Способ получения нанокристаллов силицида железа α-fesi2 с изменяемой преимущественной ориентацией



Способ получения нанокристаллов силицида железа α-fesi2 с изменяемой преимущественной ориентацией
Способ получения нанокристаллов силицида железа α-fesi2 с изменяемой преимущественной ориентацией
Способ получения нанокристаллов силицида железа α-fesi2 с изменяемой преимущественной ориентацией
Способ получения нанокристаллов силицида железа α-fesi2 с изменяемой преимущественной ориентацией
Y10S977/933 -
Y10S977/933 -
Y10S977/81 -
Y10S977/81 -
Y10S977/773 -
Y10S977/773 -
Y10S977/721 -
Y10S977/721 -
Y10S977/701 -
Y10S977/701 -
Y10S438/982 -
Y10S438/982 -
Y10S438/974 -
Y10S438/974 -
Y10S438/973 -
Y10S438/973 -
C01P2004/40 - Неорганическая химия (обработка порошков неорганических соединений для производства керамики C04B 35/00; бродильные или ферментативные способы синтеза элементов или неорганических соединений, кроме диоксида углерода, C12P 3/00; получение соединений металлов из смесей, например из руд, в качестве промежуточных соединений в металлургическом процессе при получении свободных металлов C21B,C22B; производство неметаллических элементов или неорганических соединений электролитическими способами или электрофорезом C25B)

Владельцы патента RU 2681635:

Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр "Красноярский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук" (RU)

Изобретение относится к технологии получения материалов нанометрового размера, состоящих из нанокристаллов силицида железа α-FeSi2 с контролируемо изменяемой преимущественной кристаллографической ориентацией, формой и габитусом, и может применяться для разработки новых функциональных элементов в спинтронике и нанотехнологии. Способ получения нанокристаллов силицида железа α-FeSi2 с изменяемой преимущественной ориентацией включает предварительную химическую подготовку поверхности подложки кремния в водном растворе плавиковой кислоты и ее очистку путем отжига при 840-900°С, осаждение слоя золота на подложку кремния ориентацией Si(001) при комнатной температуре методом термического испарения в сверхвысоком вакууме, повышение температуры подложки до 840°С и соосаждение железа и кремния при атомном соотношении от 1:2 до 3:1. Техническим результатом изобретения является контролируемое получение нанокристаллов α-FeSi2 на поверхности кремния с различными преимущественными кристаллографическими ориентационными соотношениями, изменяемой огранкой и формой нанокристалла α-FeSi2 для одного и того же ориентационного соотношения. 3 ил., 1 табл., 4 пр.

 

Изобретение относится к технологиям получения материалов нанометрового размера, состоящих из нанокристаллов силицида железа α-FeSi2 с контролируемо изменяемой преимущественной кристаллографической ориентацией, формой и габитусом, и может применяться для разработки новых функциональных элементов в спинтронике, нанотехнологии, к примеру служить буферными, ориентирующими слоями для последующего роста других материалов и фаз силицидов железа на подложках кремния промышленно используемой ориентации Si(001), в частности β-FeSi2, для понижения напряжений и плотности дефектов в последнем. Посредством изменения преимущественной кристаллографической ориентации и напряжений кристаллической решетки нанокристаллов α-FeSi2, вызванных рассогласованием кристаллических решеток силицида α-FeSi2 и кремния возможно контролируемое увеличение намагниченности системы. Кроме того, нанокристаллы α-FeSi2 могут быть использованы в качестве омического контакта к кремнию, где нижний температурный предел существования омического контакта может изменяться варьированием преимущественной ориентации нанокристаллов α-FeSi2 на кремнии. Эффект достигается через изменение высоты барьера Шоттки, формируемого на интерфейсе силицид/кремний.

Фаза α-FeSi2 относится к тетрагональной кристаллической системе (P4mmm) с параметрами решетки а, b=2,684 , с=5,128 , где атомы Fe образуют квазидвумерную структуру и расположены в плоскостях α {001} разделенных двумя плоскостями, образованными атомами кремния. Парамагнитная и метастабильная в объемных условиях фаза α-FeSi2 в наномасштабе, как сообщается, может демонстрировать ферромагнитные свойства с намагниченностью выше чем чистое железо. Наряду с этим считается, что такие квазидвумерные соединения, как α-FeSi2, могут обнаруживать высокотемпературную сверхпроводимость.

Известен способ получения нанокристаллов силицида металла [патент US 2008211039 А1, МПК H01L 21/44, H01L 29/78, опубл. 04.09.2008] путем низко и высокотемпературного отжига металлической пленки, предварительно осажденной на поверхность диэлектрической пленки, содержащей кремний.

Существует способ получения пленки α-FeSi2 на поверхности подложки кремния [патент CN 101337676 А, МПК С01В 33/06, опубл. 07.01.2009] путем воздействия лазерным излучением на предварительно осажденный слой железа или силицида железа β-FeSi2. Этот способ достаточно эффективен для получения точечного омического контакта для микроэлектронных устройств на основе β-FeSi2 и позволяет легко контролировать площадь, занимаемую фазой α-FeSi2. Однако данный способ не обладает возможностью выбора кристаллографической ориентации формируемой фазы α-FeSi2, а также не позволяет формировать отдельностоящие нанокристаллы различной огранки.

Известен способ получения нанокристаллов силицида железа α-FeSi2 с изменяемой преимущественной ориентацией [R.V. Pushkarev, N.I. Fainer, Н. Katsui and others. Structural features and surface composition of epitaxial α-FeSi2 films obtained by CVD. - Mater. Des., 2018, 137, 422-429], включающий предварительную химическую подготовку поверхности подложки кремния в водном растворе плавиковой кислоты и ее очистку путем отжига при 840-900°С,

Недостатком этого способа является низкая плотность упаковки нанокристаллов силицида железа α-FeSi2 на поверхности кремния и тенденция к формированию сплошной пленки при увеличении температуры, которая является ключевым параметром для контроля преимущественной ориентации. Кроме того, данный способ не позволяет проводить синтез нанокристаллов силицида железа α-FeSi2 с кристаллографическими ориентационными соотношениями, отличающимися от α-FeSi2(001)//Si(001) и α-FeSi2(111)//Si(001), α-FeSi2(102)//Si(001). Так, способ не располагает возможностью получения нанокристаллов с ориентационными соотношениями α-FeSi2(110)//Si(001) и α-FeSi2(211)//Si(001), α-FeSi2(100)//Si(001), где Si(001) является базовым срезом подложки. Также отсутствует возможность изменения огранки и габитуса нанокристалла α-FeSi2 с одинаковым кристаллографическим ориентационным соотношением. Применяемый метод приводит к загрязнению поверхности различными веществами, такими как SiC, SiO2, Fe2O3 и С.

Наиболее близким аналогом, принятым за прототип, является способ получения нанокристаллов силицида железа α-FeSi2 с изменяемой преимущественной ориентацией [TARASOV I.A. et al, Growth of α-FeSi2 nanocrystals on si(100) with Au catalyst, «Materials Letters», 2016, Vol. 168, pp. 90-94], включающий предварительную химическую подготовку поверхности подложки кремния в водном растворе плавиковой кислоты и ее очистку путем отжига при 840-900°С, осаждение слоя золота на подложку при комнатной температуре методом термического испарения в сверхвысоком вакууме, повышение температуры подложки до 840°С и соосаждение железа и кремния.

Недостатки способа заключаются в отсутствии возможности контролируемого изменения преимущественной кристаллографической ориентации нанокристаллов α-FeSi2, а также изменения их преимущественных формы и огранки.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является разработка способа получения нанокристаллов α-FeSi2 с заданным кристаллографическим ориентационным соотношением, огранкой и габитусом методом термического осаждения в условиях сверхвысокого вакуума.

Техническим результатом заявляемого изобретения является способ получения нанокристаллов α-FeSi2 на поверхности кремния, в котором существует возможность контролируемого получения нанокристаллов α-FeSi2 с различными преимущественными кристаллографическими ориентационными соотношениями и изменяемой огранкой и формой нанокристалла α-FeSi2, для одного и того же ориентационного соотношения.

Технический результат достигается тем, что в способе получения нанокристаллов силицида железа α-FeSi2 с изменяемой преимущественной ориентацией, включающем предварительную химическую подготовку поверхности подложки кремния в водном растворе плавиковой кислоты и ее очистку путем отжига при 840-900°С, осаждение слоя золота на подложку при комнатной температуре методом термического испарения в сверхвысоком вакууме, повышение температуры подложки до 840°С и соосаждение железа и кремния, новым является то, что используют подложки кремния ориентацией Si(001), а соосаждение осуществляют с изменяемым атомным соотношением железа к кремнию от 1:2 до 3:1, соответственно.

Сопоставительный анализ с прототипом позволяет сделать вывод о том, что заявляемое изобретение отличается от известного тем, что нанокристаллы силицида железа формируются в результате термического осаждения железа, или соосаждения железа и кремния в условиях сверхвысокого вакуума на подложке кремния с ориентацией Si(001) и соосаждение осуществляют с изменяемым атомным соотношением железа к кремнию от 1:2 до 3:1, соответственно. Признаки, отличающие заявляемое решение от прототипа, обеспечивают заявляемому техническому решению соответствие критерию «новизна».

Признаки, отличающие заявляемое решение от прототипа не выявлены при изучении других известных технических решений в данной области техники и, следовательно, обеспечивают ему соответствие критерию «изобретательский уровень».

Сущность изобретения поясняется чертежами и таблицей. На фиг. 1 представлены микрофотографии поверхности кремния Si(001) со сформированными нанокристаллами α-FeSi2 при различных технологических условиях, фиг. 1а соответствует нанокристаллам α-FeSi2, полученным в присутствии золота на поверхности кремния при соотношении атомарных потоков Fe(1):Si(2), фиг. 1b - в присутствии золота на поверхности кремния при соотношении атомарных потоков Fe(3):Si(1), фиг. 1с демонстрирует увеличенный вид некоторых нанокристаллов α-FeSi2 на фиг. 1а, фиг. 1с - увеличенный вид некоторых нанокристаллов α-FeSi2 на фиг. 1b, фиг. 1е - в отсутствии золота на поверхности кремния при соотношении атомарных потоков Fe(1):Si(2), фиг. 1f - в отсутствии золота на поверхности кремния при соотношении атомарных потоков Fe(3):Si(1), фиг. 1g демонстрирует увеличенный вид некоторых нанокристаллов α-FeSi2 на фиг. 1е, фиг. 1h - увеличенный вид некоторых нанокристаллов α-FeSi2 на фиг. 1f. На фиг. 2 - схематическое изображение форм и огранки, габитуса нанокристаллов α-FeSi2, получаемых в ориентационном соотношении α(001)[010]//Si(001)[010] и α(001)[010]//Si(001)[110]. На фиг. 3, в качестве примера показано схематическое изображение механизма образования нанокристаллов α-FeSi2 в виде нанопластин с ориентационным соотношением α(001)//Si(001). Таб. 1 содержит информацию об изменении объемной доли нанокристаллов α-FeSi2 с определенным ориентационным соотношением для различных условий формирования.

Сущность изобретения заключается в проведении реакции силицидообразования на поверхности кремния, активированной/неактивированной золотом в неравновесных условиях при совместном осаждении железа и кремния в условиях сверхвысокого вакуума (1×10-6 Па) с изменяемым отношением атомарных потоков железа к кремнию от 1:2 до 1:0 при повышенных температурах. Формирование желаемого преимущественного ориентационного соотношения происходит через изменение поверхностной энергии и энергии интерфейса нанокристаллов α-FeSi2, для изменения формы и габитуса нанокристаллов α-FeSi2 применяется соосаждение железа и кремния с изменяемым атомным соотношением железа к кремнию от 1:2 до 1:0, направленное на регулировку доли атомов кремния из подложки, участвующих в процессе силицидообразования. Варьируя соотношения в указанном диапазоне можно управлять преимущественной формой и огранкой, габитусом, формирующихся нанокристаллов. Например, увеличение доли железа в осаждаемом атомарном потоке железа на поверхность кремния, активированную золота, приводит к преимущественному формированию нанокристаллов α-FeSi2 в виде пластин с плоской атомарно-чистой поверхностью α(001).

Пример осуществления

Получение нанокристаллов α-FeSi2 с преимущественными ориентационными соотношениями α(001)//Si(001) и α(111)//Si(001) и изменяемыми преимущественными формой и огранкой, габитусом.

I. Нанокристаллы α-FeSi2 с преимущественным ориентационным соотношением α(001)//Si(001) и преимущественным габитусом в виде тетраэдра изготавливались в следующей технологической последовательности:

1) Предварительная подготовка поверхности подложки кремния ориентации Si(001) в водном растворе плавиковой кислоты.

2) Получение атомарно-чистой поверхности кремния Si(001) с реконструкцией 2×1 путем отжига подложки при 840-900°С.

3) Осаждение методом термического испарения в сверхвысоком вакууме в камере молекулярно-лучевой эпитаксии слоя золота на поверхность Si(001)2×1 при комнатной температуре, при скорости осаждения порядка 0,3 нм/мин. Эффективная толщина слоя золота 1 nm.

4) Повышение температуры подложки до 840°С

5) Соосаждение железа и кремния на поверхность кремния, активированную золотом, при атомарном соотношением железа к кремнию 1:2, в течение 60 минут, при скоростях осаждения 0,1 нм/мин и 0,34 нм/мин для железа и кремния, соответственно.

II. Нанокристаллы α-FeSi2 с преимущественным ориентационным соотношением α(001)//Si(001) и преимущественным габитусом в виде усеченной четырехугольный пирамиды/бипирамиды с высоким характеристическим отношением изготавливались в следующей технологической последовательности:

1) Предварительная подготовка поверхности подложки кремния ориентации Si(001) в водном растворе плавиковой кислоты.

2) Получение атомарно-чистой поверхности кремния Si(001) с реконструкцией 2×1 путем отжига подложки при 840-900°С.

3) Осаждение методом термического испарения в сверхвысоком вакууме в камере молекулярно-лучевой эпитаксии слоя золота на поверхность Si(001)2×1 при комнатной температуре, при скорости осаждения порядка 0,3 нм/мин. Эффективная толщина слоя золота 1 nm.

4) Повышение температуры подложки до 840°С

5) Соосаждение железа и кремния на поверхность кремния, активированную золотом, при атомарном соотношением железа к кремнию 3:1, в течение 60 минут, при скоростях осаждения 0,22 нм/мин и 0,13 нм/мин для железа и кремния, соответственно.

III. Нанокристаллы α-FeSi2 с преимущественным ориентационным соотношением α(111)//Si(001) и преимущественным габитусом в виде трапезоидной призмы изготавливались в следующей технологической последовательности:

1) Предварительная подготовка поверхности подложки кремния ориентации Si(001) в водном растворе плавиковой кислоты.

2) Получение атомарно-чистой поверхности кремния Si(001) с реконструкцией 2×1 путем отжига подложки при 840-900°С.

3) Установление температуры подложки на уровне 840°С

4) Соосаждение железа и кремния на поверхность кремния, активированную золотом, при атомарном соотношением железа к кремнию 1:2, в течение 60 минут, при скоростях осаждения 0,1 нм/мин и 0,34 нм/мин для железа и кремния, соответственно.

IV. Нанокристаллы α-FeSi2 со слабой огранкой с преимущественным ориентационным соотношением α(111)//Si(001) изготавливались в следующей технологической последовательности:

1) Предварительная подготовка поверхности подложки кремния ориентации Si(001) в водном растворе плавиковой кислоты.

2) Получение атомарно-чистой поверхности кремния Si(001) с реконструкцией 2×1 путем отжига подложки при 840-900°С.

3) Установление температуры подложки на уровне 840°С

4) Соосаждение железа и кремния на поверхность кремния, активированную золотом, при атомарном соотношением железа к кремнию 3:1, в течение 60 минут, при скоростях осаждения 0,22 нм/мин и 0,13 нм/мин для железа и кремния, соответственно.

Полученные нанокристаллы α-FeSi2 с различными преимущественными ориентационными соотношениями к подложке кремния Si(001) и различными преимущественной формой и огранкой, габитусом изучались на растровом электронном микроскопе Hitachi S-5500, анализ доли нанокристаллов α-FeSi2 с тем или иным ориентационными соотношением проводился методом рентгеноструктурного анализа на дифрактометре PANalytical PRO, оборудованном твердотельным детектором PIXcel. На фиг. 1 видно, что поверхность подложки кремния содержит нанокристаллы α-FeSi2, изменение технологических условий роста приводит к изменению преимущественной формы и огранки, габитуса нанокристаллов α-FeSi2 и их преимущественного кристаллографического ориентационного соотношения (см. таб. 1). Анализ поверхностной энергии граней кристалла α-FeSi2 (001) и (111), покрытых золотом и свободными от него методами квантового химического моделирования показал, что присутствие золота уменьшает поверхностную энергию грани α(111) с 9,54 до 7,77 эВ/нм2, тогда как в случае грани α(001) - увеличивает с 8,23 до 12,74 эВ/нм2. На фиг. 3 представлен механизм формирования нанокристаллов α-FeSi2 с ориентационным соотношением α(001)//Si(001) и габитусом в виде усеченной четырехугольный бипирамиды с высоким характеристическим отношением, основанный на результатах выполненного квантового химического моделирования.

Способ получения нанокристаллов силицида железа α-FeSi2 с изменяемой преимущественной ориентацией, включающий предварительную химическую подготовку поверхности подложки кремния в водном растворе плавиковой кислоты и ее очистку путем отжига при 840-900°С, осаждение слоя золота на подложку при комнатной температуре методом термического испарения в сверхвысоком вакууме, повышение температуры подложки до 840°С и соосаждение железа и кремния, отличающийся тем, что используют подложки кремния ориентацией Si(001), а соосаждение осуществляют с изменяемым атомным соотношением железа и кремния от 1:2 до 3:1 соответственно.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к способу получения на подложке пленок с ферромагнитными кластерами Mn5Ge3Ox в матрице GeO при низких температурах. Получаемая Mn5Ge3Ox фаза может быть использована в качестве элементов спинтроники.

Настоящее изобретение предусматривает способ получения шаблона для эпитаксиального выращивания. Способ содержит стадию поверхностной обработки, включающий диспергирование Ga-атомов на поверхности сапфировой подложки, и стадию эпитаксиального выращивания AlN-слоя на сапфировой подложке, где при распределении концентрации Ga в направлении глубины перпендикулярно поверхности сапфировой подложки во внутренней области AlN-слоя, исключая зону вблизи поверхности до глубины 100 нм от поверхности AlN-слоя, полученной вторичной ионно-массовой спектрометрией, положение в направлении глубины, где Ga - концентрация имеет максимальное значение, находится в области вблизи границы раздела, расположенной между границей раздела сапфировой подложки и положением, на 400 нм отстоящим от границы раздела к стороне AlN-слоя, и максимальное значение Ga-концентрации составляет 3×1017 атом/см3 или более и 2×1020 атом/см3 или менее.

Изобретение относится к области неорганической химии, конкретно к созданию новых композиционных материалов, состоящих из полупроводника антимонида алюминия и ферромагнетика антимонида марганца, которые могут найти применение для создания магниточувствительных диодных структур, магнитных переключателей и сенсоров магнитных полей на основе ферромагнитного композита.

Способ относится к технологии изготовления полупроводниковых приборов методом молекулярно-лучевой эпитаксии. В способе подготовки поверхности InSb подложки для выращивания гетероструктуры молекулярно-лучевой эпитаксией проводят предварительную обработку поверхности подложки InSb с модификацией состава остаточного оксидного слоя.
Изобретение относится к способу получения тонких пленок, в частности к получению аморфных пленок халькогенидных стеклообразных полупроводников с эффектом фазовой памяти, и может быть использовано в качестве рабочего слоя в приборах записи информации.

Изобретение относится к способу получения эпитаксиальной пленки дисилицида европия на кремниевой подложке и может быть использовано для создания контактов истока/стока в технологии производства полевых МОП транзисторов с барьером Шоттки (SB-MOSFET), а также для создания устройств спинтроники в качестве контакта-инжектора/детектора спин-поляризованных носителей.
Изобретение относится к способу получения тонких аморфных пленок халькогенидных стеклообразных полупроводников с эффектом фазовой памяти и может быть использовано в качестве рабочего слоя в устройстве энергонезависимой фазовой памяти для электронной техники.

Изобретение относится к технологии получения монокристаллического SiC - широкозонного полупроводникового материала, используемого для создания на его основе интегральных микросхем.

Изобретение относится к сублимационному выращиванию эпитаксиальных массивов самоорганизованных монокристаллических наноостровков кремния на сапфировых подложках и может быть использовано в качестве нанотехнологического процесса, характеризующегося повышенной стабильностью формирования однородных по размерам наноостровков кремния с пониженной степью дефектности их структуры.

Изобретение относится к области технологий осаждения полупроводниковых наночастиц халькогенидов свинца на прозрачные диэлектрические поверхности и может быть использовано при получении новых устройств на основе наносистем для микро- и оптоэлектроники, солнечных батарей, светодиодных ламп и других областей полупроводниковой техники.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к технологии производства магнитных сплавов системы железо-алюминий-никель-кобальт, применяемых для получения постоянных магнитов электродвигателей и навигацинных устройств.

Изобретение относится к области полупроводниковых материалов с модифицированными электрическими свойствами. Способ получения низкотемпературного термоэлетрика на основе сплава Bi88Sb12 с добавками гадолиния включает помещение навески сплава Bi88Sb12 и металлического гадолиния в количестве 0,01-0,1 ат.% в стеклянную ампулу, из которой откачивают воздух до 10-3 мм рт.

Изобретение относится к технологии получения вольфрама, легированного ниобием или танталом, и может быть использовано в электровакуумном приборостроении, электронике.

Изобретение относится к производству термоэлектрических материалов на основе теллуридов висмута и сурьмы. Способ заключается в предварительной очистке исходных компонентов методом вакуумной дистилляции, синтезе исходных компонентов в вакуумированных ампулах при нагреве до плавления и охлаждении, выращивании кристаллов методом вертикальной зонной перекристаллизации с применением высокочастотного нагрева, при этом выращивание кристаллов осуществляют путем не менее двух проходов со скоростью не более 2,5-3 см/ч, высокочастотный нагрев ведут на частоте 1,76 МГц с градиентом температур 200 К/см, а после выращивания кристаллов осуществляют приготовление порошка с наноструктурой размером не более 200 нм, обеспечивающей анизотропию свойств каждой частицы, брикетирование, спекание, а затем горячую экструзию.

Изобретение относится к области изготовления деталей, имеющих направленную кристаллографическую ориентацию. .

Изобретение относится к области металлургии, в частности к монокристаллическим сплавам на основе никеля и изготовленным из них лопаткам турбин. .

Изобретение относится к монокристаллическим материалам из сплавов благородных металлов. .

Изобретение относится к металлургии, преимущественно к технологии получения литых монокристаллических заготовок из сплавов, содержащих Fe-Co-Ni-Al-Cu-Ti (ЮНДКТ). .

Изобретение относится к области литейного производства, преимущественно к технологии получения монокристаллических отливок для изделий из сплавов с перитектическим прекращением.

Изобретение относится к способам получения эпитаксиальных тонкопленочных материалов, а именно EuSi2 кристаллической модификации hP3 (пространственная группа N164, ) со структурой интеркалированных европием слоев силицена, которые могут быть использованы для проведения экспериментов по исследованию силиценовой решетки.

Изобретение относится к технологии получения материалов нанометрового размера, состоящих из нанокристаллов силицида железа α-FeSi2 с контролируемо изменяемой преимущественной кристаллографической ориентацией, формой и габитусом, и может применяться для разработки новых функциональных элементов в спинтронике и нанотехнологии. Способ получения нанокристаллов силицида железа α-FeSi2 с изменяемой преимущественной ориентацией включает предварительную химическую подготовку поверхности подложки кремния в водном растворе плавиковой кислоты и ее очистку путем отжига при 840-900°С, осаждение слоя золота на подложку кремния ориентацией Si при комнатной температуре методом термического испарения в сверхвысоком вакууме, повышение температуры подложки до 840°С и соосаждение железа и кремния при атомном соотношении от 1:2 до 3:1. Техническим результатом изобретения является контролируемое получение нанокристаллов α-FeSi2 на поверхности кремния с различными преимущественными кристаллографическими ориентационными соотношениями, изменяемой огранкой и формой нанокристалла α-FeSi2 для одного и того же ориентационного соотношения. 3 ил., 1 табл., 4 пр.

Наверх