Неожиданная эпитаксия

Эпитаксия — давно и хорошо известное в кристаллографии явление. Оно состоит в выращивании кристалла с ориентацией кристаллографических осей, согласованной с ориентацией осей его затравки или подложки. Она может быть кристаллом того же вещества, которое на ней растет, или нет. Во втором случае, при гетероэпитаксии кристаллическая подложка и пленка имеют разный состав, но первая все равно задает кристаллическую ориентацию последней. Например, селитра согласованно нарастает на грани ромбоэдров кристалла кальцита.

Эпитаксиальная пленка получается монокристаллической и ориентированной, если параметр ее элементарной ячейки близок к таковому у подложки. Это означает близость расстояний между атомами у разных материалов. Если это условие не выполняется с достаточной точностью, то пленка может стать поликристаллической, даже аморфной, и потерять свои специфические характеристики необходимые в электронике.

Специалисты знают и о так называемой искусственной эпитаксии, когда нанесение регулярного микро и нанорельефа, например, полос, квадратов, других фигур на поверхность подложки повышает кристалличность выращиваемой разными способами пленки. Эпитаксии многих видов используют, когда изготавливают всевозможные микро и наноэлектронные приборы, микросхемы, датчики и т. п.

Совсем недавно профессор физики Зенг Хао (Hao Zeng) из Колледжа наук и искусств Университета штата Нью-Йорк в Буффало при выращивании магнитной пленки наткнулся на новый вид эпитаксии. Произошло это, когда ученый методом газофазного осаждения растил тонкий слой теллурида хрома (Cr₅Te₈) поверх монослоя диселенида вольфрама (WSe₂).

До опыта Хао предполагал, что пленки будут связаны слабыми силами Ван дер-Ваальса и пленка теллурида не будет монокристаллической и очень качественной. Все оказалось как раз наоборот. Высокое совершенство получившейся пленки ученые объясняют тем, что кристаллическая решетка подслоя соизмерима с решеткой пленки с размером элементарной кристаллической ячейки в несколько десятков микрон (семь элементарных ячеек первого соответствуют трем ячейкам второго).

Профессор сравнивает полученную пленку со сплошным деревянным полом, кое-где прибитым гвоздями к своей основе. Они служат ему символами локальных сил притяжения между материалами. Этих редких на масштабах десятков микрон ковалентных связей оказалось вполне достаточно для надежного контроля ориентации. Упрощенно это можно себе представить так. Квадратами паркета надо замостить пол, состоящий из более мелких квадратов при условии, что длина семи сторон малого квадрата равна длине трех сторон большого. Ясно, что взаимное геометрическое согласование элементов такого пола на больших пространствах будет совершенным.

Исследованию закономерностей новой эпитаксии посвящена статья команды из двух десятков ученых и США, Китая и Сингапура, в которой профессор Хао стал ведущим автором. По мнению ученых, их работа дает новые возможности получать монокристаллические пленки полупроводниковых соединений, которые практически важны для промышленности, поскольку позволяют подбирать перспективные  кристаллические пары материалов. Авторы запатентовали свое открытие.

(Advanced Materials, 2200117, 2022)