Сверхрешетки

Рентгеновская дифрактометрия Просмотров: 76

Краткая историческая справка.

Исторически первыми материалами, нашедшими применение, для создания сверхрешеток стали полупроводники. Идея создания в кристалле одномерного периодического потенциала с периодом, меньшим длины свободного пробега электрона, путем изменения легирования или состава твердого раствора, а также вывод  о наличии у таких структур падающей вольт – амперной характеристики, были высказаны в 1962 году Л. В. Келдышем [1].  Интерес же к таким структурам, названным сверхрешетками, значительно возрос в 1970 в связи с работой Есаки и Цу [2], где особое внимание авторы уделяют композиционным сверхрешеткам и наличию у таких «искусственных» периодических структур необычных кинетических свойств.  Ряд свойств легированных сверхрешеток был теоретически изучен в работе Ю. А. Романова [3] в 1971 году. Годом позднее Делер [4] подробно проанализировал электронные свойства легированых сверхрешеток и предсказал ряд новых особенностей, специфичных именно для этих, так называемых nipi – кристаллов (распространенное название для полупроводниковых сверхрешеток, подразумевающее чередование областей электронной (n) и дырочной (р) проводимости с нелегированным полупроводником (i)).

Испробовав ряд различных материалов и технологий, Чанг, Есаки  и др. [5] достигли успеха в выращивании композиционной сверхрешетки в системе GaAs – AlxGa1-xAs с помощью молекулярно – лучевой эпитаксии. Первые эксперименты на сверхрешетках GaAs – AlxGa1-xAs проводились для изучения особенностей переноса носителей [6] и для демонстрации квантовых свойств электронов в прямоугольных ямах, образованных краями зон в этих сверхрешетках [7]. С тех пор достигнут значительный прогресс в таких вопросах, как доказательство двумерного характера подзон в опытах по резонансному комбинационному рассеянию [8] и осцилляциям Шубникова – де Гааза [9], создание сверхрешеток со сверхтонкими слоями [10] и использованию сверхрешеточных эмиттеров в инжекционных лазерах [11]. В дальнейшем использование модулированного легирования в сверхршетках GaAs – AlxGa1-xAs [12] обогатило установившуюся было картину прямоугольных ям и расширило круг изучаемых физических явлений, включив в него фундаментальные эффекты, такие как квантовый эффект Холла [13] и состояние с близким к нулю сопротивлением [14].

Сегнетоэлектрические сверхрешетки, исследова­ния которых начались значительно позже полупровод­никовых и магнитных сверхрешеток, привлекли к себе большое внимание. Оказалось, что в этих искусственно созданных структурах значения многих физических параметров, таких как температура Кюри, спонтанная поляризация, диэлектрическая проницаемость, нелинейные диэлек­трическая и оптическая восприимчивости, значительно превышают параметры объемных кристаллов и тонких пленок твердых растворов соответствующего состава. Поиск новых подходов, позволяющих заметно улучшить характеристики сегнетоэлектриков, имеет важное науч­ное и прикладное значение [15].

В настоящее время сверхрешетки из чередующихся слоев сегнетоэлектриков разных составов привлекают внимание исследователей благодаря возможности их использования в процессе создания электронных устройств нового поколения, где необходима высокая диэлектрическая проницаемость материала, ненулевая остаточная поляризация, нелинейная зависимость диэлектрических свойств от приложенного напряжения [16-19]. Указанные и другие свойства контролируются материалом подложки, технологическими условиями напыления, толщинами (как правило, несколько десятков постоянных кристаллической решетки), химическим составом слоев СР. Особые свойства могут быть обусловлены деформациями, возникающими при структурном согласовании слоев с разными параметрами элементарных ячеек в плоскостях сопряжения. В свою очередь, согласующие деформации могут являться причиной фазовых переходов в слоях, что также обусловливает специфику физических свойств. Таким образом, исследование СР необходимо как для прикладных, так и для фундаментальных [20-21] применений, причем, установление структурных параметров и степени совершенства пленки-сверхрешетки, отражающих результат согласования структур разных составов и согласования в целом пленки с подложкой является основополагающим. Дифракция рентгеновских лучей, как нельзя кстати подходит для выше обозначенных целей.

Описание.


Рисунок 1. Схематическая иллюстрация сверхрешетки. Λ - параметр большой элементарной ячейки, состоящей из заданного числа параметров NBT, NBST, NST ячеек составляющих компонент. Также на рисунке представлены межслоевые интерфейсы.

Сверхрешетки являются одними из самых популярных на сегодняшний день объектами исследований, благодаря их необычным свойствам, которые определяют, как их, все расширяющееся, практическое применение, так и неослабевающий интерес для фундаментальных исследований в области физики конденсированного состояния. Сверхрешетки BaTiO3/SrTiO3 (BT/ST) были получены методом импульсного лазерного напыления на монокристаллических подложках MgO (001). Регистрация дифракционной картины велась на дифрактометре Rigaku Ultima IV в НИИ физики. В использовавшейся высокоразрешающей оптической схеме параллельный монохроматический пучок CuКα1 излучения формировался многослойным параболическим зеркалом и двойным Ge (220) монохроматором. Использовались методы ω - 2θ и φ – сканирования. Период модуляции Λ сверхрешетки определяется угловым положением сателлитов в рефлексе:

Λ=λ2(sinΘn−sinΘn−1)

Было проведено моделирование теоретических рентгеновских профилей. Расчеты велись в рамках кинематической теории рассеяния рентгеновских лучей. Рассматривалась дифракция от чередующихся слоев элементарных ячеек разных составов. Модель учитывает наличие межслоевых интерфейсов, что положительно сказывается на сходимости теоретического и экспериментального профилей рентгеновской дифракции.


Рисунок 2. Примеры дифрактограмм снятых со сверхрешеток(красная линия). Также черным показаны расчетные дифрактограммы.

 

 

 

 

 

 

Список литературы.

  1. Келдыш Л. В. – ФТТ, 1962, т. 4, с. 2265.
  2. Esaki L., Tsu R. – IBM J. Res. Dev., 1970, v. 14, p. 61.
  3. Романов Ю. А. – ФТП, 1971, т. 5, с. 1434.
  4. Dohler G. H. – Phys. Stat. Sol. (b), 1972, v. 52, p. 79, 533.
  5. Chang L. L., -  Esaki L., Howard W. E., Ludeki R. – J. Vacuum Sci. Technol., 1973, v. 10, p. 11.
  6. Esaki L., Chang L. L. – Thin Solid Films, 1976, v. 36, p. 285.
  7. Dingle R. – In: Advances in Solid State Physics, v. 15./Ed. H. J. Queisser. – Braunschweig: Pergamon – Vieweg, 1975, p. 21.
  8. Manuel P., Sai – Halasz G. A., Chang L. L., Chang C. A., Esaki L. – Phys. Rev. Lett., 1976, v. 37, p. 1701.
  9. Chang L. L., Sakaki H., Chang C. A., Esaki L. – Phys. Rev. Lett., 1977, v. 38, p. 1389.
  10. Gossard A. C., Petroff  P. M., Wiegmann W.,  Dingle R., Savage A. – Appl. Phys. Lett., 1976, v. 29, p. 323.
  11. Holonyak N., Kolbas R. M., Laidig W. D., Vojak B. A. – Appl. Phys. Lett., 1978, v. 33, p. 737.
  12. Dingle R., Stormer H. L., Gossard A. C.,  Wiegmann W. – Appl. Phys. Lett., 1978, v. 33, p. 665.
  13. von Klitzig K., Obloh H., Ebert G., Knecht J., Ploog K., - In: Precision Measurement and Fundamental Constants. II./Eds. B. N. Taylor, W. D. Phillips. – Nat. But. Stand. (USA) Spec. Publ. No. 617, 1984, p. 519.
  14. Tsui D. C., Stormer H. L., Gossard A. C. – Phys. Rev. B, 1982, v. 25.
  15. Лебедев А. И. – Сборник тезисов докладов научной конференции «Ломоносовские чтения», секция физики, физфак МГУ, 2008, с. 94
  16.  F.L. Marrec, R. Farhi, M.E. Marssi, J.L. Dellis, G. Karkut, D. Ariosa - Phys. Rev., B. 61, R6447 (2000).
  17.  M. E. Marssi, Y. Gagou, J. Belhadi, F. De Guerville, Yu. I. Yuzyuk, I.P. Raevski. Journal of Appl. Phys., 108, 084104 (2010).
  18.  E. Bousquet, M. Dawber, N. Stucki, C. Lichtensteiger, P. Hermet, S. Gariglio, J.-M. Triscone, P. Ghosez. Nature, 452, 732 (2008).
  19.  Лебедев А. И. – ФТТ, 2010, т. 52, вып. 7, с. 1351
  20. Tabata H., Tanaka H., Kawai T. – Appl. Phys. Lett., 1970, v. 65
  21.  Qu B. D., Evstigneev M., Johnson D. J., Prince R. H. – Appl. Phys. Lett., 1998, v. 72, p. 1394