Abstract—A fundamentally new method of obtaining epitaxial layers of nanostructured carbon on silicon substrates has been considered. Epitaxial growth in the case of seemingly incompatible lattices has been achieved by converting the crystal by the method of coordinated substitution of atoms, in which the overall structure of the bonds between the atoms is not destroyed. In the first stage of conversion, the first half of the silicon atoms are concertedly replaced by the carbon atoms due to the reaction of silicon with CO gas, during which an epitaxial layer of SiC–3C cubic silicon carbide is obtained. In the second stage of conversion, the remaining half of silicon atoms is concertedly replaced by carbon atoms due to the reaction of SiC with CF_4 gas. Carbon structures with different properties from nanodiamonds to nanotubes and carbon nanoonions have been obtained depending on the orientation of the silicon surface, pressure of the reagent gas, and temperature and growth time. A key feature of this method is that the substrate orders the resulting structures using the original chemical bonds between the atoms in silicon. The term “concertedly” means that new chemical bonds are formed simultaneously and concertedly with the destruction of old bonds. Data on electron diffraction and analysis of Raman and ellipsometric spectra of the obtained samples of nanostructured carbon on silicon substrates have been presented. Two competing growth mechanisms have been discussed.

Методами инфракрасной спектроскопии (ИК) и спектральной эллипсометрии экспериментально под-твержден предсказанный ранее теоретически механохимический эффект нарушения стехиометрии состава, ведущий к образованию углерод-вакансионных структур в пленках карбида кремния (SiC) на подложках кремния (Si), выращенных методом замещения атомов. Обнаружено, что полоса в области 960 cm −1 в ИК-спектрах пленок SiC на Si, отвечающая " углерод-вакансионным кластерам", всегда присутствует в пленках SiC, выращенных в атмосфере чистого монооксида углерода (CO) или в смеси CO с силаном (SiH 4 ) на подложках Si различной ориентации, уровня и типа легирования. Установлено отсутствие полосы поглощения в области 960 cm −1 в ИК-спектрах пленок SiC, синтезированных при оптимальном соотношении давлений газов CO и трихлорсилана (SiHCl 3 ). Экспериментально подтвержден предсказанный ранее теоретически механизм протекания химической реакции замещения атомов Si на углерод (С) при взаимодействии газов CO и SiHCl 3 на поверхности подложки Si, приводящий к формированию эпитаксиальных слоев монокристаллического SiC.Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ (гранты № 15-0306155, 16-29-03149-офи) и в рамках проектной части гос. задания (проект: № 16.2811.2017/ПЧ).Работа выполнена при использовании оборудования Уникальной научной установки (УНУ) " Физика, химия и механика кристаллов и тонких пленок" ФГУН ИПМаш РАН (Санкт-Петербург).

Представлены данные экспериментальных исследований фотоэлектрических характеристик структур кремний-карбид кремния, выращенных методом замещения атомов на подложках кремния ориентаций (100) и (111). Установлено, что максимальная эффективность преобразования солнечного света для гетероперехода кремний-карбид кремния (карбид кремния-кремний) составила 5.4%. С использованием теории образования дилатационных диполей при синтезе методом замещения атомов объяснен механизм формирования электрического барьера на границе раздела кремний-карбид кремния. DOI: 10.21883/FTP.2017.05.44423.8458