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, акустоэлектроники, акустооптики и оптоэлектроники, кремниевые нанофокусирующие линзы, ионы с низкими и средними энергиями, борогидрид натрия, кобальтовые катализаторы. 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 универсального растрового электронного микроскопа (РЭМ) и электронного литографа (ЭЛ) для решения широкого круга задач в микроэлектронике. Основными методами исследований были: ионно-пучковая диагностика, спектроскопия комбинационного рассеяния, катодо- и лазерная люминесценция, просвечивающая электронная микроскопия, растровая электронная микроскопия, наведенный ток, масс-спектрометрия с индуктивно связанной плазмой, атомно-эмиссионный метод, компьютерное моделирование. Важнейшими результатами работы являются: (1) Предложен новый подход для проектирования топологий преломляющих линз, разработаны новые и усовершенствованы имеющиеся технологические процессы с целью формирования с высокой точностью линз, расположенных на одной пластине, с разными физическими апертурами и радиусами кривизны. Созданы основы для разработки и создания Si преломляющих нанофокусирующих линз с разрешением около 10 нм. (2) Доказана эффективность покрытий тепловыделяющих элементов (ТВЭлов), модифицирован подход к аппроксимации спектров Резерфордовского обратного рассеяния (РОР), развит метод диагностики в плёнках, развит метод рентгенофлуоресцентного анализа (РФА) с полным внешнием отражением (ПВО) объектов диаметром до 150 мм, развит метод РФА ПВО с несколькими источниками, развит метод формирования рентгеновских пучков диаметром 100 нм, доказано, что файберы функционируют в рамках волноводно-резонансного механизма. (3) Реализована и экспериментально протестирована новая схема мультиспектральной томографии с использованием кристалла-анализатора. (4) Предложены два подхода к обработке данных комбинационного рассеяния света, основанные на новой форме регуляризации Тихонова. (5) Проведен теоретический анализ влияния отражения первичных ионов от поверхностных атомов мишени на экспериментальные результаты коэффициента распыления ионами низких и средних энергий. Показано, что экспериментальный коэффициент распыления равен произведению корректирующего коэффициента и теоретического коэффициента распыления. Проведены расчеты корректирующего коэффициента с учетом блокировки ионов поверхностными атомами мишени. Получена аналитическая формула корректирующего коэффициента, зависящего от параметров системы ион-мишень, включая энергию и угол падения первичных ионов. (6) Разработана методология использования короткоживущих радиоактивных изотопов при разработке новых методик разложения различных объектов, а также использования стабильных высокообогащенных изотопов для контроля стадии пробоподготовки каждого анализируемого образца в методе масс-спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой (МС-ИСП). Изучены экстракционные свойства новых органических соединений. Найдена наиболее эффективная добавка ZnF2 для снижения пределов определения атомно-эмиссионным методом труднолетучих элементов в оксиде циркония на полтора-два порядка по сравнению с пределами их определения в оксиде циркония без добавок, а также значительно улучшена сходимость результатов их определений. (7) Проведено моделирование ионно-стимулированного переосаждения аморфных слоёв при распылении мишени фокусированным ионным пучком и сравнение с экспериментальными данными. (8) Произведён расчет электронно–оптических элементов и электронно–оптических систем (ЭОС) РЭМ и ЭЛ. Впервые разработаны линзы с коэффициентом сферической и хроматической аберраций на порядок меньше, чем у традиционно используемых в РЭМ. Предложена модульная конструкция ЭОС РЭМ и ЭЛ, позволяющая использовать неизменную зондоформирующую систему с различными катодами: вольфрамовыми, гексаборид лантановыми (цериевыми) и с катодами Шоттки. (9) Впервые выращены сегнетоэлектрические кристаллы сложных растворов LiNb(1-x)TaxO3 и исследованы их свойства. (10) Исследовано влияние островков Fe, Re и V, осажденных на подложки из окисленного кремния (SiO2), на рост нанопроволок (НП) Bi. Островки железа стимулируют в плёнке Bi образование кристаллитов предпочтительной для роста нанопроволок ориентации [110]R и более раннее формирование центров зарождения НП. (11) Исследовано влияние приложенного электрического напряжения на спектр комбинационного рассеяния (КР) света от графена, нанесенного на кристаллическую подложку ниобата лития с сегнетоэлектрической доменной структурой, выделена линейная зависимость спектра от приложенного электрического напряжения. Эта часть вклада в изменение спектра КР света связана с деформацией пьезоэлектрической подложки за счет обратного пьезоэлектрического эффекта. (12) Методы растровой электронной микроскопии адаптированы для исследования свойств Ga2O3, проведены измерения диффузионной длины и спектров катодолюминесценции на метастабильном полиморфе κ-Ga2O3. Выявлены механизмы движения дислокаций под действием механической нагрузки и рекомбинационно-ускоренное скольжение дислокаций в GaN. (13) Показано, что реакция между изолированной вакансией и междоузельной медью не требует активации при комнатной температуре. Вероятность превращения вакансии в медь замещения зависит от соотношения концентраций междоузельной меди и других центров прилипания для вакансии. Обнаружены новые электрически активные комплексы, содержащие несколько атомов меди и атом кислорода. (14) Определены энергии активации реакции, скорости выделения водорода в процессе гидролиза борогидрида натрия на катализаторах Co-B, Co/ZnO,Co3O4/ZnO, Co(OH)2, Co3O4. Co/цеолит, Co3O4/цеолит. Рассчитаны значения энергии активации реакции каталитического гидролиза борогидрида натрия для всех катализаторов. Область применения полученных результатов: методы локальной диагностики кристаллической структуры, элементного состава и электронных свойст материалов, диагностика наноматериалов и наноструктур на строящихся в России источниках синхротронного излучения, развитие РФА ПВО спектрометрии, рентгеновская литография, электронная литография, диагностическое оборудование, материаловедение, спектроскопия, анализ материалов с использованием ионов низких и средних энергий, новые методики МС-ИСП, акустоэлектроника, акустооптика, создание аморфно-кристаллических композитов для мехатроники, наноэлектроника на основе графена, высокочастотные приборы большой мощности, солнечно-слепые фотодетекторы и оптоэлектронные устройства, получение водорода для питания топливных элементов в энергетических установках малой и средней мощности.