Физик Томского государственного университета Юрий Эрвье предложил модель роста нитевидных нанокристаллов полупроводниковых соединений III-V, которая впервые учитывает образование так называемых «пьедесталов» – усеченных пирамид из полупроводникового материала. Эти пьедесталы образуются под каплей-катализатором на начальной стадии формирования нанокристалла. Такие кристаллы позволят создавать новые материалы с уникальными свойствами для наноэлектроники и нанофотоники.

Результаты Юрий Эрвье опубликовал в журнале Journal of Crystal Growth (Q2).

Нитевидные нанокристаллы (нановискеры, nanowires) — это квазиодномерные кристаллы диаметром от 10 нанометров и длиной несколько микрометров. Последние двадцать лет они представляют одну из наиболее «горячих тем» в физике и материаловедении. Именно нановискеры используются в электронике, оптоэлектронике, фотовольтаике, наносенсорике и других областях.

Профессор кафедры физики полупроводников ФФ ТГУ Юрий Эрвье рассказывает, что формирование таких нанокристаллов — это сложный физико-химический процесс, протекающий в многофазной многокомпонентной системе при существенных отклонениях от равновесия. Модель физика ТГУ позволяет описать различные сценарии последующего роста «пьедесталов» – образование больших пологих холмов и рост нитевидного нанокристалла постоянного диаметра на вершине пьедестала.

Несмотря на прогресс в технологии синтеза нитевидных нанокристаллов и понимании механизмов их роста, ряд важных аспектов остается малоизученным. Так, слабо исследованной остается начальная стадия роста кристаллов, особенности протекания которой влияют на поверхностную плотность нанокристаллов, а также на наличие нежелательного разброса нанокристаллов по толщине и высоте. Именно изучением начальной стадии роста нитевидного нанокристалла занялись ученые ТГУ при поддержке гранта РФФИ.

«Модели начальной стадии обычно предполагают, что рост нанокристалла инициируется отложением кристаллических слоев под каплей-катализатором, лежащей на плоской поверхности кристалла-подложки. Однако эксперимент показывает, что в случае полупроводниковых соединений III-V начальное состояние системы — это не просто капля на поверхности, а некая пирамидка или пьедестал, на котором находится капля», — говорит Эрвье.

Этот пьедестал, поясняет Юрий Эрвье, образуется на стадии предростового отжига в атмосфере молекул V группы и в отсутствие потока атомов III группы. Поступление атомов III группы на поверхность при росте может привести к двум вариантам: либо к увеличению размера пьедестала с сохранением его формы, либо к образованию нитевидного нанокристалла постоянной толщины на вершине пьедестала. Модель, разработанная в лаборатории, позволяет описать переход от роста пьедестала к росту нитевидного нанокристалла и найти оптимальные условия для такого перехода.

Несомненное преимущество нитевидных нанокристаллов над планарными (плоскими) структурами состоит в эффективной релаксации упругих напряжений — благодаря очень большой площади боковой поверхности. Юрий Эрвье утверждает, что в этих нанокристаллах можно сочетать материалы с сильно различающимися параметрами решетки и тем самым создавать уникальные приборы наноэлектроники и нанофотоники.