2.5.Кристаллографическое направление роста

Ссередины 60-х известно, что Si-нанопроволоки, выра-

щенные химическим осаждением из газовой фазы с Auкатализатором и диаметром крупнее, чем 100 нм, имеют тенденцию расти в кристаллографическом направлении <111>. Кроме того, в литературе также описан рост ННК в направлениях <110>, <112> и редко в направлении <100> .

Однако совсем недавно было обнаружено, что ННК Si, выращенные эпитаксией на Si(100)-подложках в ПЖК-процессе, при переходе через диаметр примерно в 20 нм изменяют кристаллографическое направление роста с <111> на <110>. ННК выращивались сверхвысоковакуумным химическим осаждением из паровой фазы с использованием разбавленного SiH4 как прекурсора. Au служило как катализатор, который был нанесен при комнатной температуре в виде пленки толщиной 0,3 нм и отожженный при 673 К в течении 6 102 с. Рост происходил при температуре 673 К и парциальном давлении SiH4 10 Па.

На рис. 2.9 показано типичное РЭM-изображение подложки с тремя различными типами выращенных ННК (вид сверху). Первый, точечный тип: ННК наклонены под углом ±18.4° к горизонтальной или вертикальной оси (рис. 2.9, б). Как схематично показано на рис. 2.9, в, эти кристаллы однозначно соответствуют ориентации <112>. ННК Si с кристаллографическим направлением <110> представляет собой вторую группу идентифицированных кристаллов. Они вырастают под углом ±45° к горизонтальному расположению изображенной оси (рис. 2.9, б). Более того, можно непосредственно оценить, что их диаметр сравнительно мал. Третий тип наблюдаемых ННК схематично показан на рис. 2.9, в и г. Кристаллы этого типа могут быть ориентированы в одном из двух направлений <211> или <111>.

67

Рис. 2.10. Схематическое изображение ННК с кристаллографической ориентацией: <110> , выращенных на подложке (100) (а), <112>, выращенных на подложке (100) (б) и <111>, выращенных на подложке (100) (в). Визуальное направление <111> [18]

Рис. 2.11. Поверхностная плотность ННК Si разных диаметров для различных кристаллографических направлений роста. Соотношение плотностей с различными направлениями роста (вставка) [18]

69

Обнаруженную размерную зависимость направления роста ННК можно объяснить различным вкладом в термодинамику процесса свободной поверхностной энергии боковых граней ННК различной кристаллографической ориентации и вкладом свободной межфазной энергии границы кристалл/жидкость. Поскольку средняя поверхностная энергия αS боковых граней ННК, растущих в направлении <110>, меньше, чем аналогичная величина для ННК, выращиваемых в направлении <111> с наиболее плотной упаковкой атомов, а свободная межфазная энергия αSL границы кристалл/жидкость, представляющая собой грань <111>, меньше, чем энергия грани ориентации <110>, суммарный их вклад f на графике размерной зависимости дает точку пересечения rC при диаметре 20 нм (рис. 2.12).

Рис. 2.12. Схема свободной энергии, приходящейся на единицу длины трехфазной линии, как функции радиуса ННК для двух ориентаций <110> и <111>. Параметр z ≈1 нм – толщина границы кристалл/газ

С уменьшением размера вклад боковой поверхности в минимизацию суммарной свободной поверхностной энергии ННК растет, и при диаметрах менее 20 нм термодинамически выгод-

70