Странского — Крастанова¶

Странского — Крастанова — это механизм гетерогенного зародышеобразования, описывающий рост тонких плёнок на подложке в условиях, когда атомы осаждаемого материала не смачивают поверхность подложки. В рамках этого механизма на начальном этапе формируются трёхмерные островки (нуклеусы), которые затем, при достижении критического размера, сливаются и образуют сплошной слой. Данный механизм является промежуточным между послойным ростом (Франка — Ван дер Мерве) и островковым ростом (Фольмера — Вебера). Он был впервые описан Иваном Странским и Любомиром Крастановым в 1938 году при изучении роста кристаллов из паровой фазы.

¶История открытия

Механизм был предложен болгарскими физико-химиками Иваном Странским и Любомиром Крастановым в 1938 году. В ходе экспериментов по осаждению металлов на металлические подложки они обнаружили, что при определённых условиях (температура, давление, скорость осаждения) на поверхности подложки сначала образуются двумерные слои, а затем, после их насыщения, начинается формирование трёхмерных островков. Это наблюдение противоречило существовавшим на тот момент представлениям о том, что рост плёнок происходит либо исключительно послойно, либо исключительно островковым способом. Странский и Крастанов предложили теоретическую модель, объясняющую этот переход изменением поверхностной энергии системы.

¶Физическая сущность механизма

Механизм Странского — Крастанова реализуется, когда поверхностная энергия подложки (γ_sub) выше, чем поверхностная энергия осаждаемого материала (γ_film), но при этом разница между ними невелика. В таких условиях атомы осаждаемого материала адсорбируются на подложке, образуя двумерный слой (смачивающий слой). Однако по мере роста толщины этого слоя его кристаллическая структура начинает искажаться из-за несоответствия параметров решётки подложки и плёнки. Это приводит к накоплению упругих напряжений. Когда толщина смачивающего слоя достигает критического значения (обычно 1–5 монослоёв), энергетически выгодным становится образование трёхмерных островков на поверхности этого слоя. Островки растут, пока не произойдёт их коалесценция (слияние) и формирование сплошной плёнки.

¶Условия реализации

Для реализации механизма Странского — Крастанова необходимо выполнение следующих условий:

• Несоответствие параметров решётки (lattice mismatch) между подложкой и плёнкой должно быть достаточно велико (обычно более 2–3 %), чтобы вызывать значительные упругие напряжения.
• Поверхностная энергия подложки должна быть выше, чем у плёнки, но не настолько, чтобы сразу происходил островковый рост.
• Температура осаждения должна быть достаточно высокой, чтобы обеспечить диффузию атомов по поверхности, но не настолько высокой, чтобы вызвать десорбцию или объёмную диффузию.

¶Этапы роста

Процесс роста по механизму Странского — Крастанова можно разделить на три основных этапа:

1. Формирование смачивающего слоя (2D-рост). На начальном этапе атомы осаждаемого материала адсорбируются на подложке и образуют двумерные островки, которые затем сливаются в сплошной монослой. Этот процесс повторяется до тех пор, пока не будет достигнута критическая толщина (обычно 1–3 монослоя).

1. Образование трёхмерных островков (3D-рост). После достижения критической толщины упругие напряжения в смачивающем слое становятся настолько велики, что дальнейшее послойное наращивание становится энергетически невыгодным. Вместо этого на поверхности смачивающего слоя начинают формироваться трёхмерные островки (нуклеусы). Эти островки могут иметь различную форму (куполообразную, пирамидальную, усечённую пирамиду) в зависимости от кристаллической структуры материала.

1. Коалесценция и формирование сплошной плёнки. По мере продолжения осаждения трёхмерные островки растут, пока не начинают соприкасаться друг с другом. При этом происходит их слияние (коалесценция), в результате которого образуется сплошная, но неоднородная по толщине плёнка. В некоторых случаях после коалесценции может наблюдаться вторичное сглаживание поверхности за счёт поверхностной диффузии.

¶Применение

Механизм Странского — Крастанова имеет важное значение в различных областях науки и техники, особенно в микроэлектронике и нанотехнологиях.

¶Эпитаксия полупроводников

В технологии молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) и химического осаждения из газовой фазы (CVD) механизм Странского — Крастанова используется для выращивания квантовых точек (квантовых ям) — наноразмерных структур, обладающих уникальными оптическими и электронными свойствами. Например, при осаждении германия на кремниевую подложку (Ge/Si) или индия на арсенид галлия (InAs/GaAs) происходит самоорганизация трёхмерных островков, которые после покрытия слоем другого материала образуют квантовые точки. Такие структуры применяются в лазерах, фотодетекторах, светодиодах и солнечных элементах.

¶Создание наноструктур

Механизм позволяет получать упорядоченные массивы наноостровков с контролируемыми размерами и плотностью. Это используется в производстве наноэлектронных устройств, таких как одноэлектронные транзисторы, ячейки памяти и сенсоры. В России, например, в Институте физики полупроводников имени А. В. Ржанова СО РАН (Новосибирск) ведутся работы по выращиванию квантовых точек на основе Ge/Si для создания фотоприёмников среднего инфракрасного диапазона.

¶Катализ

В некоторых случаях трёхмерные островки, образующиеся по механизму Странского — Крастанова, могут служить каталитически активными центрами. Например, наночастицы платины на оксидных подложках, полученные таким способом, используются в катализаторах для топливных элементов.

¶Примеры систем

Наиболее изученными системами, в которых реализуется механизм Странского — Крастанова, являются:

• Ge/Si (германий на кремнии). Классическая модель для изучения механизма. Несоответствие параметров решётки составляет около 4,2 %. Критическая толщина смачивающего слоя составляет 3–4 монослоя. Островки Ge имеют форму усечённых пирамид с основаниями размером 10–50 нм.
• InAs/GaAs (арсенид индия на арсениде галлия). Несоответствие решётки — около 7,2 %. Критическая толщина — 1,5–2 монослоя. Островки InAs имеют форму куполов или пирамид и используются для создания квантовых точек.
• PbSe/PbTe (селенид свинца на теллуриде свинца). Система, используемая в термоэлектрических и оптоэлектронных устройствах.
• Ag/Si (серебро на кремнии). Пример металлической системы, где механизм также наблюдается.

¶Критика и ограничения

Хотя механизм Странского — Крастанова является общепринятым для описания роста многих гетероэпитаксиальных систем, он не лишён недостатков. Во-первых, модель не учитывает кинетические эффекты, такие как скорость осаждения и диффузия, которые могут существенно влиять на морфологию плёнки. Во-вторых, в реальных системах часто наблюдается гибридное поведение, когда одновременно присутствуют признаки как послойного, так и островкового роста. В-третьих, для некоторых материалов (например, органических полупроводников) механизм может быть модифицирован из-за слабого межмолекулярного взаимодействия.

Кроме того, в последние годы были предложены уточнённые модели, учитывающие влияние дефектов, примесей и шероховатости подложки на процесс зародышеобразования. Тем не менее, механизм Странского — Крастанова остаётся фундаментальной основой для понимания роста тонких плёнок в условиях гетероэпитаксии.

¶Источники

• Stranski I. N., Krastanov L. (1938). "Zur Theorie der orientierten Ausscheidung von Ionenkristallen aufeinander". Sitzungsberichte der Akademie der Wissenschaften in Wien, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Klasse, Abteilung IIb, 146, 797–810.
• Venables J. A. (2000). Introduction to Surface and Thin Film Processes. Cambridge University Press.
• Eaglesham D. J., Cerullo M. (1990). "Dislocation-free Stranski-Krastanov growth of Ge on Si(100)". Physical Review Letters, 64(16), 1943–1946.
• Болховитянов Ю. Б., Пчеляков О. П. (2008). "Гетероэпитаксия Ge/Si: механизмы роста и формирование квантовых точек". Успехи физических наук, 178(5), 459–486.
• Bimberg D., Grundmann M., Ledentsov N. N. (1999). Quantum Dot Heterostructures. Wiley.