Процеси самоорганізації структурно-морфологічних характеристик та умов формування мікро- і наносистем

Abstract

Дисертаційна робота присвячена встановленню та систематизації механізмів і закономірностей самозбирання низькорозмірних систем слабколетких речовин Al, Ag, Cu, Ni, Ti та Si в самоорганізованих квазірівноважних стаціонарних умовах конденсації при дії низькотемпературної плазми на ростову поверхню у високочистому інертному середовищі. Уперше сформульовано й експериментально обґрунтовано концепцію систем повної самоорганізації, сутність якої полягає у взаємозалежних дисипативній самоорганізації квазірівноважних стаціонарних умов конденсації та консервативній самоорганізації росту низькорозмірних структур на підкладці. Самоорганізація структуроутворення визначається положенням критичної енергії в спектрі енергій зв’язку адатомів із ростовою поверхнею залежно від пересичення осаджуваної пари, Оствальдівським дозріванням за достатньої густини активних центрів нуклеації, а також конкуруючим впливом розігрівання ростової поверхні в процесі конденсації та дії плазми, ефектом Гіббса – Томсона, структурною та польовою селективностями.

Диссертация посвящена установлению и систематизации механизмов и закономерностей самосборки низкоразмерных систем слаболетучих веществ Al, Ag, Cu, Ni, Ti, Si в самоорганизующихся квазиравновесных стационарных условиях конденсации при воздействии низкотемпературной плазмы на ростовую поверхность в чистой инертной среде. Впервые сформулирована и экспериментально реализована концепция систем полной самоорганизации, суть которой заключается во взаимосвязанных диссипативной самоорганизации квазиравновесных стационарных условий конденсации и консервативной самоорганизации роста низкоразмерных структур на подложке. Самоорганизация структурообразования определяется положением критической энергии в спектре энергий связи адатомов с ростовой поверхностью в зависимости от пересыщения осаждаемых паров, Оствальдовским созреванием при достаточной концентрации активных центров нуклеации, конкурирующим влиянием разогрева ростовой поверхности в процессе конденсации, эффектом Гиббса – Томсона, структурной и полевой селективностями.

The thesis is devoted to determination and systematization of mechanisms and regularities of low-dimensional systems self-assembly for weakly volatile Al, Ag, Cu, Ni, Ti and Si within self-organized quasi-equilibrium steady-state conditions under direct action of low-temperature plasma onto a growth surface in highly pure inert ambient. The concept of complete self-organization systems is formulated and experimentally realized for the first time which consists in interdependent dissipative self-organization of quasi-equilibrium steady-state condensation conditions and conservative self-organization of low-dimensional structure growth on substrates. Self-organization of structure formation is determined by a critical energy position in the range of atom binding energies with the growth surface depending on the supersaturation of deposited vapours, as well as by Ostwald ripening at high enough density of active nucleation centres, competitive contributions of growth surface temperature, Gibbs – Thomson effect, structural and field selectivities. The physical model of quasi-equilibrium steady-state condensation conditions is proposed that consists in keeping low relative supersaturation at the level of ~ 10–5 – 10–2 by means of high growth surface temperature, weak deposited fluxes, action of physical and/or chemical factors of an active ambient, i. e. low-temperature plasma of magnetron discharge. To realize the model for weakly volatile metals and silicon, a new type of sputtering devices in the form of accumulative ion-plasma systems (AIPS) is developed and patented which are based on modified dc magnetron sputtering combined with the hollow cathode and represent an example of complete self-organization systems. Within the AIPS plasma acts directly onto the growth surface under accumulation of substance and increased working gas pressure (1–25 Pa) that results in decrease of the desorption energy to an effective value. Interdependent changes of the growth surface temperature, the deposited flux and the relative supersaturation are of self-organized character and mainly result in keeping constant low supersaturation. The self-organized conditions are studied by two mathematical models based on mass transfer and energy balance analysis, as well as on standard synergetic approach using phase plane method. The macroscopic and microscopic criteria of stationarity are formulated as constancy of low supersaturation in time and invariable position of the critical energy correspondingly. It has been found that traditional ideas about growth mechanisms under Volmer –Weber mode are limited to only relatively high supersaturation. However, under low supersaturation and plasma action in pure ambient, nucleation starts with pseudomorphic growth of an amorphous phase being up to 3.5 nm thick both on isotropic and monocrystalline substrates. During further deposition growth of statistically uniform Сu and Ni nanocluster systems are observed that are 20–40 nm in diameter and tend to self-organized shape and size, as well as three-dimensional nanocluster networks. Structural fragments originate and join on the active centers of the substrate and of the negative curvature surfaces without pronounced coalescence. During prolonged deposition 30 min – 9 h wide spectrum of Al, Cu, Ni, Ti, Si structures is fabricated that exceed the bounds of traditional structure zone models, among which there are the following: highly porous Al, Cu, Ni, Ti structures, amorphous Si island systems, Si, Cu and Al condensates with developed surface of self-organized character, Al layers with closed cyclic porosity, elongated structural fragments of Cu on the base porous layers. By mathematical modelling it is found that growth of multiwall carbon nanotubes in a cathodic deposit during plasma-arc synthesis possesses the same self-organized features as shown above and under low steady-state supersaturation ~ 10–2.