В Институте исследований металлов им. Макса Планка был найден способ выращивания наноструктур из кремния при температуре всего в 150 ˚C.

Традиционный механизм создания полупроводниковых нанопроводов имеет говорящее название «пар — жидкость — кристалл». Действительно, вещество, из которого будет состоять провод, изначально находится в газообразном виде, а размещённые на подложке частицы металлического катализатора расплавляются. Капли металла адсорбируют атомы кремния или германия до пересыщения, после чего начинается рост полупроводниковой структуры. Обычно место катализатора занимает золото, а процесс разворачивается при температуре в 600–900 ˚C, что заметно увеличивает стоимость производства.

Намереваясь упростить процедуру, авторы при комнатной температуре путём термического испарения в вакууме сформировали заготовку из кристаллического алюминия и аморфного кремния. Кристаллические зёрна в слое алюминия, размер которых доходит до 50 нм, находятся в тесном контакте друг с другом, а их границы образуют разветвлённую сеть.

Рис. 1. Проникновение кремния (красного) в слой алюминия (иллюстрация Max Planck Institute for Metals Research).

Рассматривая заготовку в микроскоп, учёные убедились в том, что атомы кремния начинают проникать в слой алюминия уже при 120 ˚C. В таких условиях алюминий, естественно, не расплавляется: кремний просто собирается на границах кристаллов. Со временем, однако, число перебравшихся в соседний слой атомов полупроводника растёт, и они формируют сеть кристаллических нанопроводов минимальным диаметром в 15 нм. На завершающей стадии процесса ненужный алюминий удаляется путём химического травления.

В результате исследователям удалось избавиться от дорогого катализатора и снизить температуру до значений, попадающих в диапазон, доступный для пластиковых подложек. Заметим, что характеристики получаемых нанопроводов можно изменять, варьируя размеры зёрен алюминия.

Рис. 2. Слева показана сеть кремниевых наноструктур, образующаяся при 170 ˚C. Справа — результат удаления алюминия. (Иллюстрация Max Planck Institute for Metals Research).

Полная версия отчёта опубликована в статье:

Zumin Wang1, Lin Gu, Fritz Phillipp, Jiang Y. Wang, Lars P. H. Jeurgens, Eric J. Mittemeijer Metal-Catalyzed Growth of Semiconductor Nanostructures Without Solubility and Diffusivity Constraints. – Advanced Materials. – Volume 23, Issue 7, pages 854–859, February 15, 2011; first published online: 27 DEC 2010; DOI: 10.1002/adma.201002997.