Главная

Объявления

Контакты

ENGLISH

Физика межфазовых границ и низкоразмерных систем

Руководитель: проф. А. П. Барабан

Основные понятия

История развития

Научные направления

Задачи, решаемые сегодня

Основатель направления - доктор физико-математических наук, действительный член РАЕН, профессор Коноров Павел Павлович.

---

Основные понятия

Под межфазными границами (МФГ) в твердых телах понимаются границы, разделяющие области твердого тела с различным химическим составом и другими физико-химическими свойствами. Свойства, характерные для МФГ, в полной мере присущи поверхности твердого тела, которую можно рассматривать как границу раздела между твердым телом и окружающей средой (вакуум, газ, жидкость), а также дефектам, в качестве которых могут выступать различные неоднородности как в объеме так и на поверхности твердого тела. Электронные процессы в области МФГ в различных гетероструктурах, определяют работу практически всех основных элементов современной микро- и нано-электроники.

Гетероструктуры, включающие различные МФГ, являются базой, на которой развивается оптоэлектроника, лазерная техника, компьютерные технологии, интернет и другие области средств коммуникаций, без которых не мыслится существование человеческого общества. За создание полупроводниковых гетероструктур и разработку новых электронных приборов на их основе директору Физико-технического института им. А.И. Иоффе РАН академику Ж.И. Алферову была присуждена Нобелевская премия по физике за 2000 год. Круг МФГ в различных гетероструктурах и возможность его практического применения фактически неисчерпаем. При этом свойства таких границ могут оказаться настолько необычными, что в настоящее время трудно предсказать все возможные пути, по которым будет развиваться электронная техника. Можно ожидать, что следующие поколения приведут к созданию исскуственного интелекта, возможности которого смогут конкурировать с возможностями человеческого мозга.

Физика МФГ включает в себя изучение закономерностей электронных и атомных процессов, протекающих в областях МФГ, специфика которых определяется как особенностями атомного строения этих областей, так и особенностями протекающих в них электронных процессов, не имеющих аналогов в объеме твердого тела. Основными причинами появления таких особенностей являются характер электронного энергетического спектра в областях МФГ, наличие локализованных электронных состояний (так называемых поверхностных или межфазовых состояний), существование областей пространственного заряда и обусловленного им сильного внутреннего электрического поля, присутствие квантовых размерных эффектов,особенности взаимодействия электронов с атомной структурой в областях МФГ и/или оказывая на них различные внешние воздействия, что в конечном итоге и является основной причиной их практического использования.

История развития

Слева направо: Коноров П.П Романов О.В. Большаков П. Литвинова В. Любиту К.

Лаборатория ФМФГ возникла в начале 60-х годов. Ее возникновение связано с исследованием поверхностных свойств полупроводников. П.П. Коноров совместно с О.В.Романовым начали такие исследования, актуальность которых стала очевидной, когда была обнаружена сильная зависимость характеристик полупроводниковых приборов от состояния их поверхности, а последующее изучение поверхностных свойств привело к созданию МДП-структур, что положило начало развитию современной микроэлектроники (а теперь и наноэлектроники). В дальнейшем одним из основных направлений лаборатории стало изучение электрофизических процессов на границе полупроводник- электролит. Эти исследования показали, что система полупроводник-электролит представляет собой особую разновидность гетероструктуры, перспективной для изучения не только поверхностных свойств полупроводников, но и свойств МФГ в системах на основе полупроводников. А предложенный и разработанный в лаборатории метод эффекта поля в электролитах (ЭПЭ) имеет уникальные возможности для изучения электронных и атомных процес- сов в приграничной (поверхностной) области полупроводника. Результаты этого этапа исследований были обобщены в докторской диссертации П.П. Конорова "Электрофизические процессы на поверхности полупроводников в системе полупроводник-электролит" 1970г., А возможности метода ЭПЭ для исследования широкого класса полупроводниковых материалов были продемонстрированы в докторской диссертации О.В. Романова "Электронные свойства поверхности полупроводников и полуметаллов в контакте с электролитом" 1984г.. Одновременно под руководством А.Н. Арсеньевой-Гейль развивалась методика изучения поверхностных свойств полупроводников, основанная на использовании внешнего фотоэффекта, которым она начала заниматься в конце 40-х - начале 50-х годов в ФТИ АН СССР им. А.Ф. Иоффе. Итогом этих многолетних и плодотворных исследований явилась докторская диссертация А.Н Арсеньевой-Гейль и ее монография "Внешний фотоэффект с полупроводников и диэлектриков", Москва, 1957г..

Последующие исследования были связаны с изучением новой системы "электролит-диэлектрик-полупроводник" (ЭДП), которые показали большие возможности этой системы для исследования процессов на границе диэлектрик-полупроводник и в тонких диэлектрических слоях на поверхности полупроводников. Результаты этих исследований были отражены в докторской диссертации Ю.А. Таранова "Электронные и ионные процессы в системе электролит-диэлектрик-полупроводник" 1985г. Особенно плодотворным оказалось использование ЭДП системы для изучения процессов, протекающих в структурах Si-SiO₂,составляющих основу элементной базы современной микро- и наноэлектроники. Результаты этих исследований, выполненных А.П. Барабаном, были обобщены в его докторской диссертации "Неравновесные электронные процессы в слоях SiO₂ на кремнии". Изд. ЛГУ 1988г. Исследования в этой области были удостоены Университетской премии за 1992г.

Один из наиболее интересных результатов использования метода ЭПЭ были получены А.М. Яфясовым при изучении узкозонных и бесщелевых полупроводников, представляющих собой новый класс соединений, перспективных как с точки зрения выявления новых физических закономерностей, так и с точки зрения их практического использования. Результаты этих исследований были представлены в докторской диссертации А.М. Яфясова "Электронные свойства областей пространственного заряда на поверхности узкощелевых и бесщелевых полупроводников и полуметаллов" 1991г.

В настоящее время основные результаты исследований, выполненных в системе полупроводник-электролит обобщены в монографиях: P.P. Konorov, A.M.Yafyasov, V.B. Bogevolnov "Field-Effect on Semiconductor Electrodes and Its Applications to the Semiconductor Surface Electronic Properties Investigations". Изд. СПбГУ, 2001 год, и П.П. Коноров, А.М. Яфясов "Физика поверхности полупроводниковых электродов" Изд. СПбГУ, 2002 год.

Интересной и практически важной областью исследований, проводимых в рамках лаборатории, является изучение процессов распространения и состояния водорода в различных тонкопленочных твердотельных структурах на основе металлов, диэлектриков и полупроводников. Эти исследования были начаты в 60-х годах под руководством Ю.И. Белякова. Инициатива этих исследований и важная роль в их организации принадлежит профессору Н.И. Ионову, внесшему большой вклад в становление научной и учебной работы на кафедре в целом. Основное развитие это направление получило под руководством А.А. Курдюмова и его учеников. Полученные к настоящему времени результаты обобщены в монографии И.Е. Габис, Т.Н. Компаниец, А.А. Курдюмов "Поверхностные процессы и проникновение водорода сквозь металлы", М. Наука, 1987г. И в докторских диссер- тациях А.А. Курдюмова "Кинетика взаимодействия водорода с благородными и d-переходными металлами", 1989г. И И.Е. Габиса "Перенос водорода в металлах 1б группы и тонкопленочных системах полупроводник-металл",1995г.

Важную самостоятельную часть данного направления представляет собой сектор Физики дефектов в твердых телах, руководителем которого является О.Ф. Вывенко. Начало этим исследованиям было положено профессором Л.П. Страховым, в работах которого была показана существенная роль дефектов в фотоэлектрических свойствах сернистого кадмия. Им в свое время была создана лаборатория Фотоэлектрических и магнитных свойств полу- проводников. Важным результатом исследований этой лаборатории явилось выявление влияния МФГ, возникающих между разными кристаллическими фазами, а также между отдельными зернами в мелкодисперсном состоянии полупроводника на его фотоэлектрические и магнитные свойства (Л.П. Страхов, Ф.Т. Новик). Тематика этой лаборатории была продолжена и развита О.Ф. Вывенко, который создал методику изучения дефектов в полупро- водниках, основанную на методах термо- и фотоемкостной спектроскопии. Результаты этих исследований были представлены в докторской диссертации О.Ф. Вывенко "Структура и электронные свойства дислокационного сульфида кадмия" 1994г.

Основными научными направлениями в настоящее время являются:

1. Неравновесные электронные процессы в тонких диэлектрических

слоях на поверхности полупроводников (группа проф. А.П. Барабана)

Руководитель доктор физико-математических наук, профессор А.П. Барабан.

Старший научный сотрудник кандидат физико-математических наук В.А. Дмитриев

Основной отличительной особенностью всех выполненных этой группой исследований являлось использование электролитического контакта в качестве полевого электрода при исследовании структур кремний-диэлектрик . Проведенные исследования позволили, прежде всего, выявить и эффективно использовать основные достоинства системы электролит-диэлектрик-полупроводник (ЭДП), что нашло свое отражение как в разработке новых методов исследования ДП структур, так и в установлении основных закономерностей электронных процессов, протекающих в структурах кремний-диэлектрик. Использование ЭДП системы позволило не только эффективно исследовать структуры кремний-диэлектрик, но и определять электрофизические характеристики входящих в их состав диэлектрических слоев, получение которых в стандартной системе с твердотельным полевым электродом было либо крайне затруднительно, либо вообще не возможно. В первую очередь это связано с возможностью блокировки электронного тока в определенной области электрических полей и, следовательно, возможностью эффективно исследовать процессы, связанные с инжекцией дырок в диэлектрический слой. Это способствовало разработке ряда методов определения феноменологических параметров дырочных ловушек: сечения захвата, концентрации дырочных ловушек; центроида захваченного на дырочные ловушки заряда. В последнем случае немаловажную роль сыграла возможность осуществления электрофизических измерений в сочетании с послойным стравливанием диэлектрического слоя в системе с электролитическим полевым электродом. Руководителем группы А.П.Барабаном был предложен метод (метод кинетик тока) определения концентрации заполненных дырочных и электронных ловушек в диэлектрическом слое непосредственно в процессе инжекции носителей заряда в диэлектрический слой, т.е. непосредственно в процессе полевого воздействия. Им был разработан так называемый метод полевых циклов, который позволял разделить всю область реализуемых в эксперименте электрических полей по характеру протекающих в диэлектрическом слое электронных процессов. При этом особое место среди разработанных и апробированных методик исследования свойств диэлектрических слоев занимал метод электролюминесценции (ЭЛ), заключающийся в регистрации спектрального распределения излучения, возникающего в диэлектрическом слое при наличии в нем электрического поля и/или протекания тока. Интерес к этой методике обусловлен неисчезающим стремлением создать стабильный светоизлучающий элемент на основе отработанной кремниевой технологии.

В настоящее время в группе А.П.Барабана исследования ведутся по трем основным направлениям:

1. Исследование электронных процессов, протекающих в диэлектрических слоях на поверхности кремния при наличии в них сильных электрических полей (напряженность ~10 МВ/см) и определение их основных физико-химических характеристик. Продолжаются исследования процессов статической и динамической полевой и радиационной деградации структур кремний-диэлектрик, включая фотоиндуцированные модификации и пробой диэлектрического слоя. Расширяется круг объектов исследования, наряду с традиционной структурой Si-SiO₂ , исследуются структуры с диэлектрическими слоями HfO_2, ZrO₂, Al₂O₃, Ta₂O₅ а также их комбинациями. При этом значительное внимание уделяется исследованиям слоистых диэлектрических слоев и свойствам границы диэлектрик-диэлектрик.

2. Исследование процессов люминесценции в диэлектрических слоях на поверхности кремния. При этом наряду с продолжением традиционных для нас исследований процессов электролюминесценции началось освоение и использование методов катодолюминесценции (КЛ) и фотолюминесценции (ФЛ). Совместная реализация методов ЭЛ, ФЛ и КЛ на структурах одного типа, как показали первые проведенные эксперименты, позволяет получить дополнительную информацию о процессах возбуждения люминесценции и свойствах центров свечения.

3. Синтез диэлектрических слоев и полупроводников с широкой запрещенной зоной методом молекулярного наслаивания. Данные работы проводятся совместно с кафедрой химии твердого тела химического факультета СПбГУ (доцент Дрозд В.Е., к.ф.м.н Никифорова И.О.). Планируются работы по формированию широкозонных полупроводниковых материалов на основе нитридов, которые представляют огромный интерес для оптоэлектроники в качестве светоизлучающих материалов и фотоприемников.

2. Физика низкоразмерных квантовых систем (группа проф. А.М. Яфясова).

Руководитель группы академик РАЕН доктор физико-математических наук, профессор Яфясов Адиль Маликович.

Основным методом, который был использован при выполнении экспериментальной части исследований, являлся метод эффекта поля в электролитах (метод ЭПЭ), реализованный на современной элементной базе . Процесс измерения и обработки результатов был полностью автоматизирован. Для обработки экспериментальных данных была разработана процедура численного моделирования области пространственного заряда полупроводников с параболическим, непараболическим (Кейновским) и ультрарелятивистским законами дисперсии. Процедура заключалась в самосогласованном интегрировании уравнений Шредингера и Пуассона. Для исследований бинарных и тройных соединений полупроводников была разработана оригинальная методика определения стехиометрического состава компонент сложного соединения.

В настоящее время в группе А.М.Яфясова исследования ведутся по трем основным направлениям:

1. Экспериментальное и теоретическое исследование электрофизических свойств поверхности и межфазных границ узкощелевых и бесщелевых материалов на основе соединений теллурида кадмия – ртути и углеродных материалов (графитов, стеклографитов, графенов и нанотрубок), а также гетероструктур на их основе. Эти работы проводились совместно с научной группой профессора В.Ф. Раданцева из Уральского государственного университета.

2. Изучение процессов формирования межфазных границ полупроводников с полимерами, жидкими кристаллами, металлами и биологически активными средами (синхронизированные клеточные культуры, E-coli и т.д.). Эти исследования проводились совместно с кафедрой Физики полимеров СПбГУ, Лабораторией Лондонов биологического факультета СПбГУ и с Военно – Медицинской Академией СПб.

3. Разработка аналитического математического аппарата и методов численного эксперимента (алгоритмы и программный продукт) для создания квантовых интерференционных приборов (логических элементов и квантовых «гейтов») и классических и релятивистских квантовых сетей. Эти исследования проводились совместно с лабораторией квантовых сетей СПбГУ, возглавляемой профессором Б.С. Павловым.

3. Физика дефектов (группа проф. О.Ф. Вывенко)

Руководитель группы проф. Олег Федорович Вывенко

руководитель лаборатории электронной и ионной микроскопии EIBL

Для того, чтобы определить место тематики группы « физика дефектов» в современной науке следует напомнить как происходило развитие физики твердого тела в последние полвека. На начальном этапе, который длился порядка 30 лет, значительная часть исследований была посвящена развитию общих представлений о взаимодействии внешних возбуждений с твердыми телами и о процессах в них протекающих. На основании полученных представлений были развиты новые методы экспериментальных и теоретических исследований, которые позволили количественно интерпретировать результаты экспериментов и использовать их для характеризации изучаемых объектов как материалов, используемых в приложении. К настоящему времени имеющиеся в распоряжении исследователей методы в значительной мере не только хорошо апробированы, но и создана огромная индустрия научного приборостроения и алгоритмов теоретических расчетов, которая обеспечивает потребности исследователей новых материалов. Тем самым акцент переместился на научное материаловедение, которое и является сейчас научным направлением, в котором работает большинство ученых в области физики твердого тела и физики полупроводников. Именно поэтому одно из приоритетных направлений развития СПбГУ на ближайшие годы сформулировано как «Нанотехнологии и материаловедение». В этом направлении работает как группа «Физика дефектов», так и большая часть сотрудников и студентов кафедры ЭТТ.

Главным общим направлением подобных исследований, является установление взаимосвязей между функциональными физическими свойствами с одной стороны и атомной и энергетической структурой, составом исследуемого объекта, а для малых объектов – и его размерами, с другой. Указанный подход ставит свой целью не только понять и объяснить механизмы изучаемого явления, но и указать путь получения материала с заданными свойствами, который может найти свое место в приложениях (на практике). Очевидно, что достижение конечных научных результатов в этом направлении требует применения большого числа экспериментальных методов, которые способны дать количественные данные о каждом из интересующих свойств.

К числу функциональных физических свойств, которые, главным образом, изучаются в группе «Физика дефектов» являются электрофизические, фотоэлектрические и люминесцентные свойства полупроводников. Энергетика и другие параметры локальных уровней в запрещенной зоне полупроводника изучаются с помощью комплекса методов стационарной и нестационарной емкостной спектроскопии областей объемного заряда в широком интервале температур вплоть до температур, близких к температуре жидкого гелия. Люминесцентные свойства изучаются с помощью возбуждения свечения электронным лучом в сканирующем электронном микроскопе (СЭМ). Для определения структуры объектов используются методы СЭМ, растровой ионно-гелиевой микроскопии (РИГМ), просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ), атомно-силовой (АСМ) и электросиловой микроскопий (ЭСМ).

В настоящее время группа сосредоточена на исследованиях различных наноразмерных объектов. Первый из них относится к классу квазиодномерных – это дислокации в полупроводниках, которыми лаборатория исторически занималась с середины семидесятых годов на протяжении более 20 лет, а затем это направление было оставлено, поскольку получение дислокационных образцов ранее применявшимся методом пластической деформации не имеет явной перспективы для последующего использования в приложениях. Импульсом к возобновлению исследований дислокаций в последние 5 лет послужила разработка нового, промышленного метода получения дислокационных сеток на основе сращивания пластин кремния. Сама технология сращивания пластин кремния была первоначально разработана для создания структур «кремний на изоляторе», но недавно было предложено использовать эту технологию не по прямому назначению, а для получения дислокаций. Оказалось, что дислокационные сетки с размером ячейки в несколько десятков нанометров обладают свойствами, весьма привлекательными для будущих приложений. Это – повышенная проводимость вдоль линий дислокаций, которая превышает объемную на порядки величины, а также дислокационная люминесценция в спектральной области 1,5 мкм, которая позволяет создавать излучающие элементы на основе кремния, и кроме того, находится в спектральной области наименьших потерь оптико-волоконных систем передачи информации. Вместе с тем, механизмы как повышенной дислокационной проводимости, так и дислокационной люминесценции до настоящего времени остаются невыясненными.

Для решения проблемы установления механизма дислокационной люминесценции в группе проводятся интенсивные исследования спектров локальных дислокацонных состояний в запрещенной зоне кремния с помощью метода DLTS, наведенных токов, а также с использованием недавно разработанного в группе нового метода регистрации увеличения интенсивности катодолюминесценции при заполнении уровней.

Другие объекты, исследования которых только начались – это молекулы ДНК на поверхности кремния и нановискерсы арсенида галлия. Интерес к молекулам ДНК, которые представляют собой полимер естественного происхождения диаметром около 2 нм, состоит в том, что они могут служить нанометровым шаблоном для изготовления сверхтонких проводов. Кроме того, ДНК обладают удивительным свойством самоорганизованного построения различных структур в зависимости от состава и температуры раствора, аналогично тому, как складываются фигуры из бумаги («оригами»). Поэтому если научиться осаждать их на полупроводниковых подложках и управлять их электрофизическими свойствами – то это может привести к новым технологиям в микроэлектронике.

4. Взаимодействие водорода с твердыми телами (группа проф.И.Е.Габиса).

Рук.группы профессор Габис Игорь Евгеньевич

Следующую часть лаборатории ФМФГ представляет группа водородного материаловедения, общей задачей которой является изучение взаимодействия водорода с твердыми телами. Основным направлением исследований группы, развиваемым на протяжении пяти десятилетий, является исследование кинетики транспорта водорода в твердых телах.

Практические проблемы, связанные с водородом, определяются той легкостью, с которой он растворяется в металлах при температурах в сотни градусов Цельсия. Многолетнее внимание ученых и практиков к проблеме взаимодействия водорода с твердыми телами вызывается крайне неблагоприятным влиянием растворенного водорода на прочностные свойства сталей и конструкционных материалов. Эта проблема стала особенно актуальной в связи с развитием водородной и термоядерной энергетики, а также с необходимостью увеличения срока службы ТВЭЛов атомных электростанций. С другой стороны, трудно себе представить дальнейший прогресс водородной энергетики без гидридных технологий, использующих способность многих металлов и сплавов не только растворять, но и химически связывать водород в виде гидридов. Особенностью металлогидридов является очень высокая объемная плотность упаковки водорода, во многих случаях превосходящая таковую в жидком водороде. Это свойство, а также для некоторых материалов и большое весовое содержание (например, более 10 вес% водорода в AlH₃), делают их очень привлекательными для решения проблемы транспортировки водорода.

Однако растворы водорода в металлах и металлогидриды представляют не только технологический интерес. Они являются прекрасными модельными объектами для развития представлений физики конденсированного состояния в связи с простотой электронного строения водорода и малыми размерами внедренного атома. В течение последних десятилетий были исследованы объекты, электронные свойства которых охватывают широкий диапазон: от металлов — для неупорядоченных растворов и непредельных гидридов — до полупроводников и широкозонных диэлектриков с ионно-ковалентным типом связи. Естественно, принадлежность к кафедре электроники твердого тела дает группе водородного материаловедения большие преимущества перед другими мировыми лабораториями в подходах к анализу свойств этих объектов.

Исследования кинетики транспорта водорода неразрывно связано с изучением его поведения на межфазовых границах. Например, на пути из газовой фазы к растворенному состоянию водород должен пересечь внешнюю границу твердого тела, на которой он претерпевает диссоциацию и, при невысоких температурах, формирует адсорбированную фазу. Затем из адсорбированного состояния он может перейти в фазу раствора. Большой интерес представляет межфазная граница металлогидрид-раствор, которая при разложении или формировании гидридной фазы оказывается движущейся, что в описании приводит к особому классу краевых задач типа задачи Стефана.

В настоящее время исследовательская группа «Водородного материаловедения» проводит разработки по следующим направлениям.

1. Исследования кинетики выделения водорода из металлогидридов, представляющих интерес для хранения и транспортировки водорода, и разработка технологий снижения температуры дегидрирования.

2. Определение количества водорода в металлах и конструкционных материалах, работающих в водороде и водородосодержащих средах в условиях высоких давлений и температур, в частности, на предприятиях нефтехимического комплекса. Анализ проводится на аппаратуре, прошедшей метрологическую аттестацию, и использует масс-спектрометрический анализ состава выделяющихся газов.

3. Разработка материалов для мембран, осуществляющих диффузионную очистку водорода или его выделение из газовых смесей. Основой сплавов являются гидридообразующие металлы и добавки, препятствующие водородному охрупчиванию. Сплавы не содержат драгоценных металлов.

4. Создание математической модели процессов массо- и теплопереноса при зарядке гидридного водородного бака для автомобиля.

5. Разработка и испытание тонкопленочных защитных покрытий на основе полупроводниковых и диэлектрических материалов, предназначенных для снижения скорости проникновения и накопления водорода в металлических конструкционных материалах, эксплуатируемых в контакте с водородосодержащими средами.

6. Исследование взаимодействия водорода с конструкционными материалами для термоядерных реакторов следующего поколения (ДЕМО) и материалами для оболочек твэлов.

В настоящее время можно назвать следующие основные задачи, которые решаются в рамках лаборатории:

1. Закономерности взаимодействия электронной и атомной подсистем, определяющие механизмы формирования МФГ и их свойств, а также их изменения при различных внешних воздействиях;

2. Строение электронного энергетического спектра в различных областях МФГ и на поверхности полупроводников;

3. Физико-химическая природа локализованных в области МФГ электронных состояний;

4. Низкоразмерные квантовые эффекты на поверхности узкощелевых и бесщелевых полупроводников и в гетероструктурах на их основе;

5. Роль МФГ (включая поверхности) в процессах адсорбции и проникновения различных частиц (в первую очередь водорода) и их последующего переноса в объеме твердого тела;

6. Особенности рассеяния электронов в пограничных областях твердого тела и закономерности протекающих в них генерационно-рекомбинационных процессов;

7. Строение и физико-химическая природа дефектов в твердых телах и закономерности их участия в электронных и атомных процессах.

Структура кафедры

В начало статьи

Главная

Объявления

Контакты

ENGLISH