Температурно-зумовлена фазова еволюція та динаміка деформвції ґратки під час спільної дифузії Ga–Sb у монокристалічному кремнії
Анотація
У цьому дослідженні розглядається вплив температури відпалу на мікроструктуру та динаміку ґратки монокристалічного кремнію, що кодифузувався з галієм та сурмою. Зразки відпалювали в діапазоні 1000–1250°C протягом фіксованої тривалості 10 годин та аналізували за допомогою SEM-візуалізації, EDS-елементного картування та раманівської спектроскопії. Зі зростанням температури зразки демонструють чотири послідовні мікроструктурні стани: (I) розріджене кластеризування, багате на Ga, при 1000°C, (II) утворення великих крапель GaSb (25–60 мкм) при 1100°C, (III) подрібнення на менші, ограновані осади (~5 мкм) при 1200°C та (IV) суттєве повторне розчинення вторинної фази, залишаючи лише залишкові домени розміром ~1,5 мкм, при 1250°C. Раманівські вимірювання оптичних фононів Si відстежують цю послідовність: невеликий зсув на розтяг (~518–519 см⁻¹) при 1000°C, повернення до недеформованого положення (~520 см⁻¹) при 1100°C, коли краплі GaSb компенсують більшу частину невідповідності кристалічної решітки, та збільшення зсувів на стиск (524–525 см⁻¹, що відповідає ~0,6% деформації) при 1200–1250°C, коли фаза GaSb повторно розчиняється в матриці. Аналіз фононного утримання ширини лінії Рамана додатково вказує на довжини кристалічної когерентності 3–5 нм у межах мікрометрових преципітатів. У сукупності ці результати вказують на те, що температура відпалу визначає відтворювану послідовність кластеризації, сегрегації крапель, подрібнення преципітатів та повторної гомогенізації в системі Ga–Sb–Si, і що цю послідовність можна кількісно відстежити за допомогою корельованих SEM/EDS та раманівських сигнатур, про які тут повідомляється.
Завантаження
Посилання
S.M. Sze, and K.K. Ng, Physics of Semiconductor Devices, 3rd ed., (Wiley, 2007). https://doi.org/10.1002/0470068329
C. Barri, E. Mafakheri, L. Fagiani, G. Tavani, A. Barzaghi, D. Chrastina, A. Fedorov, et al., “Engineering of the spin on dopant process on silicon on insulator substrate,” Nanotechnology, 32, 025303 (2021). https://doi.org/10.1088/1361-6528/abbdda
P.M. Fahey, P. B. Griffin, and J. D. Plummer, “Point defects and dopant diffusion in silicon,” Rev. Mod. Phys. 61, 289–384 (1989). https://doi.org/10.1103/RevModPhys.61.289
Y. Su, D. Saric, G. Guevara-Carrion, Y. Zhang, M. He, and J. Vrabec, “Fick and Maxwell-Stefan diffusion of the liquid mixture cyclohexane+toluene+ acetone+ methanol and its subsystems”, Chemical Engineering Science, 301, 120662 (2025). https://doi.org/10.1016/j.ces.2024.120662
M. Bonvalet-Rolland, T. Philippe, and J. Ågren, “Kinetic theory of nucleation in multicomponent systems: An application of the thermodynamic extremum principle”, Acta Materialia, 171(1), 1-7 (2019). https://doi.org/10.1016/j.actamat.2019.03.031
Kh.M. Iliev, N.F. Zikrillaev, K.S. Ayupov, B.O. Isakov, B.A. Abdurakhmanov, Z.N. Umarkhodjaeva, and L.I. Isamiddinova, “Effect of GaSb Compound on Silicon Bandgap Energy”, J. Nano- Electron. Phys. 16(1), 01007 (2024). https://doi.org/10.21272/jnep.16(2).02004
G.P. Edmundo, K.R. Tanya, and R.N. Jonathan, “Design and Applications of Water-Soluble Coordination Cages,” Chem. Rev. 120, 13480−13544 (2020). http://dx.doi.org/10.1021/acs.chemrev.0c00672
S. Yi, J.-S. Chen, C.-M. Wang, and W.-S. Liao, “Manipulating Chemical Processes by Pseudosolid Spatial Limitation”, JACS Au, 1(9): 1435–1444 (2021). https://doi.org/10.1021/jacsau.1c00202
E. Guzmán, F. Martínez-Pedrero, C. Calero, A. Maestro, F. Ortega, and R.G. Rubio, “A broad perspective to particle-laden fluid interfaces systems: from chemically homogeneous particles to active colloids”, Advances in Colloid and Interface Science, 302, 102620 (2022). https://doi.org/10.1016/j.cis.2022.102620
N.F. Zikrillayev, S.B. Isamov, B.O. Isakov, T. Wumaier, L.W. Liang, J.X. Zhan, and T. Xiayimulati, “New Technological Solution for the Tailoring of Multilayer Silicon-based Systems with Binary Nanoclusters Involving Elements of Groups III and V,” J. Nano- Electron. Phys. 15, 06024 (2023). https://doi.org/10.21272/jnep.15(6).06024
X.M. Iliyev, S.B. Isamov, B.O. Isakov, U.X. Qurbonova, and S.A. Abduraxmonov, “A surface study of Si doped simultaneously with Ga and Sb,” East European Journal of Physics, (3), 303-307 (2023). https://doi.org/10.26565/2312-4334-2023-3-29
X.M. Iliyev, V.B. Odzhaev, S.B. Isamov, B.O. Isakov, B.K. Ismaylov, K.S. Ayupov, and Sh.I. Hamrokulov, “X-ray diffraction and Raman spectroscopy analyses of GaSb-enriched Si surface formed by applying diffusion doping technique,” East Eur. J. Phys. (3), 363-369 (2023), https://doi.org/10.26565/2312-4334-2023-3-38
Kh.M. Iliev, S.V. Koveshnikov, B.O. Isakov, E.Zh. Kosbergenov, G.A. Kushiev, and Z.B. Khudoynazarov, “The Elemental Composition Investigation of Silicon Doped with Gallium and Antimony Atoms,” Surface Engineering and Applied Electrochemistry, 60(4), 633–639 (2024). https://doi.org/10.3103/S106837552470025X
S.K. Madisetti, V. Tokranov, A. Greene, S. Novak, M. Yakimov, S. Oktyabrsky, S. Bentley, and A.P. Jacob, “GaSb on Si: Structural Defects and Their Effect on Surface Morphology and Electrical Properties,” Mater. Res. Soc. Symp. Proc. 1635, (2014). https://doi.org/10.1557/opl.2014.219
J. Gebauer, M. Lausmann, F. Redmann, R. Krause-Rehberg, H.S. Leipner, E.R. Weber, and Ph. Ebert, “Determination of the Gibbs free energy of formation of Ga vacancies in GaAs by positron annihilation,” Physical Review B, 67, 235207 (2003), https://doi.org/10.1103/PhysRevB.67.235207
Shuo Liu, Chaochao Dun, Jeffrey J. Urban, Mark T. Swihart, “Non-Equilibrium Synthesis Methods to Create Metastable and High-Entropy Nanomaterials,” Advanced Science, 13, e21953 (2026). https://doi.org/10.1002/advs.202521953
A. Orlando, F. Franceschini, C. Muscas, S. Pidkova, M. Bartoli, M. Rovere, and A. Tagliaferro, “A Comprehensive Review on Raman Spectroscopy Applications,” Chemosensors, 9, 262 (2021). https://doi.org/10.3390/chemosensors9090262
X. Cong, X.-L. Liu, M.-L. Lin, and P.-H. Tan, “Application of Raman spectroscopy to probe fundamental properties of two-dimensional materials,” npj 2D Materials and Applications, 13, (2020). https://doi.org/10.1038/s41699-020-0140-4
G. La Penna, C. Mancini, A. Proietti, L. Buccini, D. Passeri, N. Gambacorti, J. Richy, and M. Rossi, “Strained Silicon Technology: Non-Destructive High-Lateral-Resolution Characterization Through Tip-Enhanced Raman Spectroscopy,” Applied Spectroscopy, 78(12) 1245–1255 (2024). https://doi.org/10.1177/00037028241246292
W. O’Leary, M. Grumet, W. Kaiser, T. Bucko, J.L. M. Rupp, and D.A. Egger, “Rapid Characterization of Point Defects in Solid-State Ion Conductors Using Raman Spectroscopy, Machine-Learning Force Fields, and Atomic Raman Tensors,” J. Am. Chem. Soc. 146, 26863−26876 (2024). https://doi.org/10.1021/jacs.4c07812
G. Gouadec, and P. Colomban, “Raman Spectroscopy of Nanomaterials: How Spectra Relate to Disorder, Particle Size and Mechanical Properties,” Progress in Crystal Growth and Characterization of Materials, 53(1), 1-56 (2007). https://doi.org/10.1016/j.pcrysgrow.2007.01.001
P.V. Pham, T.-H. Mai, S.P. Dash, V. Biju, Y.-L. Chueh, D. Jariwala, and V. Tung, “Transfer of 2D Films: From Imperfection to Perfection,” ACS Nano, 18, 14841−14876 (2024). https://doi.org/10.1021/acsnano.4c00590
G. Gyarmati, and J. Erdélyi, “Intermetallic Phase Control in Cast Aluminum Alloys by Utilizing Heterogeneous Nucleation on Oxides,” Metals, 15, 404 (2025). https://doi.org/10.3390/met15040404
S. Barth, M.S. Seifner, and S. Maldonado, “Metastable Group IV Allotropes and Solid Solutions: Nanoparticles and Nanowires,” Chem. Mater. 32, 2703−2741 (2020). https://dx.doi.org/10.1021/acs.chemmater.9b04471
A.P. Arun, N. Sreenivasan, J.H. Patil, R. Kusanur, H.L. Ramachandraiah, and M. Ramakrishna, “Thin Films for Next Generation Technologies: A Comprehensive Review of Fundamentals, Growth, Deposition Strategies, Applications, and Emerging Frontiers,” Processes, 13, 3846 (2025). https://doi.org/10.3390/pr13123846
A. Giunto, A. Fontcuberta i Morral, “Defects in Ge and GeSn and their impact on optoelectronic properties,” Appl. Phys. Rev. 11, 041333 (2024). https://doi.org/10.1063/5.0218623
J. Ponis, S. Hariyani, G. Agbeworvi, S. Chakraborty, V. Balcorta, J. Pérez-Vázquez, B.L. Rogers, et al., “Single Crystals of Vanadium Oxides as a Lens for Understanding Structural and Electronic Phase Transformations, Ion Transport, Chemo-Mechanical Coupling, and Electrothermal Neuronal Emulation,” Chem. Rev. 125, 10657−10764 (2025). https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.5c00413
A. Zaitsev, N. Arutyunyan, and A. Koldaev, “Hot Ductility, Homogeneity of the Composition, Structure, and Properties of High-Strength Microalloyed Steels: A Critical Review,” Metals, 13, 1066 (2023). https://doi.org/10.3390/met13061066
A.A. Ilie, F. Niculescu, G. Iacob, I. Pencea, F. Miculescu, R. Bololoi, D.-V. Drăgut, et al., “Microstructure and Properties of Bi-Sn, Bi-Sn-Sb, and Bi-Sn-Ag Solder Alloys for Electronic Applications,” Metals, 15, 915 (2025). https://doi.org/10.3390/met15080915
W.-J. Moon, S.G. Yu, Y.S. Kim, B.-K. Park, W.-G. Jung, and H.-J. Song, “New strategy to improve the accuracy of quantitative analysis of energy dispersive spectroscopy,” Phys. Scr. 99, 035013, (2024). https://doi.org/10.1088/1402-4896/ad241e
M. Xie, M. Li, L. Li, J. Zhang, K. Jiang, L. Shang, Y. Li, et al., “Temperature-dependent phonon mode and interband electronic transition evolutions of e-InSe films derived by pulsed laser deposition,” Appl. Phys. Lett. 117, 102101 (2020). https://doi.org/10.1063/5.0021330
S. Marola, S. Bosia, A. Veltro, G. Fiore, D. Manfredi, M. Lombardi, G. Amato, et al., “Residual stresses in additively manufactured AlSi10Mg: Raman spectroscopy and X-ray diffraction analysis,” Materials and Design 202, 109550 (2021). https://doi.org/10.1016/j.matdes.2021.109550
M. Perez, M. Dumont, and D. Acevedo-Reyes, “Implementation of the classical nucleation theory for precipitation,” Acta Materialia, 56(9), 2119-2132 (2008). https://doi.org/10.1016/j.actamat.2007.12.050
W. Wełnic, and M. Wuttig, “Reversible switching in phase-change materials,” Materials today, 11(6), (2008). https://doi.org/10.1016/S1369-7021(08)70118-4
Авторське право (c) 2026 Бобір О. Ісаков, Халмурат М. Ілієв, Кутуб С. Аюпов, Бахрам А. Абдурахманов, Гіосіддін А. Кушієв, Абдуджалол А. Сатторов, Зафар Б. Худуйназаров
Цю роботу ліцензовано за Міжнародня ліцензія Creative Commons Attribution 4.0.
Автори, які публікуються у цьому журналі, погоджуються з наступними умовами:
- Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons Attribution License, котра дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Політика журналу дозволяє і заохочує розміщення авторами в мережі Інтернет (наприклад, у сховищах установ або на особистих веб-сайтах) рукопису роботи, як до подання цього рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання, оскільки це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії та позитивно позначається на оперативності та динаміці цитування опублікованої роботи (див. The Effect of Open Access).
