Epitassia da fasci molecolari: differenze tra le versioni
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L''''epitassia da fasci molecolari''' ('''MBE''', dall'inglese ''Molecular Beam Epitaxy'') è una tecnica [[Epitassia|epitassiale]] che permette la crescita di sottili strati di materiali [[Cristallo|cristallini]]. MBE è largamente utilizzata nella fabbricazione di [[dispositivo a semiconduttore|dispositivi a semiconduttore]], tra cui i [[transistor]], ed è considerata uno strumento fondamentale nello sviluppo delle [[nanotecnologie]]<ref>{{Cita pubblicazione| autore=W.P. McCray | anno = 2007 | titolo = MBE Deserves a Place in the History Books | rivista = Nature Nanotechnology | volume = 2 | pp = 259–261 |bibcode = 2007NatNa...2..259M |doi = 10.1038/nnano.2007.121 | pmid = 18654274 | s2cid = 205442147 | url = https://semanticscholar.org/paper/738153017a4596b332f0b670169477cf449335ee }}</ref>. MBE è utilizzata per [[Fabbricazione dei dispositivi a semiconduttore|fabbricare]] [[diodi]] e [[MOSFET]] che funzionano alle frequenze delle [[microonde]], e nella fabbricazione dei [[laser]] usati per la lettura di [[Disco ottico|dischi ottici]] (come [[CD]] e [[DVD]]<ref>{{cita web |titolo=Alfred Y. Cho |url=https://www.invent.org/inductees/alfred-y-cho |website=National Inventors Hall of Fame}}</ref>). |
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L''''epitassia da fasci molecolari''' ('''MBE''', dall'inglese ''Molecular Beam Epitaxy'') è una tecnica che permette la crescita di sottili strati di materiali [[Cristallo|cristallini]] su substrati massivi. La tecnica, basata su concetti espressi negli anni cinquanta, si è sviluppata dopo il [[1970]] quando si sono resi disponibili sistemi che permettono di approssimare la condizione di [[Vuoto (fisica)|vuoto]] (pressione nulla) necessario alla sua operatività. |
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==Cenni storici== |
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L'idea originale del processo MBE è del 1958 ad opera di Günther <ref>{{Cita pubblicazione|autore=K. G. Günther|anno=1958|titolo=Aufdampfschidhten aus halbleitenden III-V-Verbindungen|url=https://www.degruyter.com/document/doi/10.1515/zna-1958-1210/html|journal=Zeitschrift für Naturforschung A|lvolume=13|pp=1081–1089|doi=10.1515/zna-1958-1210|s2cid=97543040|issn=1865-7109}}</ref>, in questo caso i film depositati non erano epitassiali, ma cresciuti su un supporto di vetro. I primi veri film epitassiali vengono ottenuti dieci anni dopo con lo sviluppo delle tecnologie del [[Vuoto (fisica)|vuoto]] film si [[GaAs]] cresciuti su un |
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[[monocristallo]] di GaAs<ref>{{Cita pubblicazione| nome1= J. E. Davey | nome2=T. Pankey | titolo=Epitaxial GaAs films deposited by vacuum evaporation|anno=1968|rivista=J. Appl. Phys.| volume=39|pp=1941–1948}}</ref>, ma il metodo utilizzato era quello di Günther. Un importante miglioramento della tecnologia è stata la possibilità di controllare la cinetica di crescita ''in situ'' mediante [[RHEED]] (una tecnica |
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che sfrutta la riflessione di un fascio di elettroni incidente a piccoli angoli in modo da caratterizzare la superficie) |
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== Descrizione == |
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La MBE viene effettuata in [[Vuoto (fisica)#Gradi di vuoto|alto vuoto]] o in [[ultra alto vuoto]] (10<sup>−6</sup>–10<sup>−10</sup> |
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[[Pascal (unità di misura)|Pa]]). L'aspetto più importante della MBE è la velocità di deposizione (tipicamente meno di 3000 nm |
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all'ora) che permette al film di crescere in maniera [[Epitassia|epitassiale]]. Di conseguenza, per evitare che i gas residui contaminino il film da crescere, il vuoto deve essere mantenuto a livelli elevati, per cui il vuoto elevato è un prerequisito essenziale per avere film non contaminati dai gas residui. |
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La caratteristica principale della MBE è infatti quella di operare in condizioni di alto vuoto nel quale non si hanno urti tra le [[molecola|molecole]] o gli [[atomo|atomi]] degli elementi che incidono sul substrato. La pressione base, quella cioè che si ha quando le sorgenti che compongono il sistema sono non attive, è dell'ordine di 10<sup>−10</sup> [[torr]], che permette di ottenere materiali di alta purezza. L'uso di un ambiente in alto vuoto permette inoltre di monitorare la crescita del materiale in tempo reale tramite la [[diffrazione]] di [[elettrone|elettroni]], cosa non possibile con le tecniche che operano a [[pressione|pressioni]] maggiori. |
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Nelle MBE con sorgenti solide per [[elementi]] come il [[gallio]] e l'[[arsenico]] si usano [[celle di Knudsen]] (elementi riscaldati controllati in temperatura) o cannoni elettronici tali sorgenti permettono di controllare con precisione il processo di [[sublimazione]]. Gli elementi in forma gassosa condensano sul wafer dove possono reagire tra di loro. |
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Questo monitoraggio in tempo reale, unito alla bassa velocità di crescita che si può avere (anche inferiore a 0,1 nm/s), permette di controllare lo spessore dello strato cresciuto con precisione inferiore allo spessore del singolo [[monostrato]] atomico del materiale in crescita. |
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Nell'esempio del gallio e dell'arsenico viene formato un [[Monocristallo| cristallo singolo]] di [[GaAs|arseniuro di gallio]] . |
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Quando vengono evaporati elementi quali l'[[oro]] o il [[rame]], essi arrivando in forma gassosa urtando sulla superficie del substrato possono essere [[adsorbimento|adsorbiti]] (dopo una finestra temporale in cui gli atomi urtanti saltellano sulla superficie) o riflessi. |
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Atomi sulla superficie possono anche essere desorbiti (il contrario dell'adsorbimento). Il controllo della temperatura della sorgente |
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determina la velocità con cui il materiale urta la superficie del substrato e la temperatura del substrato influenza la mobilità durante l'adsorbimento o il fenomeno di desorbimento. A causa del vuoto molto spinto il [[cammino libero medio]] degli atomi è molti ordini grandezza maggiore delle dimensioni della camera da vuoto e di conseguenza non interagiscono tra di loro e quindi si comportano come un fascio (''beam'' in inglese da cui il nome della tecnica). |
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La tecnica di diffrazione di elettroni ad alta energia (RHEED) è spesso usata per controllare la crescita degli strati cristallini. |
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Di solito degli otturatori di fronte ad ogni sorgente, controllati da un opportuno software, permettono di controllare precisamente lo spessore di ogni singolo strato a livello atomico. Strutture di materiali differenti anche molto complesse possono essere fabbricate con questa tecnica. Tale controllo sulla crescita permette di sviluppare strutture in cui gli elettroni sono confinati nello spazio ad esempio necessari per i ''[[pozzo quantico| quantum wells]]'' o i ''[[punto quantico| quantum dots]]''. Un controllo degli strati così preciso è necessario per la fabbricazione di molti dispositivi a semiconduttore come i [[laser a cascata quantica]]. |
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Da un punto di vista termodinamico, la crescita del film sottile sul substrato viene regolata dal bilancio energetico tra energia superficiale e [[tensione superficiale]], se ad esempio considero una goccia di liquido su un substrato solido in equilibrio con il suo vapore allora per descrivere la crescita devo considerare anche l'[[angolo di contatto]]. |
Da un punto di vista termodinamico, la crescita del film sottile sul substrato viene regolata dal bilancio energetico tra energia superficiale e [[tensione superficiale]], se ad esempio considero una goccia di liquido su un substrato solido in equilibrio con il suo vapore allora per descrivere la crescita devo considerare anche l'[[angolo di contatto]]. |
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Vi sono sistemi in cui i substrati sono raffreddati alla temperatura dell'[[azoto liquido]] circa -196 °C (77 K). In questo caso, poiché la superfici fredde sono delle trappole per i gas residui nel sistema da vuoto, in genere è necessario avere livelli di vuoto di molti ordini di grandezza maggiori rispetto a sistemi a temperatura ambiente. Vi sono anche sistemi in cui i substrati sono scaldati a varie centinaia di gradi centigradi, in questo il supporto deve garantire il necessario isolamento termico. |
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La MBE è usata anche per la deposizione di [[semiconduttori organici]]. In questo caso, molecole, invece che atomi, sono evaporate e depositate sul substrato. Esistono MBE con celle ermetiche gassose, in questo caso la tecnica rassomiglia alla [[Deposizione chimica da vapore]]. |
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Sistemi MBE sono modificati in base alle sorgenti. Anche l'ossigeno è utilizzato per depositare ossidi per applicazioni speciali |
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in elettronica, magnetismo e ottica come anche nella ricerca di base. |
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==Nanostrutture quantistiche== |
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Una dei traguardi più importanti ottenuti mediante la epitassia a fasci molecolari sono le nanostrutture che permettono la fomazione di superfici piatte a livello atomico e con una netta interfaccia tra materiali diversi. Tali strutture hanno avuto una grande importanza nella comprensione della fisica e dell'elettronica<ref>{{Cita libro | doi=10.1109/MBE.2002.1037732| capitolo=Prospects of advanced quantum nano-structures and roles of molecular beam epitaxy| titolo=International Conference on Molecular Bean Epitaxy| pagina=5| anno=2002| autore=H. Sakaki| isbn=978-0-7803-7581-9| s2cid=29612904}}</ref>. Più recentemente la fabbricazione di [[nanofili]] e strutture quantistiche integrate su chip ha permesso la comunicazione quantistica<ref>{{Cita pubblicazione|nome1=Maria de la Mata|nome2=Xiang Zhou|nome3=Florian Furtmayr|nome4=Jörg Teubert|nome5=Silvija Gradečak|nome6=Martin Eickhoff|nome7=Anna Fontcuberta i Morral|nome8=Jordi Arbiol|anno=2013|titolo=A review of MBE grown 0D, 1D and 2D quantum structures in a nanowire|url=http://geb.uni-giessen.de/geb/volltexte/2020/15140/|rivistal=Journal of Materials Chemistry C|volume=1|p=4300|bibcode=2013JMCC....1.4300D|doi=10.1039/C3TC30556B}}</ref>. [[Laser]] a nanofilo integrati monoliticamente su Silicio |
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sono fabbricati mediante MBE<ref>{{Cita pubblicazione | doi=10.1021/acs.nanolett.5b03404| pmid=26618638|titolo = Monolithically Integrated High-β Nanowire Lasers on Silicon| rivista=Nano Letters| volume=16| pp=152–156|anno = 2016|nome1 =B. Mayer|nome2=et al.| bibcode=2016NanoL..16..152M}}</ref> e tali strutture permettono di manipolare segnali a livello dei picosecondi<ref>Mayer, B., et al. [https://www.nature.com/articles/ncomms15521 "Long-term mutual phase locking of picosecond pulse pairs generated by a semiconductor nanowire laser"]. Nature Communications 8 (2017): 15521</ref>. |
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==Instabilità di Asaro–Tiller–Grinfeld== |
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La instabilità di Asaro–Tiller–Grinfeld è una instabilità elastica che si trova spesso durante la epitassia a fasci molecolari. Se vi è |
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una mancata corrispondenza tra il reticolo del film da crescere e il materiale del substrato, della energia elastica viene accumulato |
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su film cresciuto. Ad una altezza critica, l'energia libera del film può diminuire se il film si spezza in isole, dove la tensione viene rilassata lateralmente. La altezza critica dipende dal [[modulo di elasticità|modulo di Young]], la differenza tra i reticoli cristallini e la tensione superficiale. |
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Sono studiate alcune applicazione di questa instabilità, come ''[[punto quantico| quantum dots]]'' auto-assemblati. |
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== Note == |
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==Voci correlate== |
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* [[pozzo quantico]] |
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* [[punto quantico]] |
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La MBE viene usata in grande prevalenza nell'ambito dei [[semiconduttore|semiconduttori]], ma viene anche applicata per la crescita di [[metallo|metalli]] e [[Ossido|ossidi]] [[Conduttore elettrico|conduttori]]. |
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Versione delle 12:43, 6 giu 2021
L'epitassia da fasci molecolari (MBE, dall'inglese Molecular Beam Epitaxy) è una tecnica epitassiale che permette la crescita di sottili strati di materiali cristallini. MBE è largamente utilizzata nella fabbricazione di dispositivi a semiconduttore, tra cui i transistor, ed è considerata uno strumento fondamentale nello sviluppo delle nanotecnologie[1]. MBE è utilizzata per fabbricare diodi e MOSFET che funzionano alle frequenze delle microonde, e nella fabbricazione dei laser usati per la lettura di dischi ottici (come CD e DVD[2]).
Cenni storici
L'idea originale del processo MBE è del 1958 ad opera di Günther [3], in questo caso i film depositati non erano epitassiali, ma cresciuti su un supporto di vetro. I primi veri film epitassiali vengono ottenuti dieci anni dopo con lo sviluppo delle tecnologie del vuoto film si GaAs cresciuti su un monocristallo di GaAs[4], ma il metodo utilizzato era quello di Günther. Un importante miglioramento della tecnologia è stata la possibilità di controllare la cinetica di crescita in situ mediante RHEED (una tecnica che sfrutta la riflessione di un fascio di elettroni incidente a piccoli angoli in modo da caratterizzare la superficie) [5][6].
Descrizione
La MBE viene effettuata in alto vuoto o in ultra alto vuoto (10−6–10−10 Pa). L'aspetto più importante della MBE è la velocità di deposizione (tipicamente meno di 3000 nm all'ora) che permette al film di crescere in maniera epitassiale. Di conseguenza, per evitare che i gas residui contaminino il film da crescere, il vuoto deve essere mantenuto a livelli elevati, per cui il vuoto elevato è un prerequisito essenziale per avere film non contaminati dai gas residui.
Gli elementi e i composti da usare per la crescita del cristallo sono contenuti all'interno di camere ermetiche che si affacciano al reattore attraverso otturatori. Dalla densità del flusso dipende la composizione del cristallo risultante.
Nelle MBE con sorgenti solide per elementi come il gallio e l'arsenico si usano celle di Knudsen (elementi riscaldati controllati in temperatura) o cannoni elettronici tali sorgenti permettono di controllare con precisione il processo di sublimazione. Gli elementi in forma gassosa condensano sul wafer dove possono reagire tra di loro. Nell'esempio del gallio e dell'arsenico viene formato un cristallo singolo di arseniuro di gallio . Quando vengono evaporati elementi quali l'oro o il rame, essi arrivando in forma gassosa urtando sulla superficie del substrato possono essere adsorbiti (dopo una finestra temporale in cui gli atomi urtanti saltellano sulla superficie) o riflessi. Atomi sulla superficie possono anche essere desorbiti (il contrario dell'adsorbimento). Il controllo della temperatura della sorgente determina la velocità con cui il materiale urta la superficie del substrato e la temperatura del substrato influenza la mobilità durante l'adsorbimento o il fenomeno di desorbimento. A causa del vuoto molto spinto il cammino libero medio degli atomi è molti ordini grandezza maggiore delle dimensioni della camera da vuoto e di conseguenza non interagiscono tra di loro e quindi si comportano come un fascio (beam in inglese da cui il nome della tecnica).
La tecnica di diffrazione di elettroni ad alta energia (RHEED) è spesso usata per controllare la crescita degli strati cristallini. Di solito degli otturatori di fronte ad ogni sorgente, controllati da un opportuno software, permettono di controllare precisamente lo spessore di ogni singolo strato a livello atomico. Strutture di materiali differenti anche molto complesse possono essere fabbricate con questa tecnica. Tale controllo sulla crescita permette di sviluppare strutture in cui gli elettroni sono confinati nello spazio ad esempio necessari per i quantum wells o i quantum dots. Un controllo degli strati così preciso è necessario per la fabbricazione di molti dispositivi a semiconduttore come i laser a cascata quantica.
Una importante caratteristica della tecnica è che opera in condizioni di non-equilibrio termodinamico, cosa che permette la crescita di leghe di materiali non miscibili in fase liquida o gassosa, allargando quindi le possibilità di costruire materiali artificiali. Da un punto di vista termodinamico, la crescita del film sottile sul substrato viene regolata dal bilancio energetico tra energia superficiale e tensione superficiale, se ad esempio considero una goccia di liquido su un substrato solido in equilibrio con il suo vapore allora per descrivere la crescita devo considerare anche l'angolo di contatto.
Vi sono sistemi in cui i substrati sono raffreddati alla temperatura dell'azoto liquido circa -196 °C (77 K). In questo caso, poiché la superfici fredde sono delle trappole per i gas residui nel sistema da vuoto, in genere è necessario avere livelli di vuoto di molti ordini di grandezza maggiori rispetto a sistemi a temperatura ambiente. Vi sono anche sistemi in cui i substrati sono scaldati a varie centinaia di gradi centigradi, in questo il supporto deve garantire il necessario isolamento termico.
La MBE è usata anche per la deposizione di semiconduttori organici. In questo caso, molecole, invece che atomi, sono evaporate e depositate sul substrato. Esistono MBE con celle ermetiche gassose, in questo caso la tecnica rassomiglia alla Deposizione chimica da vapore.
Sistemi MBE sono modificati in base alle sorgenti. Anche l'ossigeno è utilizzato per depositare ossidi per applicazioni speciali in elettronica, magnetismo e ottica come anche nella ricerca di base.
Nanostrutture quantistiche
Una dei traguardi più importanti ottenuti mediante la epitassia a fasci molecolari sono le nanostrutture che permettono la fomazione di superfici piatte a livello atomico e con una netta interfaccia tra materiali diversi. Tali strutture hanno avuto una grande importanza nella comprensione della fisica e dell'elettronica[7]. Più recentemente la fabbricazione di nanofili e strutture quantistiche integrate su chip ha permesso la comunicazione quantistica[8]. Laser a nanofilo integrati monoliticamente su Silicio sono fabbricati mediante MBE[9] e tali strutture permettono di manipolare segnali a livello dei picosecondi[10].
Instabilità di Asaro–Tiller–Grinfeld
La instabilità di Asaro–Tiller–Grinfeld è una instabilità elastica che si trova spesso durante la epitassia a fasci molecolari. Se vi è una mancata corrispondenza tra il reticolo del film da crescere e il materiale del substrato, della energia elastica viene accumulato su film cresciuto. Ad una altezza critica, l'energia libera del film può diminuire se il film si spezza in isole, dove la tensione viene rilassata lateralmente. La altezza critica dipende dal modulo di Young, la differenza tra i reticoli cristallini e la tensione superficiale.
Sono studiate alcune applicazione di questa instabilità, come quantum dots auto-assemblati.
Note
- ^ W.P. McCray, MBE Deserves a Place in the History Books, in Nature Nanotechnology, vol. 2, 2007, pp. 259–261, Bibcode:2007NatNa...2..259M, DOI:10.1038/nnano.2007.121, PMID 18654274.
- ^ Alfred Y. Cho, su invent.org.
- ^ K. G. Günther, Aufdampfschidhten aus halbleitenden III-V-Verbindungen, 1958, pp. 1081–1089, DOI:10.1515/zna-1958-1210, ISSN 1865-7109.
- ^ J. E. Davey e T. Pankey, Epitaxial GaAs films deposited by vacuum evaporation, in J. Appl. Phys., vol. 39, 1968, pp. 1941–1948.
- ^ A. Y. Cho, J. R. Arthur e Jr, Molecular beam epitaxy, in Prog. Solid State Chem., vol. 10, 1975, pp. 157–192, DOI:10.1016/0079-6786(75)90005-9.
- ^ Gwo-Ching Wang e Toh-Ming Lu, RHEED Transmission Mode and Pole Figures, 2013, DOI:10.1007/978-1-4614-9287-0, ISBN 978-1-4614-9286-3.
- ^ H. Sakaki, Prospects of advanced quantum nano-structures and roles of molecular beam epitaxy, in International Conference on Molecular Bean Epitaxy, 2002, p. 5, DOI:10.1109/MBE.2002.1037732, ISBN 978-0-7803-7581-9.
- ^ Maria de la Mata, Xiang Zhou, Florian Furtmayr, Jörg Teubert, Silvija Gradečak, Martin Eickhoff, Anna Fontcuberta i Morral e Jordi Arbiol, A review of MBE grown 0D, 1D and 2D quantum structures in a nanowire, vol. 1, 2013, p. 4300, Bibcode:2013JMCC....1.4300D, DOI:10.1039/C3TC30556B.
- ^ B. Mayer e et al., Monolithically Integrated High-β Nanowire Lasers on Silicon, in Nano Letters, vol. 16, 2016, pp. 152–156, Bibcode:2016NanoL..16..152M, DOI:10.1021/acs.nanolett.5b03404, PMID 26618638.
- ^ Mayer, B., et al. "Long-term mutual phase locking of picosecond pulse pairs generated by a semiconductor nanowire laser". Nature Communications 8 (2017): 15521
Voci correlate
