Молекулярно-лучевая эпитаксия (МЛЭ) – метод создания тонких монокристаллических слоёв и структур, наиболее широко применяемый для исследования механизмов эпитаксиального роста. Он состоит в использовании молекулярных пучков для доставки осаждаемого компонента к монокристал-лической подложке в сверхвысоком вакууме, в бесстолкновительном режиме.
Это обеспечивается высоковакуумными условиями, и приводит к получению структур высокогокачества, а также позволяет применять широкий арсенал методов исследования поверхности. В процессе роста существует возможность изменять в широком диапазоне такие параметры, как температура роста (путём изменения температуры подложки) и скорость роста (например, путём изменения температуры эффузионной ячейки).
Но наиболее выдающимся преимуществом МЛЭ является удобство и информативность данного метода при использовании его в изучении физики роста нанокристаллов.
В процессе эпитаксиального роста можно выделить три ключевых этапа:
1) адсорбция атомов и молекул распыляемого вещества на поверхности подложки;
2) диссоциация адсорбированных молекул и поверхностная миграция адатомов стремящихся занять наиболее энергетически выгодное положение в растущем слое. Сопровождается процессом десорбции адатомов, интенсивность которого зависит от температуры подложки;
3) встраивание адатомов в кристаллическую решетку структуры.
Ход этих этапов и конечный результат будет зависеть от множества параметров: как от свойств поверхности, так и от технологических параметров.
1.2. Механизмы эпитаксиального роста
В середине двадцатого века появилось три основных точки зрения на процесс эпитаксиального роста Франк и ван дер Мерве использовали теорию упругости и создали концепцию критического отклонения, ниже которогоп роисходит послойный рост.
Фольмер и Вебер применили теорию зарождения, полагая, что кристаллические слои растут из трёхмерных зародышей на подложке и что их относительное число и скорость роста определяется свободной энергией поверхности и интерфейса.
Третья модель – авторов Странски и Крастанова – была основана на атомных расчётах и предполагала, что сначала формируется двумерный псевдоморфный слой толщиной в несколько монослоёв, поверх которого будет расти трёхмерный островок со своей собственной постоянной решётки. При разных условиях наблюдался каждый из этих трёх взаимодополняющих сценариев; именно они привели к следующему разделению механизмов роста при эпитаксии:
- 1. Механизм Франка – ван дер Мерве– двумерный послойный рост;
- 2. Механизм Фольмера – Вебера– трёхмерная морфология, роста островков;
- 3. Механизм Странски – Крастанова – двумерный рост, после достижения некоторой критической толщины переходящий в трёх-мерный.
Объединение этих трёх подходов к эпитаксии было осуществлено Бауэром в терминах термодинамических величин, соответствующих процессу эпитаксии, а именно – трёх макроскопических напряжений поверхности:
γ0, γiи γs– свободной энергии на единицу площади интерфейса покрытие/вакуум, покрытие/подложка и подложка/вакуум соответственно.
Так, если γ0 и γi малы по сравнению с γs, то система обладает меньшей свободной энергией будучи полностью покрытой осаждаемым материалом, в противном случае –при частичном покрытии.