
- •Содержание
- •Тема 1. Введение. Твердое тело. Силы
- •1.1 Введение 9
- •Тема 2. Строение твердого тела 23
- •Тема 3. Дефекты. Роль дефектов в твердом теле 57
- •3.2. Точечные дефекты решетки 57
- •Тема 4. Диаграммы состояния двухкомпонентных
- •Тема 5. Некоторые положения квантовой механики 99
- •Тема 6. Элементы зонной теории твердого тела. Взгляд на строение атома и твердого тела с позиций квантовой механики 119
- •Тема 7. Полупроводники. Собственный полупро-
- •Тема 8 . Размерное квантование и квантово-размер-
- •Тема 9. Основные положения термодинамики, механизмы роста пленок и образование зародышей 192
- •Тема 10. Технология получения, механизмы и режимы роста гетероэпитаксиальных структур 232
- •Тема 11. Методы получения нанообъектов и квантово-размерных структур 267
- •Тема 12. Методы исследования наноматериалов 341
- •Тема 1. Введение. Твердое тело. Силы взаимодействия. Типы связи.
- •1.1. Введение
- •1.2. Твердое тело. Силы взаимодействия. Типы связи.
- •Тема 2. Строение твердого тела. Цели и задачи изучения темы:
- •2.1. Кристалл.
- •2.2. Решетка Бравэ. Трансляция. Элементарная ячейка.
- •2.3.Элементы симметрии.
- •2.4. Группы симметрии. Сингонии.
- •2.5. Плотнейшие упаковки частиц в структурах.
- •2.6. Жидкие кристаллы.
- •2.7.Наночастицы с гранецентрированной решеткой. Кубоктаэдр.
- •Элементы симметрии.
- •Тема 3. Дефекты. Роль дефектов в твердом теле.
- •3.1. Дефекты кристаллических решеток.
- •3.2. Точечные дефекты решетки
- •3.3. Линейные дефекты кристаллической решетки.
- •3.4 Поверхностные дефекты кристаллической решетки.
- •3.5. Объёмные дефекты кристаллической решетки.
- •3.6. Энергетические дефекты кристаллической решетки.
- •3.7. Твёрдые растворы
- •Поверхностные дефекты кристаллической решетки.
- •Тема 4. Диаграммы состояния двухкомпонентных систем.
- •4.1. Типы диаграмм состояния.
- •Тема 5. Некоторые положения квантовой механики.
- •5.1.Возникновение квантовой механики.
- •5.2. Волновая функция ψ. Плотность вероятности.
- •5.3. Соотношение неопределенности Гейзенберга.
- •5.4. Общее уравнение Шредингера. Уравнение Шредингера для стационарных состояний.
- •5.5. Принцип причинности в квантовой механике.
- •5.6. Движение свободной частицы
- •5.7. Частица в одномерной прямоугольной «потенциальной яме» с бесконечно высокими «стенками».
- •5.8. Прохождение частицы сквозь потенциальный барьер. Туннельный эффект
- •5.9. Линейный гармонический осциллятор в квантовой механике.
- •Принцип причинности в квантовой механике.
- •Движение свободной частицы.
- •Тема 6. Элементы зонной теории твердого тела. Взгляд на строение атома и твердого тела с позиций квантовой механики.
- •6.1. Взгляд на строение атома и твердого тела с позиций кванто-вой механики.
- •6.1.1. Современный взгляд на строение и свойства
- •6.1.2. Взгляд на строение атома с позиций квантовой механики.
- •6.2. Элементы зонной теории.
- •6.2.1.Основные положения зонной теории.
- •6.2.2. Волновая функция электрона в периодическом поле.
- •6.2. 3. Зоны Бриллюэна.
- •6.2.4. Методы расчета энергетической структуры кристаллов.
- •6.2.4.1. Приближение сильносвязанных электронов.
- •6.2.4.2. Приближение свободных электронов. Энергетический спектр электронов в прямоугольной потенциальной яме.
- •6.2.4.3. Приближение слабосвязанных электронов.
- •6.2.5. Модель Кронига – Пенни.
- •6.2.6. Заполнение зон электронами. Металлы, диэлектрики, полупроводники.
- •Тема 7. Полупроводники. Собственный полупроводник. Генерация и рекомбинация носителей зарядов. Уровень Ферми. Эффективная масса носителя заряда. Примесный полупроводник. Цели и задачи изучения темы:
- •7.1. Полупроводники.
- •7.2.Собственные и примесные полупроводники. Носители заряда в полупроводниках.
- •7.3. Энергия Ферми.
- •7.4. Генерация и рекомбинация носителей зарядов.
- •7.5. Собственная проводимость полупроводника.
- •7.6. Примесные полупроводники.
- •7.6.1. Примесные уровни.
- •7.6.2. Примесная проводимость полупроводников.
- •7.6.3. Полупроводник р-типа.
- •7 .6.4. Сильно легированный полупроводник. Роль беспорядка в кристалле.
- •7.7. Температурная зависимость проводимости примесных полупроводников.
- •7.8. Дрейфовый и диффузионный токи в полупроводнике.
- •А плотность дырочного дрейфового тока
- •Вопросы для повторения:
- •Резюме по теме:
- •Тема 8 . Размерное квантование и квантово-размерные структуры.
- •8.1. Принцип размерного квантования
- •8.2. Условия наблюдения квантовых размерных эффектов.
- •8.3. Структуры с двумерным электронным газом.
- •8.4. Структуры с одномерным электронным газом (квантовые нити).
- •8.5. Структуры с нуль-мерным электронным газом
- •8.6. Структуры с вертикальным переносом.
- •Тема 9. Основные положения термодинамики, механизмы роста пленок и образование зародышей.
- •9.1. Основные понятия термодинамики.
- •9.2. Три начала термодинамики.
- •9.3. Термодинамические потенциалы.
- •9.4. Термодинамическая теория фазовых равновесий.
- •9.4.1. Термодинамические системы.
- •9.4.2. Условия фазового равновесия.
- •9.4.3. Фазовые переходы.
- •9.5. Принцип локального равновесия.
- •9.6. Самоорганизация систем.
- •9.7. Поверхностные явления.
- •9.7.1. Поверхностная энергия.
- •9.7.2. Поверхностное натяжение.
- •9.7.3. Капиллярные явления.
- •9.7.4. Адсорбция, десорбция и испарение с поверхности.
- •9.8. Массоперенос и ионизация на поверхности.
- •9.8.1. Массоперенос и ионизация на поверхности.
- •9.8.2. Межфазные характеристики.
- •9.9. Механизмы роста пленок на реальных подложках.
- •Тема 10. Технология получения, механизмы и режимы роста гетероэпитаксиальных структур.
- •10.1. Гетерогенные процессы формирования наноструктур
- •10.1.1. Молекулярно-лучевая эпитаксия.
- •10.2. Газовая эпитаксия из металлоорганических соединений.
- •10.3. Метод нанолитографии.
- •10.4. Самоорганизация квантовых точек и нитей.
- •10.4.1. Режимы роста гетероэпитаксиальных структур.
- •10.4.2. Рост наноструктур на фасетированных поверхностях.
- •10.4.3. Трехмерные массивы когерентно-напряженных островков.
- •10.4.4. Поверхностные структуры плоских упругих доменов.
- •1 0.4.5. Структуры с периодической модуляцией состава в эпи-таксиальных пленках твердых растворов полупроводников.
- •1 0.5. Изготовление наноструктур и наноприборов с помощью стм и асм.
- •Тема 11. Методы получения нанообъектов и квантоворазмерных структур.
- •11.1. Коллоидная и золь-гельная технология.
- •11.1.1. Формирование структур на основе коллоидных растворов.
- •11.1.2. Организация и самоорганизация коллоидных структур.
- •11.1.3. Оптические и электронные свойства коллоидных кластеров.
- •11.1.4. Коллоидные кристаллы. Формирование упорядоченных наноструктур.
- •11.1.5. Золь-гель технология.
- •11.1.6. Методы молекулярного наслаивания и
- •11.1.7. Методы получения металлов и диэлектриков.
- •11.2. Методы получения упорядоченных наноструктур. Гетероструктуры.
- •11.2.1. Гетероструктуры – основа получения наноструктур.
- •11.2.2. Формирование полупроводниковых и металлических нановолокон и спиралей.
- •11.2.3 Самоорганизация при эпитаксиальном росте.
- •12.2.3.1. Наногофрированные структуры.
- •11.2.3.2. Самоорганизация гетероэпитаксиальных структур.
- •11.3. Пучковые методы нанолитографии.
- •11.3.1. Литографические методы формирования структур.
- •11.3.2. Оптическая литография.
- •11.3.3. Рентгеновская литография.
- •11.3.4. Электронная литография.
- •11.3.5. Ионная литография.
- •11.3.6. Возможности пучковых методов нанолитографии в наноэлектронике.
- •11.3.7. Нанопечатная литография.
- •11.3.8. Ионный синтез квантовых наноструктур.
- •11.4. Рост на активированных поверхностях. Нановискеры.
- •11.5. Методы зондовой нанотехнологии.
- •11.5.1. Физические основы зондовой нанотехнологии.
- •11.5.2. Контактное формирование нанорельефа.
- •11.5.3. Бесконтактное формирование нанорельефа.
- •11.5.4. Локальная глубинная модификация поверхности.
- •11.5.5. Межэлектродный массоперенос.
- •11.5.6. Локальное анодное окисление.
- •11.5.8. Совместное использование лазера и стм
- •Тема 12. Методы исследования наноматериалов.
- •12.1. Введение.
- •12.2. Методы исследования химического состава поверхности.
- •12.2.1. Масс-спектроскопия.
- •12.2.3. Ионная масс-спектроскопия.
- •12.2.4. Фотоэлектронная спектроскопия.
- •12.2.5. Радиоспектроскопия.
- •12.3. Исследования физической структуры поверхности.
- •12.3.1. Рентгеноструктурный анализ.
- •12.3.2. Рентгеновская спектроскопия и дифракция.
- •1 2.3.2.1. Рассеяние на аморфных и частично упорядоченных объектах. Малоугловое рентгеновское рассеяние.
- •12.3.2.2. Рентгеновская спектроскопия поглощения: exafs, xans, nexafs.
- •12.3.3. Анализ поверхности электронным пучком.
- •12.3.4. Полевая эмиссионная микроскопия.
- •12.3.5. Сканирующая зондовая микроскопия.
- •12.3.5.1. Сканирующая туннельная микроскопия.
- •12.3.5.2. Атомно-силовая микроскопия.
- •12.3.6. Магнито – силовая микроскопия.
- •12.3.7. Электронная микроскопия.
- •12.3.8. Эллипсометрия.
- •12.4. Спектроскопия.
- •12.4.1. Инфракрасная и рамановская спектроскопия.
- •12.4.2. Фотоэмиссия и рентгеновская спектроскопия.
- •12.5. Методы исследования кинетических свойств объема и поверхности наноматериалов и наноструктур.
- •12.5.1. Исследование удельного сопротивления.
- •12.5.2. Диагностика поверхностных состояний.
- •12.5.3. Кинетические параметры.
3.3. Линейные дефекты кристаллической решетки.
Дислокации образуются:
При росте кристаллов из расплава
При срастании слегка разориентированных дендритов
При захлопывании вакансий
Вследствие неоднородности химического состава
При пластической деформации
З
а счет источника Франка-Рида.
Важным видом дефектов являются – дислокации (рис. 3.3.1). Наиболее простой и наглядный способ введения дислокаций в кристалл – это сдвиг. Структура кристалла, полученная в результате сдвига, показана на рис. 3.3.2. В верхней части рисунка оказывается на одну вертикальную атомную плоскость больше, чем в нижней. Одна «лишняя» плоскость оказывается оборванной и не имеет продолжения внизу. Такую неполную плоскость называют экстраплоскостью. Край экстраплоскости является линейным дефектом и называется краевой дислокацией. Область кристалла непосредственно вокруг края экстраплоскости называют ядром дислокации.
Для оценки величины искажений кристаллической решетки вблизи дислокации Бюргерс предложил построить замкнутый контур вокруг участка кристалла, содержащего дислокацию, а затем построить такой же контур на участке кристалла с правильной решеткой.
Как
видно из приведенного рисунка 3.3.3, для
построения замкнутого контура вокруг
участка, содержащего дислокацию,
потребовалось 10 шагов. При построении
аналогичного пути из 10 шагов в области
совершенного кристалла контур не
замыкается. Для замыкания контура
требуется еще один шаг (b),
в настоящее время называемый вектором
Бюргерса. Построение контура Бюргерса
в участке кристалла содержащего
дислокацию можно начинать из произвольной
точки и в любом направлении. Однако
всегда в случае краевой дислокации
вектор Бюргерса оказывается перпендикулярным
линии краевой дислокации.
В
связи с этим у Бюргерса возник вопрос:
нельзя ли представить дислокацию, вектор
смещения которой параллелен линии
дислокации? В 1939 году он предложил
геометрический образ такой дислокации
и назвал ее винтовой дислокацией.
Как видно из рис. 3.3.4,а , при круговом движении по плоскости перпендикулярной винтовой дислокации происходит смещение на следующую плоскость аналогичное движение по винтовой лестнице.
П
оэтому
такой дефект называют винтовой
дислокацией. Появляется винтовая
дислокация при деформации кристалла
по схеме, изображенной на рис. 3.3.5.
Рассмотрим в случае простой кубической
решетки плоскость типа {100}. Если на
кристалл воздействовать силой
(
рис. 3.3.5,а), то плоскость А1 в
месте, отмеченном стрелочкой, может
«разорваться» по линии В, после чего
нижняя и верхняя половинки плоскости
А1 соединятся со сдвигом на
1
период решетки (рис. 3.3.5,б). Если
продолжать воздействие на кристалл, то
следующая плоскость разорвется, после
чего нижняя и верхняя половинки плоскости
А2 соединятся со сдвигом (рис.
3.3.5,в), и так далее. Таким образом, в
кристалле появится винтовая дислокация,
которая при воздейст-вии на кристалл
будет перемещаться вдоль плоскости
скольжения за счет разрыва – соединения
соседних половинок плоскостей. Заметим,
что разрыв новой плоскости происходит
как раз на линии дислокации, поскольку
именно на ней искажения кристаллической
решетки наибольшие (рис. 3.3.5).
У вектора Бюргерса есть ряд особенностей:
вектор Бюргерса нонвариантен, то есть не зависит от выбора контура обхода. Отсюда следует, что дислокация не может оборваться в кристалле;
энергия упругих искажений решетки пропорциональна квадрату модуля вектора Бюргерса;
при прохождении решеточной дислокации с вектором Бюргерса, равным периоду решетки, кристаллическая решетка не изменяется.
При приложении внешних напряжений дислокации смещаются и выходят на поверхность кристалла, и таким образом осуществляется пластическая деформация. Очевидно, что перемещение дислокаций вдоль плотноупакованных направлений и в плотноупакованных плоскостях осуществляется легче, чем в не плотноупакованных направлениях, вдоль которых расстояния между атомами больше. Следовательно, материалы с плотноупакованными кристаллическими решетками металлы обладают высокой пластичностью.
Дислокации смешанного типа. На рис. 3.3.6. приведен пример криво-линейной дислокации смешанного типа, соединяющей точки А и В. Видно, что в точке А расположение атомов отвечает краевой, а в точке В – винтовой дислокации. Такая дислокация может быть получена сдвиговой неоднород-ной деформацией.
Дислокации могут взаимодействовать. Дислокация создает поля деформаций, которые могут воздействовать на другие дислокации. Дислока-ции могут притягиваться или отталкиваться между собой.
Присутствие
в кристаллической решетке дислокаций
оказывает решающее влияние на механические
свойства материалов. При полном отсутствии
дислокаций прочность кристаллов должна
была бы быть в сотни раз выше реальной.
В обычных же материалах дислокации
всегда присут-ствуют, поэтому их прочность
существенно ниже теоретической.
Подтверж-дением этого положения является
создание нитевидных кристаллов, так
называемых "усов". Усы из-за малого
диаметра кристалла практически сво-бодны
от дислокаций, и поэтому их прочность
приближается к теорети-ческой.
Взаимодействие дислокаций и точечных дефектов. Дислокация, особенно краевая, создает сильно сжатые и сильно растянутые участки кристаллической решетки (рис. 3.3.7). В растянутые места энергетически выгоднее переместиться крупным атомам примеси замещения, а в сжатые - мелким атомам примеси замещения. Атомам внедрения, особенно крупным, также выгоднее перемещаться в область растянутой кристаллической решетки вблизи дислокации.
В
растянутые места энергетически выгоднее
переместиться крупным атомам примеси
замещения, а в сжатые – мелким атомам
примеси замещения. Атомам внедрения,
особенно крупным, также выгоднее
перемещаться в область растянутой
кристаллической решетки вблизи
дислокации. В таком случае вблизи
дислокации образуется скопление
примесей, называемое «шубой дислокации»,
которое уменьшает локальную деформацию
вблизи дислокации и энергию дислокации.
При пластической деформации сдвинуть
такую дислокацию с места труднее, чем
дислокацию без "шубы", поскольку
в первом случае дислокация сместится
на новое место, где ее энергия будет
больше. Считают, что отдельные точечные
дефекты и их скопления закрепляют
дислокацию. В электронный микроскоп
удается заметить появление крупных
примесей вблизи дислокации. Рассматриваемый
в теории прочности «зуб текучести»
связывают с отрывом дислокации от шубы,
для чего требуется дополнительное
усилие.
Как
уже отмечалось, дислокации появляются
главным образом в результате пластической
деформации кристаллов. Одним из источников
дислокаций при пластической деформации
считают источник Франка-Рида, схематически
изображенный на рис. 3.3.8. Пусть дислокация
1 закреплена в точках А
и В.
Такими точками могут быть скопления
атомов иного размера, область другой
фазы и т.п. При приложении внешнего
механического напряжения дислокация
перемещается, последовательно занимая
положения 2, 3, 4. Наконец в положении 5
левая и правая полупетли дислокации
схлопываются, образуя дислокационную
петлю 6 округлой формы. При наличии
достаточного внешнего механического
напряжения процесс повторится, , а далее
процесс повторится и зародится следующая
дислокация (
кривая
6′ примет сначала форму 1) и так далее.
Также замкнутые дислокации появляются при образовании дископо-добных скоплений вакансий (рис. 3.3.9) при охлаждении кристалла.
У
частки
кристалла с растянутой кристаллической
решеткой вблизи дислокации являются
своеобразными каналами облегченной
диффузии. Известно, что диффузия в сильно
деформированных материалах, в которых
плотность дислокаций больше, происходит
быстрее, чем в недеформиро-ванных.
При повышении плотности дислокаций в обычных материалах их прочность возрастает. Это связано с тем, что в ядре дислокации кристал-лическая решетка искажена, следовательно, дислокации окружены полями упругих напряжений. При увеличении плотности дислокаций поля упругих напряжений перекрываются, дислокации взаимодействуют друг с другом, и перемещение дислокаций затрудняется. Хотя прочность материалов с повы-шенной плотностью дислокаций всего лишь в полтора – два раза выше прочности материалов с обычной плотностью дислокаций, такое повышение прочности имеет большое практическое значение. Повышение плотности дислокаций легко провести путем холодной пластической деформации. Повышение прочности металлов в ходе холодной пластической деформации называют наклепом, или нагартовкой.
Зависимость прочности металлических материалов от плотности дислокаций показана на рис. 3.3.10.
Наличие в материале дислокаций резко повышает скорость диффузии. Это связано с тем, что дислокации могут являться источниками и стоками вакансий. При испускании вакансий дислокации переползают на плоскость лежащую выше, а при поглощении вакансий дислокации переползают на плоскость, лежащую ниже исходной плоскости. Таким образом, наличие дислокаций повышает локальную концентрацию вакансий, а следовательно, ускоряет диффузию. Этим пользуются опытные мастера, прежде чем затачивать жало паяльника они отбивают его. Тогда при облуживании жала припоем, олово, входящее в состав припоя, диффундирует в медное жало, и на поверхности жала образуется тонкий слой сплава меди с оловом – бронзы. Коррозионная стойкость материала повышается, и жало паяльника служит дольше.
Дислокации взаимодействуют с атомами растворенных примесей или легирующих элементов. Как отмечалось выше, вблизи чужеродного атома кристаллическая решетка искажена - растянута или сжата. В ядре дислокации кристаллическая решетка также искажена: под экстраплоскостью кристал-лическая решетка растянута, а над экстраплоскостью сжата. Поэтому чужеродные атомы притягиваются к дислокациям, образуя скопления, которые называют атмосферы Котрелла. При движении дислокаций вместе с ними перемещаются и атмосферы Котрелла, что приводит к затруднению движения дислокаций или к повышению прочности металлических материалов. Поэтому сплавы прочнее чистых металлов.
Искажение кристаллической решетки за счет присутствия дислокаций повышает удельное электрическое сопротивление металлических материалов и снижает удельное электрическое сопротивление неметаллических материалов. Природа влияния дислокаций на электрические свойства материалов аналогична природе влияния точечных дефектов.
Д
ислокации
и рост кристаллов.
Винтовые дислокации облегчают рост
кристаллов (как из расплавов, так
растворов и паров), поскольку ступенька
на поверхности кристалла (рис. 3.3.11),
связанная с винтовой дислокацией,
облегчает осаждение атомов на поверхность
кристаллов в местах обозна-ченных на
рис. 3.3.11 буквой А.
Атомы прикрепляются под ступенькой
большим числом связей, чем на гладкой
поверхности кристаллов. На поверхности
достаточно совершенных кристаллов
часто наблюдают следы подобных ступенек.