Особенности формирования нанокристаллов силицида железа α-FeSi2 на поверхности кремния Si(001) и Si(111)

Работа поддержана Российским Фондом Фундаментальных Исследований, проект №. 18-32-00981.

Аннотация. В настоящей работе сообщается о росте ансамблей нанокристаллов α-FeSi₂ на активированных золотом и не содержащих золота поверхностях Si(100) и Si(111) методом молекулярно-лучевой эпитаксии. Обсуждается влияние соотношения потоков Si/Fe на образо­вание нанокристаллов α-FeSi₂. Были проанализированы микроструктура и ориентационные соотношения (ОС) между нанокристаллами силицида и кремниевой подложкой. Исследование показывает, что использование золота в качестве катализатора регулирует предпочтительное ОС нанокристаллов с кремнием и их огранку. Предварительные магнитные и электрические измерения показывают, что металлические нанокристаллы α-FeSi₂ с разными значениями OR имеют разные магнитные моменты и энергию барьера Шоттки перехода металл-полупроводники. Вольтам­перная характеристика гетероструктур α/Si показывает хорошую линейность в широкой области температур.

Ключевые слова: кремний; силицид железа; преимущественная ориентация; нанокристаллы; эндотаксия.

Наноструктуры на основе силицидов железа имеют широкий спектр возможных применений в различных областях электроники [1-8]. Интерес к этим материалам вызван их экологической безопасностью и широким распространением в земной коре. Силициды железа FeSi₂, богатые кремнием, имеют не менее яркие возможности применения. Полупроводниковая фаза β-FeSi₂ может использоваться как активный материал в фотонных кристаллах, а также для фотовольтаики, термо­электричества. Благодаря возможному прямому переходу с энергией, близкой к 0,87 эВ, данный материал может быть использован в качестве активного материала в светоизлучающих диодах инфракрасного диапазона [9]. Сообщается, что металлический α-FeSi₂ применяется в качестве материала электрода к кремнию или β-FeSi₂ с хорошими омическими характеристиками [10]. Эта фаза может также исполь­зоваться для формирования барьерных контактов Шоттки, локальных межсоединений и диффузионных барьеров.

Фаза α-FeSi₂ относится к тетрагональной кристаллической системе (P4mmm) с параметрами решетки a, b = 2,684 Å, c = 5,128 Å [10], где атомы Fe образуют квазидвумерную структуру и расположены в плоскостях α{001} разделенных двумя плоскостями, образованными атомами кремния. Парамагнитная и метастабильная в объемных условиях фаза α-FeSi₂ в наномасштабе, как сообщается, может демонстрировать ферромагнитные свойства с намагниченностью выше чем чистое железо. Наряду с этим считается, что такие квазидвумерные соединения, как α-FeSi₂, могут обнаруживать высокотемпературную сверхпроводимость.

Для того, чтобы вызвать изменения в процессе формирования и, как следствие, в физических свойствах, использовались изменение потока Si / Fe и поверхности кремния без золота или активированной золотом поверхности кремния. Нанокристаллы α-FeSi₂ были сформи­рованы на вицинальной поверхности подложек кремния p-Si(100) и Si(111) с разориентацией от базовой плоскости равной 1˚ (ρ ~ 5-10 Ом·см) при 840 °C методом молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) в условиях сверхвысокого вакуума. Перед синтезом подложка Si была химически очищена. Чтобы получить атомно-чистую поверхность кремния, пластина подвергалась температурной обработке при 850-900 ˚C до тех пор, пока на картине дифракции отраженных быстрых электронов не появилась хорошо упорядоченная подложках (2×1) или (7x7). После охлаждения образца до комнатной температуры слой Au с различной номинальной толщиной (0-50 нм) осаждался из эффузионной ячейки Кнудсена на поверхность подложки со скоростью 0,25 нм/мин. Затем для выращивания нанокристаллов α-FeSi₂ температуру подложки увели­чивали до 840 ˚C, и Fe и Si наносились одновременно с различным соотношением состава Si / Fe в диапазоне 0 - 2.

Рисунок 1. Изображения ПЭМ нанокристаллов α(001)//Si(001) с различной огранкой

В результате примененные методики привели к разнообразию физических свойств полученных нанокристаллических ансамблей α-FeSi₂. Было показано, что увеличение количества железа в осаждаемом потоке приводит к образованию большей доли эндотаксильных нанокристаллов α-FeSi₂(001) с огранкой плоскостями α(001) и α(11n), активированной золотом (рис. 1). В отсутствие катализатора предпочтительной ориен­тацией является α(111)/Si(001). При изменении преимущественной кристаллографической ориентации и напряжений кристаллической решетки нанокристаллов α-FeSi₂, вызванных несоответствием между кристаллическими решетками силицида α-FeSi₂ и кремния, возможно контролируемое увеличение намагниченности системы (рис. 2). Кроме того, нанокристаллы α-FeSi₂ можно использовать в качестве омического контакта с кремнием, где нижний предел температуры омического контакта можно варьировать путем изменения преимущественной ориентации нанокристаллов α-FeSi₂ на кремнии. Эффект достигается за счет изменения высоты барьера Шоттки, образованного на границе раздела силицид / кремний.

Рисунок 2. а) Температурная зависимость магнитного момента в образцах с преимущественными ориентациями на α(001) и на α(111); б) полевые зависимости для указанных образцов

В заключение отметим некоторые результаты, на которые стоит обратить внимание. В работе была показана возможность преобразования парамагнитной фазы α-FeSi₂ в ферромагнитное состояние. Деформация решетки, вызванная специфическим эпитаксиальным соотношением с подложкой приводит к появлению магнитного момента в диапазоне от 0,1 до 0,2 μB/Fe_at. Было также показано, что изменение атомного расположения интерфейсного слоя α-FeSi₂/Si изменяет высоту барьера Шоттки. Таким образом, эта работа демонстрирует возможность контро­лируемого изменения физических свойств богатых кремнием силицидов железа для достижения желаемого отклика на приложенные силы.