От космических струн до компьютерных чипов: скорость охлаждения влияет на структуру кремниевых поверхностей

Атомы кремния на поверхности образуют пары, которые могут занимать два разных положения, как качели. Взаимодействие между такими «качелями» приводит к дальнему и направленно-зависимому порядку. Автор: Б. Шрёдер / HZDR

Солнечные элементы и компьютерные чипы требуют максимально совершенных кремниевых слоёв. Любой дефект в кристаллической структуре повышает риск снижения эффективности или возникновения ошибок в переключательных процессах.

Понимание того, как атомы кремния формируют кристаллическую решётку на тонкой поверхности, даёт ключевые знания для контроля роста кристаллов. Международная исследовательская группа проанализировала поведение кремния, подвергнутого мгновенной заморозке. Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review Letters.

Исследование показало, что скорость охлаждения существенно влияет на структуру кремниевых поверхностей. Подобный механизм мог возникать и во время фазовых переходов в ранней Вселенной сразу после Большого взрыва.

При низких температурах на поверхности кремния образуются пары атомов, называемые димерами, которые могут наклоняться вправо или влево, как качели. При температуре выше критической (для кремния это 190 Кельвинов или −83 °C) димеры раскачиваются между двумя состояниями.

«При охлаждении ниже критической температуры димеры фиксируются в одном из двух состояний, — объясняет доктор Гернот Шаллер, руководитель группы квантовых информационных технологий Института теоретической физики HZDR. — Это фактически замораживает их в ходе фазового перехода».

Кроме того, димеры влияют друг на друга, причём это влияние зависит от их расположения: поперечная связь сильнее продольной.

«Именно эта сильная анизотропия определяет поведение димеров на поверхности, — говорит Шаллер. — В зависимости от скорости охлаждения мы наблюдаем переход от одномерного к двумерному поведению».

При сверхбыстром охлаждении (более 100 Кельвинов за микросекунду) углы наклона димеров выстраиваются в длинные цепочки. При более медленном охлаждении преобладает двумерное поведение — димеры формируют упорядоченные области с однородной шестиугольной структурой.

Для расчёта структуры поверхности учёные использовали модель Изинга, учитывающую только два возможных состояния димеров. Результаты моделирования совпали с экспериментальными данными, полученными с помощью сканирующего туннельного микроскопа.

Шестиугольники и зигзагообразные цепочки

На снимках замороженных кремниевых поверхностей видны как двумерные шестиугольные структуры, так и резкие границы между зигзагообразными цепочками. Дальнейшие эксперименты, запланированные в Университете Дуйсбурга-Эссена, должны подтвердить влияние скорости охлаждения на структуру поверхности.

Результаты исследования не только открывают новые возможности для создания бездефектных кремниевых поверхностей, но и демонстрируют связь с механизмом Киббла-Цурека. Эта теория, разработанная для описания фазовых переходов в ранней Вселенной, оказалась применима и к кремниевым поверхностям.

Дополнительная информация: G. Schaller et al, Kibble-Zurek Dynamics in the Anisotropic Ising Model of the Si(001) Surface, Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/rmc4-xqb3

Источник: Объединение имени Гельмгольца