Наноструктурированием функциональных поверхностей материалов для полупроводниковой продукции с помощью газоструйных ионно-кластерных пучков занимаются ученые отдела прикладной физики Физического факультета Новосибирского государственного университета. Преимущество разрабатываемого ими способа заключается в высокой эффективности обработки поверхности материалов при минимальном повреждении их приповерхностной структуры. Данное исследование поддержано грантом РНФ № 23-79-10061 Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.
Данный проект состоит их трех этапов и рассчитан на три года. На протяжении первого года работы молодежный коллектив ученых отдела занимался наноструктурированием поверхности однокомпонентных монокристаллических материалов кремния (Si) и германия (Ge).
Наноструктура — это совокупность наноразмерных объектов искусственного или естественного происхождения, свойства которой определяются не только размером структурных элементов, но и их взаимным расположением в пространстве.
— На сегодняшний день формирование наноструктур на функциональных поверхностях различных материалов востребовано в солнечной энергетике, электронной технике, телекоммуникации, плазмонике, оптоэлектронике, создании высокочувствительных датчиков и других технологических приложениях. Благодаря различным видам наноструктур, например, волнообразным известным как “рипплы” или конусным, можно получать материалы с измененными или приобретенными свойствами поверхности, такими как высокая электрическая или термическая проводимость, оптическая активность или супергидрофобность. Наноструктурирование поверхности — это апробированный способ улучшения функциональных свойств различных материалов, в нашем случае, без изменений их химического состава, — объяснил руководитель проекта, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник отдела прикладной физики Физического факультета НГУ Иван Николаев.
К формированию волнообразных наноструктур на поверхности различных материалов при воздействии газоструйного ионно-кластерного пучка ученые отдела прикладной физики перешли после работ по полировке поверхности образцов. При прямом падении пучка кластерных ионов аргона проходила эффективная полировка поверхности. Но исследователи пожелали ускорить процесс и начали экспериментировать с углом падения пучка. При достижении угла в 45˚ качество полировки начало снижаться, а при его увеличении до 60˚ на поверхности стали формироваться волнообразные наноструктуры. После их дополнительного исследования оптическим методом, ученые пришли к выводу, что такие свойства поверхности материала, как преломление, поглощение и отражение излучения, изменились. Также наноструктурирование может улучшать адгезию (сцепление) поверхностей разнородных твердых или жидких тел. Волнообразные наноструктуры на поверхности способствуют лучшему слипанию различных пленок, и позволяла избежать расслоения многослойных структур.
— Первым этапом нашего исследования стало изучение кремния и германия под воздействием газоструйных ионно-кластерных пучков, а также формирование на их поверхности волнообразных наноструктур. При обработке традиционными пучками атомарных ионов аргона волнообразные наноструктуры образовывались на поверхности кремния, а поверхность германия подобных преобразований не претерпевала. В нашем случае данные структуры образовались и на одном, и на другом материалах. Одно из главных наших преимуществ – формирование высокоинтенсивного ионно-кластерного пучка, позволяющего более эффективно полировать, распылять и формировать наноструктуры по сравнению с импульсным режимом. При этом в нашем случае образец можно установить неподвижно или двигать двух направлениях. Для более однородной обработки поверхности мы двигали образец в одном направлении, а для более эффективного формирования наноструктур пучок падал на его поверхность под углом 60˚ — именно его мы признали оптимальным. В ходе исследований заметили закономерность: чем больше атомов под таким углом падает на образец, тем выше и шире становятся волны на его поверхности, — рассказал Иван Николаев.
Впервые было проведено наноструктурирование поверхности германия наклонным ионно-кластерным пучком аргона. При угле падения 60˚ пучка кластерных ионов аргона с определенной кинетической энергией и средним размером кластеров в тысячу атомов на поверхности монокристаллического германия учеными отдела прикладной физики были получены упорядоченные волнообразные наноструктуры с волновым вектором, параллельным направлению ионного пучка.
— Мы установили, что бомбардировка германия наклонным ионно-кластерным пучком аргона обеспечивает очень высокую эффективность формирования наноструктур. В частности, при определенных параметрах кластерных ионов и дозе облучения амплитуда формируемых наноструктур близка к глубине распыления поверхности. При наноструктурировании поверхности полупроводников традиционными ионными пучками необходимо распылять материал на глубину сотни нанометров, что не всегда возможно. При прямом сравнении наноструктур, формируемых ионно-кластерным пучком аргона на поверхностях германия и кремния, выяснилось, что в одинаковых условиях на поверхности кремния формируются наноструктуры с меньшим периодом, но с большей амплитудой, чем на поверхности германия, — отметил ученый.
В настоящее время научная группа приступает ко второму этапу исследований. На этот раз объектами изучения и воздействия ионо-кластерными пучками аргона станут двухкомпонентные полупроводниковые соединения. Проводится оптимизация режимов воздействия на кремний и германий, одновременно с этим осуществляя весь объем необходимой подготовительной работы для перехода к исследованию двухкомпонентных материалов. Одновременно будет проведено численное моделирование их взаимодействия с кластерными ионами при различных заданных параметрах и режимах работы.
На заключительном этапе воздействие будет осуществляться не на статичные или продвигающиеся в одном направлении мишени, а на вращающиеся, что коренным образом изменит свойства формируемых наноструктур. Ученые выяснили, что при этом волнообразные наноструктуры преобразуются в островковые конусообразные наноструктуры, что открывает новые перспективы перед исследователями.Такие наноструктуры могут найти практическое применение для модификации подложек для поверхностно-усиленной Рамановской спектроскопии (SERS), позволяющей регистрировать низкие концентрации веществ, или могут быть включены в интегральные фотонные схемы в качестве активных оптических переключателей. Кроме того, при использовании нанонитей на поверхности материалов другими исследователями были продемонстрированы настраиваемые плазмонные свойства в видимом диапазоне длин волн у материалов, которые, как считалось, создают резонансы только в глубоком ультрафиолетовом диапазоне, что может открыть новые горизонты для плазмонных материалов.
