ДИАГНОСТИКА И ФИЗИЧЕСКОЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ ПЕРСПЕКТИВНЫХ МАТЕРИАЛОВ, НИЗКОРАЗМЕРНЫХ СТРУКТУР И ПРИБОРОВ ДЛЯ МИКРО-, НАНО-, АКУСТОЭЛЕКТРОНИКИ И РАДИОФОТОНИКИ

Объектами исследований в работе являлись как новые, так и известные материалы микро- и наноэлектроники. Целью работ было развитие и применение методов диагностики для решения задач физического материаловедения известных и новых перспективных материалов и низкоразмерных структур для создания приборов микро- и наноэлектроники, разработка высокопроизводительного электронного литографа. Основными методами исследований были: рентгеновская дифрактометрия, в том числе с использованием синхротронного излучения, ионно-пучковая диагностика, спектроскопия комбинационного рассеяния, анализ спектров катодо- и лазерной люминесценции, просвечивающая электронная микроскопия, растровая электронная микроскопия, масс-спектрометрия с индуктивно связанной плазмой, компьютерное моделирование. Важнейшими результатами работы являются: 1) Разработан новый метод измерения коэффициентов термического расширения кристаллов с использованием рентгеновских дифракционных спектров, измеренных при разных температурах. Определены коэффициенты термического расширения пьезоэлектрических кристаллов La3Ga5SiO14 и Ca3TaGa3SiO14. 2) Представлен новый метод временной модуляции рентгеновского излучения для экспериментов с временным разрешением. Управления интенсивностью рентгеновского пучка осуществляется с помощью встречно-штыревых преобразователей, нанесенных на поверхность пьезоэлектрического кристалла. Разработанное устройство может быть использовано для генерации импульсов рентгеновского излучения из непрерывного источника. 3) Разработаны рентгеновские кремниевые планарные параболические преломляющие линзы с апертурой 10 мкм. На основе разработанных линз был изготовлен 100-линзовый интерферометр с улучшенными параметрами. Тестирование линз и интерферометра на источнике синхротронного излучения показало хорошее качество сформированных линз. 4) Разработан прототип нового алгоритма рентгеновской динамической томографии (временная 4D томография) и предложена новая схема спектральной томографии. Новый алгоритм и новая схема позволяют улучшить качество реконструированных изображений и увеличить объем данных, получаемых при исследовании, что позволит более эффективно проводить исследование материалов микро- и наноэлектроники и наноматериалов. 5) Разработана методика диагностики элементного состава поверхности оболочек тепловыделяющих элементов (ТВЭЛов) ядерных энергетических блоков методом ионно-пучкового анализа. Проведена паспортизация плёночных покрытий разных типов оболочек в условиях, моделирующих пребывание ТВЭЛов в рабочей зоне водо-водяных реакторов. Выявлен тип пленочного покрытия, позволяющий в несколько раз увеличить срок активного использования ТВЭЛов. 6) Проведен анализ спектров комбинационного рассеяния (КР) монокристалла ниобата лития выполненный с использованием метода главных компонент и корреляционного анализа. Анализ изменений в спектрах КР позволил определить структурные изменения в кристаллической решетке ниобата лития, вызванные приложением электрического поля. 7) Проведено моделирование 2-х версий электронно-оптических систем (ЭОС) электронных литографов с ускоряющим напряжением 50 кВ с катодом из гексаборида лантана и с катодом Шоттки. Разработанные ЭОС обеспечивают более высокую скорость экспонирования (в 8 и более раз) и более высокую точность совмещения по сравнению с аналогами. 8) Выполнен теоретический анализ зависимости пороговой энергии распыления исследуемой мишени от угла падения первичных ионов в методе ионно-пучковой диагностики. Результат анализа работы важен для более глубокого понимания физики процесса распыления и для возможности улучшения метода ионно-пучковой диагностики материалов, связанного, в первую очередь, с вариациями угла падения анализирующих ионов. 9) Изучено влияние матричного эффекта на метрологические характеристики метода масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой. Показана решающая роль настроек входной ионной оптики масс-спектрометра на его толерантность к содержанию матричных элементов в анализируемом растворе. Это дает возможность посредством настройки ионной оптики на порядок снизить пределы определения примесных элементов, содержащихся в матричных образцах. 10) Получен одномерный массив наностержней ZnO с нанокластерами золота. Показано отличие оптических свойств метаматериала ZnO/Au, как нового перспективного метаматериала для нанофотоники, от чистого ZnO. 11) Методом просвечивающей электронной микроскопии исследованы углеродные пленки, полученные при осаждении ускоренных ионов C60. Показано, что при энергии пучка ионов 7 кэВ и температуре подложки 100–200 °C формируются аморфные углеродные пленки. Повышение температуры подложки до 300 °C приводит к формированию нанокомпозитных пленок, содержащих нанокристаллы графита и аморфную углеродную матрицу. 12) Развивались методы характеризации широкозонных полупроводниковых материалов (GaN, SiC, Ga2O3) и исследовались свойства точечных и протяженных дефектов (дефекты упаковки, дислокации), присутствующих в этих материалах. Показано, что энергия активации движения перегибов вдоль частичной дислокации с кремниевым ядром в 4H-SiC пренебрежимо мала, что обуславливает высокую скорость процесса расширения дефектов упаковки. Показано, что движение дислокаций в GaN при облучении электронным пучком обусловлено освобождением дислокаций со стопоров. Предсказаны параметры бетавольтаических элементов на основе GaAs с радиоактивным источником на основе тритида титана и на основе β-Ga2O3 c радиоактивным источником Ni-63. 13) Разработан высокочувствительный метод количественной оценки уровня загрязнения пластин кремния быстро диффундирующими примесями переходных металлов (Cu, Ni) в процессе химико-механической полировки. Концентрация примесей измеряется методом нестационарной спектроскопии глубоких уровней. Метод может быть использован для оптимизации технологии химико-механической полировки пластин полупроводникового кремния.