КРИСТАЛЛОГРАФИЯ, 2004, том 49, № 2, с. 253-256
^ ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
КРИСТАЛЛОВ
УДК 621.315.592
ИССЛЕДОВАНИЕ МОРФОЛОГИИ И МАГНИТНЫХ СВОЙСТВ НИТЕВИДНЫХ КРИСТАЛЛОВ КРЕМНИЯ
© 2004 г. И. П. Островский, Я. С. Гий, В. М. Цмоць*, Ю. В. Павловский*
Национальный университет "Львовськая политехника", Украина *Дрогобицкий педагогический госуниверситет, Украина E-mail: iostrov@polynet.lviv.ua Поступила в редакцию 03.03.2003 г.
Рассмотрены методы выращивания нитевидных кристаллов (НК) кремния и изложены результаты, которые получены в процессе изучения их магнитной восприимчивости %. Нитевидные кристаллы Si выращены методом химических транспортных реакций в закрытой бромидной системе. Все исследованные кристаллы разделены на четыре группы. К первой группе отнесены кристаллы диаметром 0.1-0.9 мкм, ко второй - двойниковые кристаллы диаметром 1-2 мкм, к третьей - игловидные кристаллы диаметром от 5 до 1500 мкм, к четвертой - изометрические (измерение % изометрических кристаллов не проводилось). В кристаллах первой группы с увеличением диаметра НК их парамагнетизм переходит в диамагнитизм, а в кристаллах третьей группы диамагнетизм - в парамагнетизм. На всех этих кристаллах выявлена нелинейность зависимости % от напряженности внешнего магнитного поля H, которая возрастает с увеличением парамагнетизма образцов. Магнитная восприимчивость кристаллов второй группы (двойниковые образцы) диамагнитна, по своему значению близка к % объемного кремния и нелинейность зависимости %(H) незначительна. Измеренные значения % нитевидных кристаллов кремния объясняются особенностями их кристаллической структуры и химическим составом.
ВВЕДЕНИЕ
Перед современной микроэлектроникой стоит важная задача - получение материалов нового класса. Одним из таких новых материалов являются нитевидные кристаллы (НК) с высоким структурным совершенством, химической стойкостью, прочностью, которая достигает для небольших поперечных размеров кристаллов теоретически возможного предела [1]. Проводятся работы по созданию на основе НК композиционных материалов с особыми свойствами [2]. Из полупроводниковых НК создают высокочувствительные тензодатчики [3]. Установлен также ряд размерных эффектов в НК кремния: уменьшение параметра кристаллической решетки [4], сдвиг края оптического поглощения в сторону высших энергий в субмикронных НК при уменьшении их диаметров [5].
Пока нет единого подхода в интерпретации обнаруженных размерных эффектов в НК кремния, поскольку до сих пор не известно распределение примесей в кристаллах разных диаметров. Одним из методов, который, по нашему мнению, позволит продвинуться на пути решения этой задачи, является исследование магнитной восприимчивости %. Необходимо заметить, что работы по исследованию х нитевидных кристаллов ве, 81-Ое в литературе отсутствуют.
В данной работе исследовалась магнитная восприимчивость х нитевидных кристаллов кремния,
1 Работа была представлена на Национальной конференции по росту кристаллов (НКРК-2002, Москва).
выращенных методом химических транспортных реакций в закрытой бромидной системе с использованием легирующих примесей (К, В, Аи).
ВЫРАЩИВАНИЕ НИТЕВИДНЫХ КРИСТАЛЛОВ КРЕМНИЯ
Выращивание НК кремния проводилось методом химических транспортных реакций в закрытой бромидной системе [6]. В ампулу загружались кремний (растущий материал), золото и платина (инициаторы роста), бор (легирующая примесь) и бром (транспортирующий агент). Указанные выше компоненты использовались в следующих пропорциях. На 1 г кремния приходилось 0.1 мг Аи, 0.35 мг Р1, 0.4 мг В и приблизительно 50-100 мг Вг. Ампулу вакуумировали до давления 10-5 мм. рт. ст. и помещали в печь с градиентом температуры. Температура зоны источника составляла 1200°С, зоны кристаллизации - 800-1000°С. Схема получения кристаллов приведена на рис. 1.
Из рис. 1 видно, что в области температур 800-850°С преобладает образование НК субмикронного диаметра, при 850-870°С образуются двойники, при 870-950°С преобладает рост шестигранных игловидных НК, а при 950-1000°С растут изометрические кристаллы. Субмикронные НК - это кристаллы квазицилиндрического сечения. Их рост соответствует начальным стадиям образования НК.
Исследуемые двойниковые НК характеризуются определенным структурным упорядочени-
254
ОСТРОВСКИИ и др.
(а) Группа I
(б) Группа II
(в)
Группа III
(г)
Группа IV
Квазицилиндрические субмикронные НК (d = 0.1-0.9 мкм)
Двойниковые
НК (d = 1-2 мкм)
Игловидные НК (d = 5-1500 мкм)
Изометрические кристаллы (0.3-0.5 мм)
SiBr4
~ Г "
Г
" Л Si, Pt, B, Au
SiBr2
800 ~850 ~870 ~950 1000 1200
г, °С
Рис. 1. Образование разных морфологических форм кристаллов кремния в зависимости от температуры кристаллизации: а - квазицилиндрические субмикронные НК (диаметром 0.1-0.9 мкм), б - двойниковые НК (диаметром 1-2 мкм), в - шестигранные игловидные НК (диаметром 5-1500 мкм), г - изометрические кристаллы (размером 0.1-0.5 мм).
ем. Основой такого двойника (рис. 16), так называемого "кокона", является длинный НК (I = 2-3 см) диаметром ~2 мкм, от которого как ветви от ствола дерева ответвляются дочерние НК меньшего диаметра и длины. Причем все дочерние кристаллы образуют одинаковый угол ~54° с основным кристаллом, что характерно для двойниковых НК кристаллографической ориентации (110). "Ветви" такой своеобразной "елки", в свою очередь, покрыты вторичными дочерними кристаллами. В результате в ростовой ампуле образовывается "кокон", размещенный параллельно к стенкам ампулы и направленный в сторону зоны источника. Правильная структура "кокона" свидетельствует о том, что рост происходит в равновесных условиях.
Игловидные кристаллы - это шестигранники, вытянутые в направлении (111). Диаметр игловидных кристаллов увеличивается при возрастании температуры их роста. Изометрические кристаллы - это двойники прорастания, причем двойнико-вание в них происходит по шпинелевому закону.
МАГНИТНАЯ ВОСПРИИМЧИВОСТЬ НИТЕВИДНЫХ КРИСТАЛЛОВ
Соответственно проведенной выше классификации НК кремния исследована их магнитная восприимчивость %. Измерение % образцов проводилось методом Фарадея [7] в магнитных полях 0.34.0 кЭ при температуре 300 К. Максимальная погрешность измерения не превышала 1%. Перед измерением из НК формировались образцы. Субмикронные и двойниковые НК упаковывались в цилиндрические стеклянные трубки диаметром 3 мм. При этом они слегка утрамбовывались стеклянной палочкой и заливались спиртовым раствором клея
БФ-2 низкой концентрации. Игловидные НК укладывались в "снопики" и склеивались спиртовым раствором клея БФ-2. Результаты исследования их X представлены на рис. 2 и рис. 3 соответственно.
Из рис. 2 видно, что субмикронные кристаллы с увеличением диаметра переходят из парамагнитного состояния в диамагнитное. В НК кремния диаметром 0.7 мкм величина диамагнетизма превышает величину диамагнетизма объемных кристаллов (bulk-Si), которая составляет %Si = = -11.6 х 10-8 см3 г-1. Кроме того, в субмикронных кристаллах наблюдается нелинейность зависимости X от напряженности внешнего магнитного поля H, которая с увеличением диамагнетизма НК уменьшается. В субмикронных кристаллах, диаметр которых составляет ~0.7-0.9 мкм, и в двойниковых НК нелинейность незначительная.
Из рис. 3 видно, что в игловидных НК с увеличением диаметра кристаллов парамагнетизм возрастает. На всех кристаллах наблюдается нелинейность зависимости xH), которая уменьшается с уменьшением парамагнетизма НК.
ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
Для последующего анализа полученных результатов экспериментальные X(H следует рассматривать как сумму двух составляющих. Первая составляющая, которая в области больших полей идет паралельно оси абсцис, представляет собой независимую от напряженности магнитного поля составляющую X, которую мы обозначим X'nd. Эта независимая составляющая, в свою очередь, состоит из восприимчивости решетки Xl и восприимчивости парамагнитных центров Xpar:
Xind = XL + Xpar. (1)
ИССЛЕДОВАНИЕ МОРФОЛОГИИ И МАГНИТНЫХ СВОЙСТВ
255
Н, кЭ
Рис. 2. Зависимость магнитной восприимчивости субмикронных (0.1-0.9 мкм) и двойниковых НК кремния от напряженности магнитного поля. 1 - 0.1-0.2, 2 -0.3-0.6 мкм, 3 - двойниковые НК, 4 - 0.7-0.9 мкм.
Вторая составляющая, четко проявляющаяся в области малых полей, выражает зависимость х от напряженности магнитного поля. Ее можно связать с напряженным состоянием сердцевины нитевидных кристаллов или, по аналогии с х пластически деформированных кристаллов [8], с ферромагнитно-упорядоченными группами спинов на дислокационных структурах. Поэтому естественно эту составляющую обозначить хт
При необходимости (если нелинейность х(Н) наблюдалась и в поле 4 кЭ) выделение х'"4 из х(Н) проводилось экстраполяцией зависимости х(Н) в область больших магнитных полей (6 кЭ). Поэтому в дальнейших обозначениях наравне с обозначением х" будет использоваться х(6.0). Таким образом, экспериментальные зависимости х(Н можно представить в виде суммы
Х(Н) = х" + Х/т = Х(6.0) + Х/т. (2)
Для интерпретации результатов, полученных при измерении зависимости х от Н, на рис. 4 представлена зависимость х(6.0) от диаметра НК кремния. Видно, что в кристаллах первой группы с увеличением диаметра парамагнетизм переходит в диамагнетизм, а в кристаллах третьей группы диамагнетизм - в парамагнетизм. В обеих группах кристаллов наблюдается нелинейная зависимость х от Н, которая возрастает с увеличением их парамагнетизма.
Несмотря на то что двойники содержат значительное количество дислокаций, их магнитная восприимчивость диамагнитна и по значению, а по характеру зависимости х(Н) близка к х объемных кристаллов кремния (х4'а(81) = -11.6 х 10-8 см3 г-1). Это можно объяснить тем, что дислокации в двойниках ростовые и соответственно заполнены облаками Котрелла. Это значит, что в них отсутствуют свободные оборванные связи, а значит, и нелинейность х(Н).
х х 10-8, см3 г-1
Н, кЭ
Рис. 3. Зависимость магнитной восприимчивости игловидных НК кремния 81 диаметром 5-1500 мкм от напряженности магнитного поля. 1 - 1500, 2 - 1000, 3 -700, 4 - 100 мкм.
Парамагнетизм игловидных кристаллов можно объяснить наличием в НК
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.