укр
eng
При безпосереднiй участi Л.I. Даценка була започаткована чiтка система послiдовної пiдготовки спецiалiстiв через аспiрантуру. Активiзувалась науково-дослiдна робота i визначився науковий напрямок вiддiлу: “Дифракцiя рентгенiвських променiв в реальних напiвпровiдникових кристалах".
За цей перiод були отриманi фундаментальнi результати в дослiдженнi структури напiвпровiдникiв, розсiяння рентгенiвських променiв реальними кристалами. Першi приклади топограм кристалiв Ge, SiC з дислокацiями, тонкоплiвкових гетероепiтаксiйних систем з так званою фрагментарною структурою, одержанi в нашiй лабораторiї М.Я. Скороходом. Найцiкавiшi топографiчнi данi по дефектних структурах, що виникають в процесi росту кристалiв, а також при пластичнiй їх деформацiї узагальненi в його кандидатськiй дисертацiї.
Для опису ж дифракцiйних явищ в так званих «майже довершених» кристалах, що мiстять деяку кiлькiсть структурних дефектiв, використовується динамiчна теорiя розсiяння. Найбiльш зручний для порiвняння з експериментом варiант такої теорiї для випадку, однорiдно розподiлених дефектiв розвинений В.Б. Молодкiним. В цiй теорiї данi, зокрема, аналiтичнi залежностi величин iнтегральних i диференцiальних iнтенсивностей вiд полiв деформацiй, що створюються дефектами, а також вперше передбачений ефект модуляцiї тривимiрною перiодичнiстю кристалiчного середовища.
Л.I. Даценком та А.М. Гуреєвим для цiєї мети був розвинений неруйнуючий метод аналiзу товщинних залежностей стрибкiв (вiдношення) iнтегральних iнтенсивностей для довжин хвиль гальмiвного спектру РП поблизу К-краю поглинання речовини.
Плiднi експериментальнi методи, що полягають у вивченнi закономiрностей варiювання величини дифузної складової повної iнтенсивностей дифракцiйного максимуму реального кристала, як у разi Лауе-, так i бреггiвської дифракцiї РП, а також при використаннi явища так званого рентгеноакустичного резонансу (РАР) були запропонованi В.I. Хрупою i В.Ф. Мачулiним.
В.I. Хрупою, наприклад, було встановлено, що вiдносний внесок дифузної iнтенсивностi в повну вiдбивну здатнiсть кристала з дефектами збiльшується в широкому дiапазонi поглинання РП iз зростанням порядку дифракцiї таким чином, що при деякому рiвнi спотворень структури вiдбувається поступовий перехiд закономiрностей динамiчного розсiяння до кiнематичного режиму дифракцiї. Ним же було показано, що в умовах РАР вплив дефектiв на iнтенсивнiсть динамiчного максимуму посилюється, супроводжуючись придушенням когерентної складової розсiяння, iз-за чого провал величини вiдношення iнтенсивностi дифрагованого пучка рiзко зменшується в кристалi з дефектами структури.
До iнших важливих результатiв дисертацiї В.I. Хрупи слiд вiднести встановлення факту рiзного впливу локалiзованих i розподiлених деформацiйних полiв на характер просторової структури дифрагованого пучка в умовах РАР, як в геометрiї Лауе, так i Брега.
Продовжуючи вивчення рентгеноакустичних взаємодiй в реальних кристалах напiвпровiдникiв, В.Ф. Мачулiн в своїй докторськiй дисертацiї виявив важливий для дiагностики структурного стану кристала ефект неадитивного впливу на вiдбивну здатнiсть середовища локалiзованих (статичних) i акустичних (динамiчних) деформацiй. Механiзм цього ефекту полягає в нелiнiйнiй взаємодiї рентгенiвських когерентних i некогерентних (дифузних) хвилевих полiв в процесах їх багатократного перерозсiяння на флуктуацiйних хвилях концентрацiї дефектiв. Ним вперше було встановлено, що в умовах реалiзацiї РАР можна дискримiнувати внесок когерентної i дифузної складових iнтенсивностi дифракцiйного максимуму, що створює сприятливi умови для визначення структурних характеристик кристалiв. При динамiчних спотвореннях структури виявлений i дифракцiйний ефект втрати чутливостi iнтенсивностi дифракцiйного максимуму в реальному кристалi до ультразвукових деформацiй, який має мiсце i при комбiнованих статичних деформацiйних полях. В.Ф. Мачулiним вперше також обгрунтована можливiсть визначення iнтегральних характеристик структурної досконалостi слабо спотвореного (бездислокацiйного) кристала, який мiстить комбiнованi спотворення структури (наприклад, деформацiйнi поля вiд кластерiв SiOx в кремнiй i макроскопiчно розподiленi пружнi деформацiї). Експериментальний пiдхiд, що полягає в комплексному застосуваннi аналiзу товщинних залежностей iнтенсивностей i даних ультразвукових експериментiв, дозволив не тiльки встановити природу дефектiв в цьому найбiльш складному випадку розсiяння РП, але i визначити величину статичного фактора Дебая-Валлєра, а також рiвень пружних деформацiй.
I.В. Прокопенком та Є.М. Кисловським було вирiшено ряд важливих питань фiзики розсiяння РП реальним кристалом в найбiльш складному випадку комплексної дефектної структури, що складається одночасно з локалiзованих i розподiлених деформацiй. Для вирiшення цього завдання вони перш за все пiдтвердили експериментально (на кiлькiсному рiвнi) основнi висновки узагальненої теорiї розсiяння РП пружно зiгнутим кристалом при бреггiвськiй дифракцiї. Далi ними була показана можливiсть роздiлення внескiв в розсiяння дислокацiй i пружних деформацiй вiд ансамблiв цих дефектiв при використаннi iнтенсивностей так званих фрiделiвських пар вiдбиттiв при ефектi Бормана в окремому випадку адитивної моделi спотворень перiодичного середовища.
Добре вiдомо, що в бiнарних кристалах, грати яких складаються з атомiв сорту А i В, iстотний вплив на механiчнi, оптичнi, електричнi та iншi властивостi цих матерiалiв роблять не тiльки дефектна структура, але i композицiйний склад. Завдання одночасного визначення не тiльки структурних характеристик, але i параметра, який характеризує ступiнь вiдхилення реального складу вiд стехiометричної композицiї, була вперше вирiшена в докторськiй дисертацiї В.П. Кладька. Для цiєї мети вiн застосував друге наближення теорiї Борна в описi величини iнтенсивностi так званих надструктурних (квазiзаборонених) вiдбиттiв (КЗВ), яка пропорцiйна рiзницi структурних або атомних формфакторiв бiнарного кристала. Такий пiдхiд, на вiдмiну вiд робiт ряду японських авторiв, адекватнiше описує структурну ситуацiю в бiнарному кристалi, не нехтуючи впливом дефектiв структури на розсiяння РП. Крiм того, ним був розглянутий бiльш загальний випадок динамiчного розсiяння, коли не можна нехтувати уявною частиною коефiцiєнта Фур'є поляризованостi в порiвняннi з його дiйсною частиною. Це дало можливiсть коректно описати ситуацiю у областi довжин хвиль гальмiвного спектру, де iстотну роль грають явища аномальної дисперсiї в реальних бiнарних кристалах GaAs, GaP.
До iнших фундаментальних результатiв дисертацiї В.П. Кладька слiд вiднести встановлення факту дифракцiйного розсiяння РП в областi довжин хвиль, де дiйсна частина структурного фактора рiвна. При цьому iнтенсивнiсть дифракцiї визначається тiльки внеском уявної частини коефiцiєнтiв Фур'є-поляризованостi. Ще один важливий для додаткiв висновок, що випливає з цих дослiджень, полягає в тому, що вiдношення iнтенсивностей для нецентросиметричних площин (закон Фрiделя) у областi аномальної дисперсiї залежить в реальному кристалi вiд структурної досконалостi кристалiв.
Для контролю параметра нестехiометрiї В.П. Кладьком були використанi два незалежнi експериментальнi пiдходи. Перший з них полягає в побудовi товщинних залежностей IВЗ в наближеннi тонкого кристала, коли спостерiгаються так званi маятниковi коливання iнтенсивностi. Для цiєї мети була обгрунтована доцiльнiсть використання тiльки дiапазону довжин хвиль гальмiвного спектру РП в довгохвильовiй областi К-краю поглинання легшого атома (Ga в GaAs). Вiдстанi мiж максимумами маятникових коливань залежать вiд екстинкцiйної вiдстанi, яка дає можливiсть розрахувати шуканий параметр. Iнший експериментальний пiдхiд полягав в аналiзi енергетичних (вiд довжини хвилi випромiнювання) залежностей вiдбивних здатностей для довжин хвиль, розташованих помiж К-країв поглинання галiю i миш'яку.
Поширюючи далi область дослiджень КЗР на об'єкти наноструктурних розмiрiв (надгратки (НГ), квантовi точки i дроти, ланцюги квантових точок, лазернi багатошаровi структури) В.П. Кладьком i Л.I. Даценком iз спiвавторами був встановлений ряд цiкавих закономiрностей: можливiсть сепарацiї внеску в розсiюючу здатнiсть таких структур кожного з шарiв окремо, високу чутливiсть КЗР до складу субшарiв, що мiстять твердi розчини, а також вибiркову чутливiсть сателiтiв НГ до дефектної структури того або iншого шару.
Область аномальної дисперсiї РП виявилася вельми перспективною також для якiсного i кiлькiсного аналiзу структурної однорiдностi бiнарних кристалiв (наявнiсть макровидiлень фаз компонент). Так аналiз особливостей динамiчного розсiяння РП при Лауе-дифракцiї для структурних вiдбиттів в тонких бiнарних кристалах, проведений В.П. Кладьком i Л.I. Даценком, показав, що величина стрибка iнтенсивностей, на вiдмiну вiд згаданого вище наближення товстого кристала в областях довжин хвиль поблизу К-країв поглинання компонент, не залежить вiд структурної досконалостi зразка.
Професором В.П. Кладьком i О.М. Єфановим з перших принципів створено теоретичну модель динамічної N-хвильової дифракції в багатошарових структурах адекватну для шарів довільної товщини; зокрема, враховано ефекти відбиття та дифракції при малих кутах падіння і виходу, а також при кутах 45 та 900. Знайдено точний напрямок дифрагованого в кристалі променя. Показано, що запропоновані рішення найчіткіше проявляються при аналізі експериментальних кривих гойдання далеко від бреггівського положення, а також дають можливість точного аналізу структур, які складаються з матеріалів, що значно відрізняються параметрами гратки та при використанні сильно асиметричної геометрії дифракції. Проаналізовано дисперсійну поверхню (як дійсну, так і уявну її частини) для геометрій Брегга та Лауе для 2-х, 3-х та N-хвильових випадків. Встановлено, що дисперсійна поверхня для поглинаючих кристалів в геометрії Брегга кардинально відрізняється від випадку Лауе. Показано, що лише у випадку дійсного дисперсійного рівняння можна говорити про діаметр дисперсійної поверхні у випадку Брегга – тоді зникає як поглинання, так і асиметрія дисперсійної поверхні і з'являється область повного відбиття. Вперше на основі розробленої теоретичної моделі дифракції запропоновано методику контролю структури і деформації частково релаксованих шарів, яка полягає у вимірюваннях азимутальних залежностей кривих дифракційного відбиття; з’ясовано роль форми градієнта розподілу компонентів на межах поділу в багатошарових InGaAs/GaAs структурах на форму кривих дифракційного відбиття у випадку дифракції Брегга. Зокрема, було встановлено, що найбільш адекватно криві відбиття описуються при введенні гіперболічного закону зміни градієнта складу на границі шарів.
В результаті дослідження впливу вмісту азоту в
розпилювальній плазмі на формування тонких плівок W-Ti-N та Ta-Si-N, В.П. Кладьком i А.В. Кучуком отримані та узагальнені наступні наукові результати: вперше
виділені три особливі зони розпилення плівок W-Ti-N, в яких спостерігаються три
відмінні механізми їх формування: 1) МР – металічний режим, 2) ПР – перехідний
режим, 3) НР – нітридний режим. З’ясовано, що в МР, плівки формуються переважно
атомами металів W та Ti, для ПР, переважними є нітридні молекули W-N та Ti-N, а
в НР, синтез плівок відбувається завдяки реакціям Ме + N = МеN (Ме: W, Ti) на
зростаючій поверхні; вперше експериментально встановлено еволюцію фазового
складу плівок W-Ti-N, із збільшенням в них концентрації азоту (полікристал
(металічна) - квазіаморфна - полікристал (нітридна), відповідно до режимів металічний - перехідний - нітридний), на підставі чого пояснюється збільшення атомної густини та
питомого опору плівок; виявлено,
що вбудовування атомів азоту в плівках Ta-Si-N, приводить до
структурно-фазового переходу нанокристалічна - аморфна плівка, який пояснюється „пасивацією”
нанозерен Ta1-xSix атомами азоту, а також до переходу металоподібна плівка → ізолятор, що приводить до
збільшення питомого опору плівок; запропоновано
модель формування структури плівок Ta-Si-N, яка полягає на вбудовуванні в
нітрид кремнієву аморфну матрицю суміші нітриду танталу, на основі якої
пояснюється аморфна структура, збільшення питомого опору, атомної густини та
термостабільності плівок;• з’ясовано
роль атомів кремнію в модифікації властивостей плівок нітридів тугоплавких
металів, яка полягає в утворенні аморфної матриці завдяки міцного зв’язку Si-N,
на підставі якої пояснюється більша ефективність ДБ Ta-Si-N, по відношенню до
W-Ti-N.
Останнім часом у відділі було проведено комплексні Х-променеві дослідження (склад і товщина шарів, деформаційний стан, густина дислокацій тощо) систем ІІІ-нітридів. зокрема, Al(In)GaN. На основі отриманих результатів В.П. Кладьком, А.В. Кучуком, Н.В. Сафрюк, Г.В. Станчу i С.Б. Кривим встановлені механізми релаксації деформацій в III-нітридних наноструктурах, а також досліджено структурні особливості багатошарових систем в залежності від типу та геометрії підкладки. Застосований комплексний експериментальний та теоретичний підхід до вивчення процесів релаксації деформацій в ІІІ-нітридних системах дозволив одержати такі нові наукові результати:
- для HEMT на основі AlxGa1-xN/GaN/Al2O3(0001) встановити новий механізм релаксації пружних деформацій, який полягає в різних кутових розворотах одиничних гексагональних комірок нітриду галію навколо с-осі сапфіру при варіації його товщини;
- встановити вплив типу «темплейта» на структурні властивості НГ GaN/AlN. Показати, що НГ, вирощені на AlN/Al2O3-темплейті релаксують в основному за рахунок формування дислокацій невідповідності, в той час як НГ, вирощені на GaN/Al2O3-темплейті релаксують за рахунок утворення тріщин. Вперше це пояснюється різним впливом остаточних деформацій в системі GaN-буфер/темплейт на рівень деформації в шарах НГ при їх осадженні;
- встановити механізм зменшення густини гвинтових та крайових дислокацій в епітаксійних плівках GaN, який пояснюється реакціями анігіляції дислокацій при збільшенні товщини AlN буферного шару. При цьому відбувається також покращення структурної якості GaN плівок.
- на основі кінематичної теорії дифракції Х-променів розроблена теоретична модель для аналізу впливу мікро- та макродеформацій в нанодротах (НД) GaN на розширення симетричних (0002) 2θ/ω ХДП. Теоретично і експериментально встановлено, що деформація від інтерфейсу НД/підкладка зменшується експоненційно вздовж осі росту. Показано, що форма (0002) 2θ/ω ХДП визначається початковою деформацією на інтерфейсі НД/підкладка та глибиною релаксації деформації.
- вперше показати, що розміри (довжина і діаметр) НД дають значний внесок в ширину дифракційної кривої на її «хвостах», в той час як внесок від нахилів і деформацій в НД домінує на дифракційній кривій при кутах, близьких до точного положення Брегга. Встановлено, що макродеформація приводить до кутового зсуву ХДП, в той час як мікро-деформації є причиною симетричного та асиметричного розширення ХДП.
- встановити і вперше дати пояснення впливу Si-N прошарку на азимутальну орієнтацію НД GaN відносно Si підкладки, яке полягає в наявності орієнтованих граней Si-N, які є рушійною силою для орієнтації в площині та анізотропії щільності НД на підкладці.
- вперше побудувати модель для ефективного розрахунку товщинних профілів деформації та компонентного складу в когерентних та частково релаксованих градієнтних AlxGa1-xN шарах та НД з експериментальних рентгенівських даних.
Всi перелiченi вище результати стали фiзичною базою нових неруйнуючих способiв контролю ряду параметрiв, що описують структурну досконалiсть реального кристала.
Завершуючи перелiк найважливiших результатiв по фiзицi розсiяння випромiнювань реальними кристалами, що мiстять структурнi дефекти рiзної природи, а також порушення композицiї в бiнарних сполуках, вiдзначимо, що вони узагальненi в 11 монографiях спiвробiтникiв вiддiлу. Розробки нових неруйнуючих методiв дiагностики кристалiчного стану захищенi 25 авторськими свiдоцтвами та 11 патентами України. П'ятеро спiвробiтників вiддiлу стали Лауреатами Державних премiй України в галузі науки i технiки (1983 р. - Даценко Л.І., 1994 р. - Даценко Л.І., Мачулін В.Ф., Хрупа В.І., 1995 р. - Прокопенко І.В., 2003 р. - Мачулін В.Ф., 2007 р. - Кладько В.П.) та два співробітники Лауреатами Премії Президента України для молодих вчених (2013 р. - Кучук А.В. та Сафрюк Н.В.).В різний час відділом керували: доктори фіз.-мат. наук Хрупа В.І., Мачулін В.Ф. З 2004 р. вiддiлом керує член-кореспондент НАН України, доктор фiз.-мат. наук, професор Кладько В.П.
У вiддiлi пiд керiвництвом доктора фiз.-мат. наук, професора В.П. Кладька захищенi 11 дисертацiй кандидата фiз.-мат.наук, з них у 2006 р. аспiрантами А.В. Кучуком та О.М. Єфановим, у 2007 р. - м.н.с. Корчовим А.А., у 2009 р. - наук. співроб. М.В. Слободяном, у 2012 р. - аспіранткою Сафрюк Н.В. та н.с. Гудименком О.Й., 2016 р. - аспірантом Станчу Г.В. 2017 р. - аспірантом Кривим С.Б., а у 2019 р. аспірантом Любченком О.І., н.с. Максименко З.В. та м.н.с. Поліщук Ю.О.
На початок сторiнки
