"Eesti Teadusfondi uurimistoetus" projekt ETF9088
ETF9088 "Mitte-isostruktuursed epitaksiaalsed kiled: kasvatamine ja struktuuri määramine (1.01.2012−31.12.2015)", Hugo Mändar, Tartu Ülikool, Loodus- ja tehnoloogiateaduskond, Tartu Ülikooli Füüsika Instituut.
ETF9088
Mitte-isostruktuursed epitaksiaalsed kiled: kasvatamine ja struktuuri määramine
Non-isostructural epitaxial thin films: growth and structure characterization
1.01.2012
31.12.2015
Teadus- ja arendusprojekt
Eesti Teadusfondi uurimistoetus
ETIS klassifikaatorAlamvaldkondCERCS klassifikaatorFrascati Manual’i klassifikaatorProtsent
4. Loodusteadused ja tehnika4.10. FüüsikaP250 Tahke aine: struktuur, termilised ja mehhaanilised omadused, kristallograafia, phase equilibria1.2. Füüsikateadused (astronoomia ja kosmoseteadus, füüsika ja teised seotud teadused)100,0
PerioodSumma
01.01.2012−31.12.201213 706,40 EUR
01.01.2013−31.12.201313 706,40 EUR
01.01.2014−31.12.201413 706,40 EUR
01.01.2015−31.12.201513 706,40 EUR
54 825,60 EUR

Antud projekt tegeleb mitte-isostruktuursete epitaksiaalsete kilede struktuuri uurimisega kasutades selleks kõige moodsamat ja täielikumat kaasajal teadaolevat meetodite kogumit, milleks on valitud põhiliselt kõik röntgenanalüüsi meetodid ning lisaks elektrondifraktsioon ja elektronmikroskoopia. Kuna röntgenkiirtel baseeruvad meetodid on olnud kõige kasutatavamad töövahendid materjalide struktuuri uurimisel, siis põhiline koormus antud projektis lasubki nendel. Materjalid, mida uuritakse, on olulised nii puhtteaduslikus mõttes unikaalseid epitaksiaalstruktuure näidates kui ka mitmetes tehnoloogilistes rakendustes pooljuhttööstuses, optikas, info salvestuse seadmetes või sensoorikas. Projekti eesmärgid on: Järgmiste, senisega võrreldes uute aparatuursete võimaluste rakendamine kilede struktuuri rutiinseks uurimiseks: koplanaarne röntgendifraktsioon, pöördvõre kaardistamine, poolusdiagrammide määramine, pingete analüüs, termoröntgenograafia, libiseva kiire röntgenhajumine. Pinna vaba eneriga arvutuste kasutuselevõtmine kristalliliste ainete pindade jaoks, võimaldades ennustada kilede tõenäosuslikke kasvusuundi ja seletada eksperimentaalseid tulemusi tekstuuri ning epitaksia analüüsil. Mitte-isostruktuursete epitaksiaalsete kilede struktuuri analüüs kasutades komplekset uurimismetoodikat (XRD, GIXRD, XRR, GISAXS, RHEED, pindade XRD, SEM) määramaks faasilist koostist, soojuspaisumistegureid, võre deformatsiooni ja defekte, kristallilisust ja mosaiiksust, aluse ja kile kristallvõrede kokkusobivust, kilede paksust, tihedust ning karedust sõltuvalt kasvatamise tingimustest. Optimaalsete kasvatamistingimuste määramine parima epitaksiaalsusega struktuuride saamiseks. Järgmised ühendid on kavas võtta esmajärjekorras uurimisele: 1) suure dielektrilise läbitavusega materjalid (HfO2 ja ZrO2; a-Al2O3; TiO2); 2) sensor- ja magnetmaterjalid (Ti dopeeritud Cr2O3, Fe2O3 ja FeOx tahked lahused); 3) grafeen metallidel. Magistri ja doktoriõppe raames üliõpilaste koolitamine epitaksiaalsete struktuuride uurimiseks kasutades röntgenstruktuuri meetodeid.
This project focuses on the structure of non-isostructural epitaxial films by using the most comprehensive list of state of the art methods for structure characterization: mainly all X-ray methods but also electron diffraction, and -microscopy. Since X-rays are one of the most used tools in studying the structure of the materials then the main workload is expected on these methods. The materials under the study are important both for basic science but also for various technological applications in semiconductor industry, optics, information storage or making sensors. The main purposes are the following: Implementation of new and unavailable within the current equipment bases structure analysis methods, like: true in-plane X-ray diffraction (GI-XRD), reciprocal space mapping, pole figure analysis, stress and strain determination, high temperature XRD, grazing incidence small angle X-ray scattering (GISAXS) into a routine scheme for characterization of crystalline thin films. Introducing surface free energy calculations for atomic surfaces of crystalline materials that enable to predict the most probable growth directions and to confirm experimental results about texture and epitaxy formation in thin films. Structure characterization of the epitaxial films by various methods (XRD, GIXRD, X-ray reflection, GISAXS, reflection high energy electron diffraction, surface XRD, SEM) for determination of the phase composition, thermal expansion coefficients, lattice strain and stress, crystallinity and mosaicity, lattice orientation on the substrates, thickness and roughness in dependence of the growth conditions. Selection of the optimum growth parameters for yielding films with the highest lattice orientation and lowest defect concentration. The following type of film–substrate systems have been taken into primary consideration: 1) high-k dielectrics (HfO2 and ZrO2; a-Al2O3; TiO2); 2) sensor and magnetic materials (Ti doped Cr2O3, Fe2O3 and FeOx-based solutions); 3) graphene on metals. Education master degree and PhD students for growing epitaxial thin films and their structural characterization by state of the art X-ray methods.
Epikilede vôreorientatsiooni, mosaiiksuse ja deformatsioonide ning kilede kasvualuste pinnakihi defektsuse karakteriseerimiseks juurutati projekti toetusel mitmed röntgendifraktsioonil baseeruvad uurimismeetodid: pöördvôre kaardistamine (RSM), mittekoplanaarne (in-plane XRD) ja kôrgtemperatuurne difraktsioon (HT-XRD), tekstuuri analüüs (PF-XRD), röntgentopograafia (XRT), söövitusaukude tiheduse meetod (EPD). Vôeti kasutusele kristallstruktuuri rekonstruktsiooni arvutused (programmid GULP ja CASTEP). Kilede uuringute raames näidati ALD vôimekust kasvatada HfO2 epitaksiaalselt r-orienteeritud safiiralustele. Määrati HfO2 epikile optimaalsed kasvutingimused ja tehti kindlaks safiiraluse soodustav mõju parema HfO2 epikile saamiseks võrreldes Si alusega. Viidi läbi vaba energia arvutused α-Cr2O3 pinna (-1102) jaoks (r’), määrati aatomite relakseerunud konfiguratsioon. Näidati, et r’ vaba energia on suurem kui r- või c-orienteeritud pinnal. Leiti, et Ti aatomid stabiliseerivad r' pinda suuremal määral kui r pinda. Uurides r-safiirile kasvatatud dopeeritud Ti+Cr2O3 kilesid, tehti ka eksperimentaalselt kindlaks Ti sabiliseeriv mõju kile eeliskasvule r’ tasandis. Uute ALD prekursorite testimisel Cr–O kilede saamiseks leiti, et kasutades ühendit Cr-1,2,5-triazapentadienyl, kasvab safiirile (c- ja r-tasandid) epitaksiaalne kile kasvutemperatuuride (Tg) vahemikus 200-280°C. Määrati optimaalsed tingimused α-Cr2O3 saamiseks nii Si kui ka α-Al2O3 alustele. TiO2 kilede ALD kasvu uurimisel vesinikuvabadest lähteainetest leiti, et kasutades TiCl4 ja O3 on võimalik epitaksiaalse rutiili kasv safiiri r-pinnale ja suure tihedusega kõrgrõhufaasi TiO2-II kasv safiiri c-pinnale, kusjuures laieneb Tg vahemik, milles moodustub TiO2-II. Tehti kindlaks TiO2-II ja rutiili võreparameetrid ja näidati, et TiO2-II ja rutiili 2D rakud koos sobituvad kasvualusega paremini kui eraldi paigutatuna. Loodi koostöö keskusega ESRF (Grenoble) ja ülikooliga Dublinis (DCU) XRT meetodi kasutamiseks ning Wayne Riikliku Ülikooliga (USA) ALD prekursorite testimiseks.