ландау и проникновение в эти зоны строгих плато целочисленного квантового эффекта Холла при слабом длинноволновом беспорядке в малых структурах с ультрачистым двумерным электронном газом. Обнаружено, что одномерные токи вдоль средних изолиний потенциала представляют собой противотоки разделенные магнитной длиной. Дана количественная интерпретация результатов новых экспериментов по созданию короткого (100 нм) квантового точечного контакта, получению в нем глубокого туннельного режима, наблюдению в этом режиме гигантского СВЧ-фотокондактанса и недавно предсказанных реплик основной ступени кондактанса, положение которых определяется интенсивностью СВЧ-облучения. С помощью расчетов на основе первых принципов исследована деформация межатомных связей в верхних атомных слоях поверхности Ge(111) со структурами c(2×8), 7×7 и 5×5. Расчеты выполнены в рамках теории функционала плотности как для релаксированной, так и для упруго-сжатой поверхности Ge(111). Было показано, что вплоть до 4 % сжатия решетки в реконструированном слое поверхности Ge(111) со структурами 7×7 и 5×5 наблюдается деформация растяжения связей. При этом деформация связей на поверхности со структурой 5×5 больше, чем на поверхности со структурой 7×7, что вызвано в среднем большей деформацией димеров в структуре 5×5. Результаты работы позволяют корректно интерпретировать экспериментальные данные, получаемые в процессе формирования смачивающего слоя при росте Ge/Si(111). В работе в рамках теории функционала электронной плотности с использованием метода проекционных плоских волн была рассчитана энергия адсорбции атома висмута на поверхности (0001) селенида висмута. Установлено, что минимальной энергией обладал адатом вблизи мостиковой позиции, который в результате релаксации системы сместился в направлении ГЦК-позиции на небольшую величину. Построение поверхности потенциальных энергий адатома продемонстрировало, что минимальное значение энергии этой поверхности также находится вблизи мостиковой позиции. Таким образом, был установлен положение адатома с минимальной энергией. На основе расчетов методом молекулярной динамики предложена физико-математическая модель для исследования различных процессов на поверхности подложки Si(100)-2×1. На примере эмпирического потенциала (Kumagai, 2007) рассчитаны предельные температуры, выше которых сверхструктура Si(100)-2×1 становится неустойчивой. Установлено, что процесс перемешивания первых трех слоев подложки при наличии адатомов на ее поверхности идет гораздо интенсивнее, чем без них. Проведены расчеты коэффициентов диффузии и усредненных диффузионных барьеров для адатомов и димеров. Разработана технология изготовления массивов упорядоченных частиц Ge и Si посредством использования электронно-лучевой и обратной литографий (lift-off), не требующая применения плазмохимического травления и нагрева структуры выше 150°C. Проведено исследование взаимодействия света с диэлектрическими частицами Ge в форме дисков диаметром d. Установлено, что эффективный показатель преломления Ge в дисках, определяемый как neff = λm/d и задающий положение длинноволновой резонансной моды λm, оказывается для дисков больше, чем для сфер. Он также значительно превышает показатель преломления Ge. Это позволяет использовать диски меньшего диаметра, чем сферы, для достижения резонансных эффектов на той же длине волны. Изготовлены гибридные структуры, представляющие собой сверхпроводящую структуру In толщиной до 10 нм на полупроводниковой подложке GaAs с двумерным электронным газом в слое InAs. Проведено исследование их низкотемпературных транспортных свойств. В структурах со слоем In толщиной до 10 нм воспроизводимых сверхпроводящих свойств не обнаружено вплоть до 100 мК вне зависимости от напряжения на затворе. Изучена зависимость степени замещения фосфора мышьяком в приповерхностном слое от температуры отжига epi-ready подложек (001)InP в потоке мышьяка. Определена энергия активации Ea=1.17 эВ формирования In-обогащенной, содержащей As (4×2) сверхструктуры. Описана конструкция и технология выращивания методом молекулярно-лучевой эпитаксии гетероструктур InAlAs/InGaAs/InP и изготовления на их основе мощных СВЧ-меза-фотодиодов диаметром от 10 до 40 мкм с барьером Шоттки и обратной засветкой через подложку. Определена величина электрооптического эффекта в InGaAlAs/InAlAs множественных квантовых ямах различного состава и толщины. Показано доминирующее влияние взаимодействия между соседними квантовыми ямами на величину электрооптического даже при толщине барьера более 10 нм.

Аннотация результатов, полученных в 2021 году
Экспериментально исследованы атомные процессы на поверхности Si(111) в процессе адсорбции и десорбции атомов Sn при температурах подложки до 825°C, а также двумерно-островковое зарождение на поверхности Si(111)-(√3×√3)-Sn после осаждения Si (0,3 МС) при 700°C. Показано, что сверхструктурный переход (7×7) ⇒ (√3×√3)-Sn, индуцированный адсорбцией Sn, приводит к появлению на террасах покрытия в ~0,1 МС Si, образующегося после формирования объёмной структуры (1×1) под слоем Sn. Осаждение Sn при температурах выше 650°C индуцирует выход атомов Si из ступеней в положение адсорбции на террасе, а при температурах выше 775°C и из приповерхностного объёма. В присутствии покрытий Sn увеличивается поверхностный массоперенос Si, что приводит к двумерно-осетровому зарождению и смещению ступеней в сторону нижележащих террас в отсутствии внешнего потока Si. Показано, что при осаждении Si на поверхность Si(111) при 700°C наличие примесно-индуцированной реконструкции (√3×√3)-Sn, выступающей в качестве сурфактантного слоя, определяет диффузионно-лимитированную кинетику двумерно-островкового зарождения на всей поверхности Si(111). Методом in situ отражательной электронной микроскопии исследованы процессы на поверхности Bi2Se3(0001) при гомоэпитаксиальном росте. Экспериментально показано, что даже в отсутствие дислокаций на поверхности подложки рост селенида висмута на широких сингулярных террасах переходит от двумерно-островкового механизма роста к многослойному в процессе выращивания от нескольких до нескольких десятков молекулярных слоёв, что свидетельствует о морфологической нестабильности поверхности селенида висмута в процессе роста. Показано, что при повышенных температурах роста (>350°C) зарождение двумерных островков происходит не только с нормальной ориентацией относительно подложки (эпитаксиально), но также в двойниковой ориентации (для меньшей части островков), что приводит к формированию доменов с двойниковой ориентацией. Проведены экспериментальные исследования кинетики трансформации эшелонов атомных ступеней на поверхности Si(001) в условиях электромиграции при нагреве постоянным электрическим током в направлении вниз по ступеням при повышенных температурах. Получены данные о зависимости среднего расстояния между ступенями от количества ступеней в эшелоне. Установлено, что экспериментально построенная зависимость подчиняется степенному закону l ∝ N^-α, где α уменьшается с ростом температуры, что свидетельствует об изменении потенциала упругого взаимодействия ступеней в эшелонах. С целью определения оптимальных условий выглаживания поверхности полупроводников АIIIВV, экспериментально и теоретически (методом Монте-Карло) изучены процессы термического выглаживания и огрубления подложек GaAs с различным углом отклонения от сингулярной грани. Выяснены причины асимметрии конфигурации антипересечения вицинальных и дислокационных атомных ступеней. С целью установления корреляций структуры ядра дислокаций в Si и их оптических свойств предпринята попытка обнаружения 60° дислокации G-типа в пластически деформированном Si, существование которой давно предсказывалось теоретически, но не было подтверждено экспериментально. Для этого использовался ранее разработанный нами метод, основанный на in situ ВРЭМ облучении ядра дислокации [Fedina L. et al. Phil. Mag. A 1998, V. 77. P. 423.], когда за счет кластеризации междоузельных атомов в области растяжения ядра дислокации происходит его расширение и обеспечивается надежная визуализация. В результате подтверждено существование двух типов недиссоциированной 60° дислокации – скользящей S1 с ядром в виде 8-звенного атомного кольца и сидячей G-типа с ядром, состоящим из 5/7 колец, которая обеспечивает расщепление 60° дислокации и ее последующее скольжение. Таким образом найдено универсальное ядро дислокации, обладающее структурой 5/7, которое отвечает за появление дислокационной фотолюминесценции на длине волны ~1.5 мкм, соответствующей линии D1 (0.82 эВ). Такое ядро возникает при слиянии двух S1 -дислокаций в процессе их скольжения в пересекающихся плоскостях {111}, переходе S1→G и трансформации междоузельной дислокации Франка в полную. ВРЭМ с коррекцией сферической аберрации и анализ геометрической фазы ВРЭМ изображений применены для изучения структуры люминесцентных центров, возникающих в имплантированном ионами Ge кремнии после отжига при Т=700_800°С. Показано, что формирующиеся вплоть до Т= 800°С метастабильные {113} дефекты гетерогенного состава обеспечивают появление двух очень широких люминесцентных полос G2 (0.8 эВ) и G1 (0.95 эВ), одна из которых (G2) выживает вплоть до комнатной температуры. При этом структура дефектов варьируется от простейшего упорядочения пар вакансия-расщепленный междоузельный атом (V-I<110>), где флуктуации упругих напряжений сжатия и растяжения связей составляют около 4%, до более сложной, не поддающейся расшифровке, с доминированием деформаций растяжения, достигающих ~10%. Это указывает на то, что гетерогенность состава {113} дефектов обеспечивает усиление и стабилизацию их люминесценции. С помощью аналитической безаберрационной ВРЭМ исследованы бинарные гетеросистемы с пленками силицида кальция на кремнии и многослойные гетеросистемы с нанокристаллами (НК) FeSi2 и CrSi2, встроенными в монокристаллическую матрицу кремния. Установлено, что в результате твердофазной эпитаксии кальция и кремния на кремнии и последующим молекулярно-лучевым осаждением Ca и Si на подложке Si(111) формируется крупноблочная поликристаллическая пленка ромбоэдрической фазы CaSi2, основными дефектами структуры которой являются межзеренные границы и дефекты упаковки. Получены новые данные о морфологии, кристаллической структуре и пространственном распределении НК FeSi2 и CrSi2; установлены эпитаксиальные соотношений между кристаллическими решетками НК FeSi2 и CrSi2 и матрицы Si; выполнены расчеты упругих деформаций кристаллических решеток НК FeSi2 и CrSi2, сформированных в матрице Si. Определены условия синтеза GaP на Si, обеспечивающие отсутствие антифазных доменов в выращенных слоях. Методом геометрической фазы исследована гетеросистема GaP-InAs-GaP и установлено, что встроенный слой когерентно сопряжен со слоями GaP и представляет собой твердый раствор In(x)Ga(1-x)As(y)P(1-y), для которого х ≤ 0,3; у ≤ 0,5. Объяснены результаты низкотемпературных измерений магнитотранспорта, проводимых с двумерными треугольными решетками антиточек в Университете Нового Южного Уэльса. Вычислениями выяснено, что экспериментально найдены первые магнитотранспортные свидетельства получения нижней дираковской точки в затворно-управляемых нелегированных структурах GaAs/GaAlAs. Изучены атомная структура ступеней на поверхности Si(111)-√3×√3-Sn и динамика адатомов Sn вблизи них. Работа выполнена с помощью методов сканирующей туннельной микроскопии (СТМ) и расчетов на основе теории функционала плотности. Разработана атомная модель ступени, состоящая из цепочек атомов Sn вдоль краев ступеней. Эта структура приводит к формированию двойных потенциальных ям вблизи ступеней, действующих как ловушки для атомов Sn. Найдено, что атомы Sn, флуктуирующие в двойных потенциальных ямах, приводят к флуктуирующему туннельному току СТМ в этих областях. С помощью расчетов на основе теории функционала плотности исследована стабильность DFA модели (digitated faulted adatom) структуры Si(111)-7×7, предложенной недавно в работе [J.E. Demuth, J.Phys. Chem. C 2020, 124, 22435]. Эта модель является альтернативной по отношению к общепринятой DAS модели (dimers adatoms stacking faults). Было найдено, что DFA модель является крайне нестабильной, приводит к огромной энергии поверхности Si(111) и, таким образом, является однозначно ошибочной. Проведено первопринципное исследование диффузии адатомов висмута на поверхности селенида висмута и структуры различных фаз соединений селенида висмута. Выявлено, что на поверхности Bi2Se3 есть два возможных места адсорбции Bi: fcc (-1.73 эВ) и hcp (-1.58 эВ). Рассчитаны энергетические барьеры из fcc в hcp (0.156 эВ) и из hcp в fcc (0.01 эВ). При температурах порядка комнатных адатомы висмута очень мобильны (коэффициент диффузии D равен 95 мкм2/с) и их диффузионные длины существенно превышают характерную ширину террас на поверхности Bi2Se3. Выявлено, что структура Bi2Se3 имеет более низкую энтальпию перехода из твердых фаз Bi и Se в конечное соединение, чем Bi3Se4, Bi4Se3, BiSe, что находится в согласии с экспериментальными данными. С помощью первопринципных расчетов найдена наиболее выгодная позиция в объеме Bi2Se3 для атома серебра. Было установлено, что октаэдрическая позиция в ван-дер-ваальсовом промежутке между пятислойниками Bi2Se3 является наиболее выгодной позицией для атома серебра под поверхностью. В то же время вблизи поверхности замещение атомом серебра атома висмутом затруднено очень большими активационными барьерами (~2.2 эВ). Полученные результаты находятся в хорошем согласии с данными СТМ. Методом молекулярной динамики исследованы реконструкция поверхности Si(100)-2x1 и распределение минимумов энергии адатомов на ней при использовании трех потенциалов типа Терсофф (Tersoff, 1986; Kumagai, 2007; Purja Pun, 2017), потенциала Стилинжер-Вебера, двух MEAM потенциалов (Lee, 2007; Lenosky, 2011), а также qSNAP потенциала, базирующегося на машинном обучении (Zuo, 2020). Рассчитаны энергии поверхностных структур 1x1 и 2x1, проведена оценка температур, при которых сверхструктура Si (100)-2x1 разрушается. На базе полученных величин установлено, что ни один из рассмотренных потенциалов не позволяет в полной мере качественно и количественно описывать высокотемпературные процессы на поверхности Si (100). Сильные антиотражающие свойства впервые получены в широком спектральном диапазоне от видимого до ~ 6 мкм для покрытий из диэлектрических частиц микронных размеров. Эти свойства обусловлены широким гранулометрическим составом и довольно большим аспектным отношением частиц около 0.4-0.5. Модельными расчётами подтверждена важная роль относительно больших величин аспектных отношений частиц и показано, что поля магнитных и электрических дипольных мод ответственны за деструктивную интерференцию с падающего электромагнитного излучения. Найдено, что в структурах, состоящих из слоя Ge на поверхности SiO2, явление твёрдотельной несмачиваемости, приводящее к превращению исходного сплошного слоя Ge в компактные частицы, может происходить при таких низких температурах, как 360 °С. Было обнаружено, что с помощью электронной литографии и метода «снизу вверх» (lift-off) наклон боковых стенок изготавливаемых наночастиц можно регулировать направлением потока осаждаемого материала. Определена величина около 50 нм для минимального зазора (расстояния) между частицами, получение которой воспроизводимо обеспечивается этим способом. Изготовлены и исследованы структуры, представляющие собой систему сверхпроводящих островков In на полупроводниковой подложке полупроводниковой подложке GaAs с двумерным электронным газом в высокоподвижном слое InSb как оснащенных затвором, так и без него. Глобального сверхпроводящего состояния в таких системах не обнаружено. Показано, что в системах без затвора при температурах выше 60 мК наблюдается квантовый эффект Холла. В системах с затвором обнаружены пики продольного магнитосопротивления, на три-четыре порядка превышающие сопротивления в нулевом магнитном поле. Показано, что данные пики периодически зависят от обратного магнитного поля. Экспериментально определен коэффициент диффузии мышьяка вглубь InP подложки для разных температур отжига подложки. Разработана модель гетероэпитаксиальных структур для лавинных фотодиодов новой конструкции, в которых для увеличения отношения сигнал/шум на выходе фотодиода предложено использовать слой умножения на основе короткопериодной сверхрешетки InAlAs/InGaAs. Определены зависимости оптических констант InGaAlAs слоев от типа и уровня легирования. С учетом полученных данных разработана оптимальная конструкция гетероструктуры для электрооптического модулятора, характеризующаяся минимальными оптическими потерями.

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Методом сверхвысоковакуумной отражательной электронной микроскопии (СВВ ОЭМ) исследован массоперенос Si на поверхности Si(111) при формировании примесных реконструкций α-(√3×√3)-Sn и γ-(√3×√3)-Sn а также при эпитаксиальном росте на поверхности Si(111)-(√3×√3)-Sn при T=600–825°С. Соотношение Sn и Si в структуре γ-(√3×√3)-Sn зависит от температуры подложки и скорости осаждения Sn. Кинетика 2D-островкового зарождения при гомоэпитаксии на поверхности Si(111)-γ-(√3×√3)-Sn лимитирована поверхностной диффузией. На основе анализа дрейфа двумерных островков на поверхности Si(100) в условиях электромиграции оценен эффективный электрический заряд и построена температурная зависимость эффективного заряда в интервале 1010-1120°С, которая линейно уменьшается с температурой (средняя величина Z = -0,5±0,3). Методом in situ отражательной электронной микроскопии обнаружена слабая морфологическая нестабильность сингулярной поверхности Bi2Se3(0001) в условиях, обеспечивающих конгруэнтную сублимацию. Не обнаружено зависимости морфологической устойчивости и скорости конгруэнтной сублимации от интенсивности молекулярного пучка селена. Благодаря совместному использованию двух методов поддержания равновесия между поверхностью GaAs и парами галлия и мышьяка – отжигу в присутствии насыщенного раствора-расплава Ga-As и метода "капилляра", удалось повысить температуру (и, тем самым, эффективность) термического выглаживания GaAs более, чем на 100°С, до 775°С. С учетом результатов изучения термического выглаживания и огрубления поверхности с различным углом отклонения от сингулярной грани, определен оптимальный температурно-временной профиль термического выглаживания полупроводниковых соединений III-V. На основе геометрического анализа фазы (ГАФ) изображений структуры ядра дислокаций Ломера (LD) в гетеросистеме Ge/Ge05Si05/Si(001), полученных методом высокоразрешающей электронной микроскопии (ВРЭМ) найдено, что полиморфизм ее ядра в виде атомных конфигураций 5/7 или 6/8 для перетасованного (LDsh) и скользящего набора (LDg), соответственно, может быть связан с отсутствием или наличием пересечения плоскостей скольжения 60о дислокаций перетасованного набора (S1 тип) при формировании LD, в результате чего полуплоскости (001) ядер S1 располагаются либо снаружи ядра LD, либо внутри него. В первом случае это приводит к слиянию полей растяжения и расхождению полей сжатия в ядре LD, а во втором - к их инверсии в ядре LD, обеспечивающей более эффективную релаксацию гетеронапряжений, как было предсказано ранее теоретически, но не подтверждено экспериментально. С помощью ВРЭМ получены новые данные о морфологии, химическом составе и электронных свойствах пленок Al2O3 на поверхности InGaAs, сформированные в плазме в аргонно-кислородной плазме постоянного тока с различным содержание фторирующего компонента (CF4), исследованы морфология поверхности и химический состав пленок InAlAs и структура границ раздела Au/Ti/n-InAlA, выполнен анализ структурно-морфологических особенностей гетеросистем Si-SiO2-Si (001) и получена информация, как о вертикальной топологии гетеросистем, так и о структуре границ раздела. Разработана методика оценки шероховатости границ раздела Si-SiO2. Впервые промоделирован магнитотранспорт в полупроводниковом искусственном графене (ПИГ) с учетом коротковолнового или длинноволнового беспорядка. Вычислены диаграммы Ванье при разных амплитудах модуляции двумерного потенциала. Обнаружено, что длинноволновой беспорядок при магнитном поле |B|<0.1 Тл разрушает квантование Ландау-Дирака, и квантовый эффект Холла переходит в классический с ростом силы беспорядка. Тем не менее, сохраняется доминирование электронов, либо дырок в согласии с законом дисперсии в треугольной решетке антиточек. С помощью расчетов из первых принципов, основанных на теории функционала плотности, исследована относительная термодинамическая устойчивость структур 3×3, 5×5, 7×7, 9×9 и бесконечно большой, относящихся к семейству DAS-структур (dimer-adatom-stacking fault) на поверхности Si(111). С учетом фононного вклада в свободную энергию поверхности было найдено, что структура 5×5 более стабильна, чем 7×7 при низких температурах. Результаты показывают решающую роль фононной энтропии в формировании структуры 7×7 при повышенных температурах и метастабильный характер этой структуры при температурах ниже комнатной. В рамках метода теории функционала электронной плотности проведено исследование диффузии адатомов висмута на поверхности β-In2Se3(0001) (пространственная группа R-3m). Установлено, что есть два возможных места адсорбции Bi: fcc (-2.3 эВ) и hcp (-2.18 эВ). Рассчитаны энергетические барьеры из fcc в hcp (0.074 эВ) и из hcp в fcc (0.004 эВ). При температурах порядка комнатных диффузионные длины адатомов висмута (коэффициент диффузии D равен 594 мкм^2/s) на поверхности β-In2Se3(0001) существенно превышают характерную ширину террас на ней. В рамках указанных приближений были рассмотрены четыре гипотетические фазы соединений индия и селена: α-In2Se3 (пространственные группы R3m и R-3m), β-In2Se3 (пространственные группы P61 и R-3m). Выявлено, что три из них (α-In2Se3 (R-3m), β-In2Se3 (P61), β-In2Se3 (R-3m)) имеют практически одинаковую (-2.5 эВ) и существенно более низкую энтальпию перехода из твердых фаз In и Se в конечное соединение, чем четвертая α-In2Se3 (R3m) (-0.28 эВ). Проведено молекулярно-динамическое моделирование диффузии адатома на поверхности Si(100)-2x1 с помощью потенциала qSNAP при температурах, лежащих в интервале от 875 К до 950 К. Рассчитаны траектории адатомов, на базе которых получены коэффициенты самодиффузии и макроскопические барьеры вдоль параллельного и перпендикулярного к димерным рядам направлений. В рамках статических подходов с использованием потенциала qSNAP рассчитаны локальные активационные барьеры вдоль путей диффузии на Si(100)-2x1. Исследовано явление несмачиваемости оксидированной поверхности Si германием, происходящее при отжиге в вакуумной камере сразу после его осаждения. Покрытия из полученных таким образом частиц обладают сильными и широкополосными антиотражающими свойствами, применение которых в оптоэлектронных преобразователях может повысить их эффективность. Впервые композитная пленка GeO2<Ge-НК> была преобразована в нанопену − диэлектрический слой из наноразмерных пузырьков газа GeO за счёт селективного поглощения ИК-излучения фемтосекундного лазера нанокластерами Ge в неабляционном режиме отжига. Результаты исследований могут быть применены для создания low-k диэлектрика. Исследованы транспортные свойства структур, представляющих собой островки In на полупроводниковой подложке GaAs с двумерным электронным газом в высокоподвижном слое InSb с различной толщиной слоя In и толщиной диэлектрического слоя между слоем In и затвором. Обнаружено, что в таких системах наблюдаются гигантские осцилляции как локального, так и нелокального сопротивления, а также холловского сопротивления. При этом в системе отсутствует квантовый эффекта Холла. Причины такого поведения структур в настоящий момент не ясны и требуют дальнейшего изучения. Показано ускоряющее влияние потока мышьяка на процессы термического удаления оксида с поверхности epi-ready InP(001) подложек. Определены энергии миграционных барьеров и предэкспоненциальные факторы коэффициента диффузии As в InP. Разработана конструкция и технология получения методом молекулярно-лучевой эпитаксии гетероструктур с умножительными слоями на основе короткопериодных сверхрешеток InAlAs/InGaAs, предназначенных для структур с лавинным умножением новой конструкции. Изготовлены гетроструктруры для балансных фотодиодов и изготовлены макеты балансных меза-фотодиодов и макеты фотоприёмников. Разработана конструкция и технология получения методом молекулярно-лучевой эпитаксии гетероструктур, предназначенных для создания электро-абсорбционных модуляторов на длину волны 1.55 мкм c коэффициентом экстинции более 20 дБ и напряжении менее 4 В.