«Наука в Сибири» ТАЙНАЯ ЖИЗНЬ КРИСТАЛЛОВ
Л.С. Смирнов С момента организации Института физики полупроводников в нем активно функционирует лаборатория радиационной физики, коллектив которой трижды признавался ведущей научной школой России «Процессы в полупроводниках при радиационных и термических обработках». По итогам работ была подготовлена статья «Размышления о реакциях в кристаллах», опубликованная в журнале «Известия вузов» в конце 2009 года. В статье идет речь об экспериментальных фактах, установленных ещё в 1962 г. — высокой миграционной способности элементарных структурных дефектов — атомов в междоузлиях и пустых мест (вакансий); существовании между ними барьера для аннигиляции; их активном участии в твердотельных реакциях с образованием серий комплексов. Эти результаты получены на германии и кремнии, но в нашей лаборатории сделано обобщение, что такое поведение справедливо для любых твердых тел, т.к. они в большинстве своем кристаллические. Для неравновесных структурных дефектов (компонентов пар Френкеля) нами развито «зонное» представление, подобное неравновесным электронам, дыркам, где ширина запрещённой зоны равна пороговой энергии смещения, а уровни — это связи дефектно-примесных комплексов. По нашим данным, Ед=20 эВ в кремнии и 15,6 эВ в германии, а энергии связи комплексов — единицы эВ. Наиболее ярко вышесказанное проявилось при анализе диффузии в кристаллах при учете еще одного важного результата — подвижность атомов в междоузлиях оказались выше подвижности пустых мест. Отсюда вывод: канал переноса вещества по междоузлиям — основной! Это дало такое определение диффузии: «Разбегание атомов, попавших в междоузлия решетки, при их тепловом движении, замедленное актами образования дефектно-примесных квазистабильных ассоциаций — ловушек комплексов». Итак, атом в данном контексте — лишь сгусток электронов, где его ядро — центр их конденсации и носитель массы, а индивидуальные свойства и реакционная способность определены качеством его электронных оболочек. Атом — основной участник теплового движения. В кристаллических решётках это лишь колебания вблизи узлов, но стоит атому покинуть глубокую ловушку-узел, как он становится свободной частицей, движущейся в плотной среде. Длины их пробегов из-за малости энергий миграции и наличия барьеров аннигиляции и комплексообразования из-за локальной деформации решетки, как правило, больше постоянных решёток, что является необходимым условием протекания реакций с образованием спектра квазистабильных дефектно-примесных ассоциаций — сложных многочастичных комплексов. Дефектно-примесные комплексы квазистационарны, с ростом температуры идёт перекачка их компонентов в сторону больших энергий связи новых образований. Движение атомов по междоузельным положениям всегда доминирует, т.к. любой другой вариант диффузии требует коллективных сложных перестроек, что резко уменьшает вероятности смены мест. Термодиффузия контролируется переходом атомов в свободное, подвижное положение и эффектами прилипания на ловушках — других структурных дефектах, примесных атомах и границах раздела фаз. Отсюда так много ложных вариантов и попыток её ускорения. Ускорение возможно лишь путем создания высокой концентрации атомов в междоузлиях! Эффекты термодефектов, как и механизмов «дальнодействия», являются результатами модификации дефектно-примесных подсистем внешними воздействиями. Таким образом, дефектно-примесная подсистема кристаллов как фундаментальный раздел физики твердых тел требует постановки экспериментов и развития теории по уточнению энергий миграции атомов в междоузлиях и вакансий, величин барьеров аннигиляции и комплексообразования, энергий связи квазистационарных комплексов. Комбинация радиационных методов и молекулярно-лучевой эпитаксии при вариации температуры с использованием современных методов «атомной» диагностики открывают здесь заманчивые перспективы. Так будут заложены технологические основы создания активных наноцентров в кристаллах. Мы считаем, что развитые положения справедливы для любых кристаллических тел, а полупроводники — кремний и германий — сыграли пионерскую роль из-за их рекордного совершенства и чистоты. Появление сегодня в руках экспериментаторов ещё более совершенного, бескислородного и бездислокационного кремния, полученного бестигельной зонной плавкой — уже реальность. Деталей атомных процессов в кристаллах удивительно много — это новый мир, отсюда понятными и оправданными становятся временные задержки и недостатки экспериментальных данных. Автор выражает надежду, что исследования в этой области станут основой для новых открытий. Статья в «Известиях вузов» и данное краткое изложение — итог тридцатилетней работы лаборатории радиационной физики ИФП СО РАН, лидером которой мне посчастливилось быть. стр. 12 |