Elektrochemiczna metoda osadzania powłok półprzewodnikowych kontrolowana na poziomie atomowym

Kontrolowanie procesu otrzymywania materiałów w skali nanometrycznej wzbudza olbrzymie zainteresowanie współczesnej inżynierii materiałowej. Wynika to przede wszystkim z możliwości otrzymania materiałów lub struktur cechujących się wyjątkowymi właściwościami.

Jedną z nowszych technik oferujących możliwości otrzymywania struktur o rozmiarach nanometrów jest metoda ECALE – Electrochemical Atomic Layer Epitaxy. Wykorzystując zjawiska zachodzące na granicy faz elektroda – elektrolit podczas elektroosadzania pierwiastków można kontrolować otrzymywanie złożonych struktur w skali jednoatomowych warstw.

Metoda bazuje na znanym zjawisku podpotencjałowego osadzania. Obserwuje się wtedy osadzanie pierwiastków na drodze katodowej redukcji w zakresie potencjałów bardziej elektrododatnich niż ich potencjały równowagowe. Proces tworzenia powłok jest wtedy limitowany powierzchniowo i wynika z oddziaływania podłoża z redukowanym pierwiastkiem. Dochodzi wtedy do tworzenia się związków lub stopów, których zmiana energii swobodnej tworzenia wymusza proces podpotencjałowego osadzania. W metodzie tej możliwe jest otrzymanie bardzo złożonych struktur, których proces otrzymywania jest kontrolowany na poziomie atomowym. Należy zwrócić uwagę na fakt, że w wyniku osadzania podpotencjałowego pojedynczych warstw atomowych unika się tworzenia osadów o strukturach trójwymiarowych i ich niekontrolowanego wzrostu, który występuje podczas elektroosadzania w zakresie potencjałów poniżej potencjału równowagowego.

Otrzymywanie związków czy stopów powyższą metodą odbywa się w specjalnie skonstruowanej celce przepływowej. Cały proces składa się z kilku etapów, które są cyklicznie powtarzane. Podczas poszczególnych etapów do celki wpuszczany jest elektrolit zawierający jeden ze składników otrzymywanej powłoki, który jest następnie osadzany. Ilość elektrolitów stosowanych podczas jednego cyklu zależy od składu powłoki. Pomiędzy każdym elektrolitem celka jest przepłukiwana elektrolitem obojętnym w celu jej oczyszczenia. Cykliczność tego procesu pozwala na otrzymanie wielowarstwowych struktur złożonych z pojedynczych warstw atomowych różnych pierwiastków. Może to służyć do otrzymywania zarówno dwuskładnikowych związków i stopów, jak i bardziej skomplikowanych struktur, w skład których wchodzi więcej pierwiastków. Zastosowanie celki przepływowej daje szerokie możliwości w doborze elektrolitów w odróżnieniu od współosadzania wieloskładnikowych powłok z jednej kąpieli. Należy jednak mieć na uwadze, że proces osadzania w tym przypadku zdeterminowany jest oddziaływaniem pomiędzy podłożem, czyli wcześniej osadzoną warstwą, a osadzanym pierwiastkiem, co w pewnym stopniu może ograniczać możliwości jeśli chodzi o skład otrzymywanych powłok.

Odpowiednio zaprojektowana aparatura kontrolowana przez potencjostat umożliwia otrzymywanie materiałów o powyżej opisane strukturze. Należy także dodać, że cały proces sterowany przez specjalnie napisany w tym celu program umożliwia także analizę mechanizmu redukcji i krystalizacji poszczególnych pierwiastków na różnych podłożach, oraz analizę składu otrzymanych powłok.