Ca2Si(100) epitaxial films on the Si(111) substrate: Template growth, structural and optical properties

Галкин, Н. Г.; Dotsenko, S. A.; Pyachin, S. A.; Astapov, I. A.

doi:10.1016/j.mssp.2020.105036

Cited by 10 publications

(38 citation statements)

References 24 publications

Supporting

Mentioning

Contrasting

Unclassified

Order By: Relevance

“…The substrate was a single-crystal silicon with (111) orientation and a misorientation angle of 4° (vicinal Si(111)-4° surface). An atomically clean sample surface was obtained using a series of high-temperature and short-term annealings at 1150 °C that were previously described in detail for the singular Si(111) [ 28 ] and high-index Si(55 12) [ 29 ] surfaces. The sample temperature was controlled using a PhotriX ML-AAPX infrared pyrometer.…”

Section: Methodsmentioning

confidence: 99%

The Nature of Ferromagnetism in a System of Self-Ordered α-FeSi2 Nanorods on a Si(111)-4° Vicinal Surface: Experiment and Theory

et al. 2022

View full text Add to dashboard Cite

In this study, the appearance of magnetic moments and ferromagnetism in nanostructures of non-magnetic materials based on silicon and transition metals (such as iron) was considered experimentally and theoretically. An analysis of the related literature shows that for a monolayer iron coating on a vicinal silicon surface with (111) orientation after solid-phase annealing at 450–550 °C, self-ordered two-dimensional islands of α-FeSi2 displaying superparamagnetic properties are formed. We studied the transition to ferromagnetic properties in a system of α-FeSi2 nanorods (NRs) in the temperature range of 2–300 K with an increase in the iron coverage to 5.22 monolayers. The structure of the NRs was verified along with distortions in their lattice parameters due to heteroepitaxial growth. The formation of single-domain grains in α-FeSi2 NRs with a cross-section of 6.6 × 30 nm2 was confirmed by low-temperature and field studies and FORC (first-order magnetization reversal curves) diagrams. A mechanism for maintaining ferromagnetic properties is proposed. Ab initio calculations in freestanding α-FeSi2 nanowires revealed the formation of magnetic moments for some surface Fe atoms only at specific facets. The difference in the averaged magnetic moments between theory and experiments can confirm the presence of possible contributions from defects on the surface of the NRs and in the bulk of the α-FeSi2 NR crystal lattice. The formed α-FeSi2 NRs with ferromagnetic properties up to 300 K are crucial for spintronic device development within planar silicon technology.

show abstract

Section: Methodsmentioning

confidence: 99%

The Nature of Ferromagnetism in a System of Self-Ordered α-FeSi2 Nanorods on a Si(111)-4° Vicinal Surface: Experiment and Theory

et al. 2022

View full text Add to dashboard Cite

show abstract

“…Для сапфировых подложек атомарно-чистую поверхность Al 2 O 3 (0001)1×1 получали отжигом в СВВ-камере при температуре не выше 830 о С, что обеспечивало сохранение гладкой поверхности без ее термического растравливания. Для повторения методики роста жертвенного слоя Mg 2 Si [17] на атомарно-чистой поверхности сапфира сначала формировали аморфный слоя кремния толщиной около 10 нм путем осаждения атомов кремния при комнатной температуре, на котором выращивали методом реактивной эпитаксии при 150 о С тонкую пленку Mg 2 Si (образец А, таблица). Реактивное осаждение атомов кальция с малой скоростью при температуре 250 о С позволило преобразовать жертвенный слой Mg 2 Si на сапфире, как было установлено ранее на кремниевых подложках [17], в затравочный слой Ca 2 Si, на котором потом выращивалась пленка Ca 2 Si большей толщины методом молекулярно-лучевой эпитаксии.…”

Section: экспериментunclassified

“…Для выращенных толстых эпитаксиальных пленок Ca 2 Si на кремнии исследована их структура, оптические свойства и фононная структура [17], что позволило только установить в них формирование прямого межзонного перехода при энергии 1.095 эВ и впервые идентифицировать пики комбинационного рассеяния света и пики ИК-поглощения. Но обнаруженный прямой межзонный переход не является фундаментальным, поскольку маскируется поглощением на высокой плотности дефектных состояний в области энергий фотонов 0.5 -1.0 эВ, близкой к бездисперсионной области в Ca 2 Si [17]. Идентификация более высокоэнергетических переходов в пленках Ca 2 Si была невозможна за счет их роста на кремниевой подложке с ограничением ее прозрачности выше 1.12 эВ [19].…”

Section: Introductionunclassified

“…Для установления природы фундаментального межзонного перехода в Ca 2 Si в области энергий фотонов ниже 1.0 эВ необходимо вырастить пленки Ca 2 Si на прозрачной ориентирующей подложке, например, сапфире. Это уменьшит вклад подложки в поглощение системы пленка-подложка и увеличит точность определения коэффициента пропускания пленки в области дефектного поглощения, которое было значительным при энергиях фотонов 0.4 -1.0 эВ, что будет способствовать возможности определения фундаментального перехода в пленках Ca 2 Si, как было предложено нами в статье [17].…”

Section: Introductionunclassified

See 1 more Smart Citation

Crystalline Structure, Optical Properties and Band Gap Nature of Semiconductor Ca2Si Films on Al2O3 Substrate

Галкин¹,

Galkin²,

Chernev³

et al. 2022

HFIM

View full text Add to dashboard Cite

Аннотация. Методом преобразования расходуемого 2D-слоя Mg 2 Si в затравочный слой Ca 2 Si были впервые сформированы нанокристаллические пленки Ca 2 Si на Al 2 O 3 (0001) с предварительным формированием аморфного 2D-слоя Si. Установлено, что затравочный слой Ca 2 Si на сапфировой подложке позволяет выращивать ориентированные пленки Ca 2 Si методом молекулярно-лучевой эпитаксии при температуре 250 о С, для которых наблюдается одно эпитаксиальное соотношение: Ca 2 Si(211)/Al 2 O 3 (0001). Исследования оптических свойств и параметров зонной структуры Ca 2 Si на сапфире выявили природу прямого фундаментального перехода с энергией 0.88±0.01 эВ. Установлено, что в зонной структуре Ca 2 Si наблюдаются четыре прямых межзонных перехода: 0.88, 1.16, 1.49 и 1.61 эВ с увеличивающейся силой осциллятора. При энергиях фотонов от 0.78 эВ до 0.88 эВ основной вклад в поглощение вносит хвост Урбаха на дефектах в нанокристаллах Ca 2 Si. Поглощение на межзеренных границах наблюдается при энергиях фотонов от 0.6 эВ до 0.78 эВ, а на свободных носителях -при энергиях менее 0.6 эВ. Полученные результаты важны для оптоэлектроники в ИК области спектра. Ключевые слова: 2D Mg 2 Si, сапфир, шаблон, пленки Ca 2 Si, кристальная структура, оптические функции, фундаментальный прямой переход.

show abstract

“…Поскольку Ca 2 Si относится к прямозонным полупроводникам по данным первопринципных расчетов с шириной запрещенной зоны от 0.30 -0.36 эВ [20 -22] до 1.02 эВ [23], то в последние годы начал проявляться интерес к исследованию его легирования примесями n-и p-типа для создания диодных структур и исследования возможности излучательной рекомбинации. Рост плотных пленок Ca 2 Si на кремнии методом замещения магния кальцием в силициде магния [18,19] не мог быть реализован из-за частичной десорбции магния и формирования пористой структуры Ca 2 Si. Для роста пленок Ca 2 Si на кремнии данный метод был трансформирован путем создания упорядоченного жертвенного двумерного слоя Mg 2 Si, который затем трансформировался в затравочный слой Ca 2 Si малой толщины с частично упорядоченной структурой [19].…”

Section: Introductionunclassified

Influence of Sacrificial Mg2Si Layers and Kinetic Parameters on the Growth, Structure and Optical Properties of Thin Ca2Si Films on Silicon Substrates

Галкин¹,

Galkin²,

Chernev³

et al. 2022

HFIM

View full text Add to dashboard Cite

Аннотация. Промоделировано сопряжение кристаллических решеток двумерных слоев Mg 2 Si с атомарно-чистыми поверхностями Si(001)2×1 и Si(110)"16×2". Толстые пленки выращены методом молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) через формирование затравочных слоев Ca 2 Si. Показано, что для подложки Si(001) при температуре Т=300 о C при соотношении скоростей Ca к Si равном 4.7 в пленке толщиной 140 нм сформированы три различных силицида: Ca 2 Si, CaSi и hR3-CaSi 2 со сравнимыми вкладами. При уменьшении температуры МЛЭ роста до 250 о С и соотношении скоростей осаждения Ca и Si равном 8.4 на Si(110) формируется поликристаллическая пленка Ca 2 Si с минимальным вкладом от CaSi. Методом жертвенно-затравочного слоя и при МЛЭ росте при температуре 250 о С и разном соотношении скоростей осаждения Ca и Si (4.0 -20.0) на подложках Si(111) выращены поликристаллические и эпитаксиальная пленки Ca 2 Si с толщинами от 22 нм до 114 нм. Минимальное соотношение скоростей осаждения обеспечивает однофазный рост с эпитаксиальным соотношением Ca 2 Si(100)/Si(111), при увеличении оного от 7.3 растут поликристаллические пленки с тремя ориентациями: Ca 2 Si(100), Ca 2 Si(110) и Ca 2 Si(111) на Si(111). Установлено, что в пленках Ca 2 Si независимо от их структуры фундаментальный переход маскируется краем Урбаха в диапазоне энергий фотонов 0.78 -1.0 эВ и далее идентифицируется второй прямой межзонный переход, E 2d =(1.095±0.1) эВ.Ключевые слова: 2D Mg 2 Si, кремний, соотношение скоростей осаждения, пленки Ca 2 Si, кристаллическая структура, оптические функции, прямой межзонный переход, край Урбаха.

show abstract

Ca2Si(100) epitaxial films on the Si(111) substrate: Template growth, structural and optical properties

Cited by 10 publications

References 24 publications

The Nature of Ferromagnetism in a System of Self-Ordered α-FeSi2 Nanorods on a Si(111)-4° Vicinal Surface: Experiment and Theory

The Nature of Ferromagnetism in a System of Self-Ordered α-FeSi2 Nanorods on a Si(111)-4° Vicinal Surface: Experiment and Theory

Crystalline Structure, Optical Properties and Band Gap Nature of Semiconductor Ca2Si Films on Al2O3 Substrate

Influence of Sacrificial Mg2Si Layers and Kinetic Parameters on the Growth, Structure and Optical Properties of Thin Ca2Si Films on Silicon Substrates

Contact Info

Product

Resources

About