Динамика возникновения новых фаз в кремнии при фемтосекундной лазерной абляции

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Доступ платный или только для подписчиков

Аннотация

Экспериментально методами микроспектроскопии комбинационного рассеяния света, просвечивающей электронной микроскопии и с помощью численного моделирования продемонстрировано, что при воздействии интенсивного (1013–1014 Вт/см2) фемтосекундного (~100 фс) лазерного импульса на кремниевую подложку с ориентацией (111) на поверхности и в объеме формируются новые полиморфные фазы Si-III и Si-XII, локализованные в дефектах решетки, а также на периферии абляционного кратера. Такая локализация фаз вызвана многостадийностью лазерно-индуцированных фазовых переходов в кремнии. Они инициируются ударной волной, в результате при субнаносекундных временах запускается каскад преобразований: Si-I → Si-II → Si-III/Si-XII. Фазовый переход Si-I → Si-II происходит на переднем фронте ударной волны, в то время как на ее заднем фронте возникает поле динамических напряжений в материале, в котором становится возможен фазовый переход Si-II → Si-III/Si-XII. На субмикросекундных временных масштабах большая часть новых фаз исчезает при релаксации материала в исходное состояние.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

Е. И. Мареев

Институт кристаллографии им. А.В. Шубникова Курчатовского комплекса кристаллографии и фотоники НИЦ “Курчатовский институт”

Автор, ответственный за переписку.
Email: mareev.evgeniy@physics.msu.ru
Россия, Москва

Д. Н. Хмеленин

Институт кристаллографии им. А.В. Шубникова Курчатовского комплекса кристаллографии и фотоники НИЦ “Курчатовский институт”

Email: mareev.evgeniy@physics.msu.ru
Россия, Москва

Ф. В. Потемкин

Московский государственный университет им. М.В. Ломоносов

Email: potemkin@physics.msu.ru

Faculty of Physics

Россия, Москва

Список литературы

  1. Mogni G., Higginbotham A., Gaál-Nagy K., Park N., Wark J.S. // Phys. Rev. B. 2014. V. 89. P. 064104. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.89.064104
  2. Wippermann S., He Y., Vörös M., Galli G. // Appl. Phys. Rev. 2016. V. 3. P. 040807. https://doi.org/10.1063/1.4961724
  3. Hanfland M., Schwarz U., Syassen K., Takemura K. // Phys. Rev. Lett. 1999. V. 82. P. 1197. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.82.1197
  4. McBride E.E., Krygier A., Ehnes A. et al. // Nat. Phys. 2019. V. 15. P. 89. https://doi.org/10.1038/s41567-018-0290-x
  5. Мареев Е.И., Румянцев Б.В., Потемкин Ф.В. // Письма в ЖЭТФ. 2020. Т. 112. С. 780. https://doi.org/10.31857/s1234567820230111
  6. Budnitzki M., Kuna M. // J. Mechan. Phys. Solids. 2016. V. 95. P. 64. https://doi.org/10.1016/j.jmps.2016.03.017
  7. Chen H., Levitas V.I., Popov D., Velisavljevic N. // Nat. Commun. 2022. V. 13. P. 982. https://doi.org/10.1038/s41467-022-28604-1
  8. Daisenberger D., Wilson M., McMillan P.F. et al. // Phys. Rev. B. 2007. V 75. P. 224118. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.75.224118
  9. Domnich V., Gogotsi Y. // Rev. Adv. Mater. Sci. 2002. V. 3. P. 1. https://www.ipme.ru/e-journals/RAMS/no_1302/domnich/domnich.pdf
  10. Zeng Z., Zeng Q., Mao W.L., Qu S. // J. Appl. Phys. 2014. V. 115. P. 103514. https://doi.org/10.1063/1.4868156
  11. Ovsyuk N.N., Lyapin S.G. // Appl. Phys. Lett. 2020. V. 116. P. 062103. https://doi.org/10.1063/1.5145246
  12. Sundaram S.K., Mazur E. // Nat. Mater. 2002. V. 1. P. 217. https://doi.org/10.1038/nmat767
  13. Vailionis A., Gamaly E.G., Mizeikis V. et al. // Nat. Commun. 2011. V. 2. P. 445. https://doi.org/10.1038/ncomms1449
  14. Mareev E.I., Lvov K.V., Rumiantsev B.V. et al. // Laser Phys. Lett. 2019. V. 17. P. 015402. https://doi.org/10.1088/1612-202X/ab5d23
  15. Butkus S. // J. Laser Micro/Nanoengineering. 2014. V 9. P. 213. https://doi.org/10.2961/jlmn.2014.03.0006
  16. Gorman M.G., Briggs R., McBride E.E. et al. // Phys. Rev. Lett. 2015. V. 115. P. 095701. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.115.095701
  17. Brown S.B., Gleason A.E., Galtier E. et al. // Sci. Adv. 2019. V. 5. P. eaau8044. https://doi.org/10.1126/sciadv.aau8044
  18. Potemkin F.V., Mareev E.I., Garmatina A.A. et al. // Rev. Sci. Instrum. 2021. V. 92. P. 053101. https://doi.org/10.1063/5.0028228
  19. Ковальчук М.В., Борисов М.М., Гарматина А.А. и др. // Кристаллография. 2022. Т. 67. № 5. С. 771. https://doi.org/10.31857/s0023476122050083
  20. Moser R., Domke M., Winter J. et al. // Adv. Opt. Technol. 2018. V. 7. P. 255. https://doi.org/10.1515/aot-2018-0013
  21. Mareev E., Obydennov N., Potemkin F. // Photonics. 2023. V. 10. P. 380. https://doi.org/10.3390/photonics10040380
  22. Mareev E.I., Potemkin F.V. // Int. J. Mol. Sci. 2022. V. 23. P. 2115. https://doi.org/10.3390/ijms23042115
  23. Норман Г.Э., Стариков С.В., Стегайлов В.В. // ЖЭТФ. 2012. Т. 141. С. 910. https://doi.org/10.1134/S1063776112040115
  24. Greathouse J.A. Two-Temperature (TTM) Molecular Dynamics. Standia National LAborotory, NNSA.
  25. Mareev E., Pushkin A., Migal E. et al. // Sci. Rep. 2022. V. 12. P. 7517. https://doi.org/10.1038/s41598-022-11501-4
  26. Yang J., Zhang D., Wei J. et al. // Micromachines. 2022. V. 13. P. 1119. https://doi.org/10.3390/mi13071119
  27. Taylor L.L., Scott R.E., Qiao J. // Opt. Mater. Express. 2018. V. 8. P. 648. https://doi.org/10.1364/ome.8.000648
  28. Liu J., Wu M., Sun Z. et al. // Appl. Surf. Sci. 2024. V. 661. P. 160022. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2024.160022
  29. An H., Wang J., Fang F., Jiang J. // Opt. Laser Technol. 2024. V. 171. P. 110427. https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2023.110427
  30. Plimpton S. // J. Comput. Phys. 1995. V. 117. P. 1. https://doi.org/10.1006/jcph.1995.1039
  31. Pisarev V.V., Starikov S.V. // J. Phys.: Condens. Matter. 2014. V. 26. № 47. P. 475401. https://doi.org/10.1088/0953-8984/26/47/475401
  32. Norman G.E., Starikov S.V., Stegailov V.V. et al. // Contrib. Plasma Phys. 2013. V. 2. P. 129. https://doi.org/10.1002/ctpp.201310025
  33. Stukowski A. // Model. Simul. Mat. Sci. Eng. 2010. V. 18. № 1. P. 015012. https://doi.org/10.1088/0965-0393/18/1/015012
  34. Coleman S.P., Spearot D.E., Capolungo L. // Model. Simul. Mat. Sci. Eng. 2013. V. 21. P. 055020. https://doi.org/10.1088/0965-0393/21/5/055020
  35. Пашаев Э.М. Корчуганов В.Н., Субботин И.А. и др. // Кристаллография. 2021. Т. 66. С. 877. https://doi.org/10.31857/S0023476122050083
  36. Gogotsi Y., Baek C., Kirscht F. // Semicond. Sci. Technol. 1999. V. 10. P. 936. https://doi.org/10.1088/0268-1242/14/10/310
  37. Li H., Yu X., Zhu X. et al. // AIP Adv. 2021. V. 4. P. 045103. https://doi.org/10.1063/5.0034896
  38. Bradby J.E., Williams J.S., Wong-Leung J. et al. // Appl. Phys. Lett. 2000. V. 23. P. 3749. https://doi.org/10.1063/1.1332110
  39. Ikoma Y., Yamasaki T., Shimizu T. et al. // Mater. Characterization. 2020. V. 169. P. 110590. https://doi.org/10.1016/j.matchar.2020.110590
  40. Xuan Y., Tan L., Cheng B. et al. // J. Phys. Chem. C. 2020. V. 124. P. 27089. https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.0c07686
  41. Cheng C. // Phys. Rev. B. 2003. V. 67. P. 134109. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.67.134109
  42. Anzellini S., Wharmby M.T., Miozzi F. et al. // Sci. Rep. 2019. V. 9. P. 15537. https://doi.org/10.1038/s41598-019-51931-1
  43. Yin M.T. // Phys. Rev. B. 1984. V. 30. P. 1773. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.30.1773
  44. Piltz R.O., MacLean J.R., Clark S.J. et al. // Phys. Rev. B. 1995. V. 52. P. 4072. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.52.4072

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Изображение области воздействия лазерного импульса на кремний, а также спектры комбинационного рассеяния в диапазоне частот 250–475 см−1: 1 – спектр неповрежденного кремния, 2 – спектр аморфного кремния, 3 – область, где в спектрах регистрируется пик, характерный для фазы Si-III при 430 см−1, 4 – спектр, содержащий пики фаз Si-III и Si-XII, 5 – спектр при наносекундном лазерном воздействии на кремний. Прямоугольниками на микроскопическом изображении обозначены области, в которых измеряют соответствующие спектры.

Скачать (200KB)
Метаданные
3. Рис. 2. ПЭМ-изображения области лазерно-индуцированного микрократера: а – общий вид, темные области сверху характерны для аморфного кремния, косые линии на рисунках – дислокации решетки; б, в – увеличенные области, отмеченные прямоугольниками на рис. а; г, д – картины электронной дифракции от областей, отмеченных точками.

Скачать (694KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Визуализация результатов численного моделирования – сечение образца кремния толщиной 10 Å вдоль оси распространения лазерного импульса (слева направо) (а): яркостью показан атомный объем фаз Si-I, сжатого Si-I, Si-II и Si-XI, Si-III и Si-XII, областей с меньшей плотностью. Временная задержка для каждого изображения указана на рисунке. Эволюция динамики изменения кривой качания, рассчитанной для приповерхностной области (б): стрелками отмечены пики и атомные объемы, характерные для отличных от Si-I фаз кремния.

Скачать (1MB)
Метаданные
5. Рис. 4. Временная динамика изменения гистограммы распределения атомного объема после лазерного воздействия: а – трехмерная тепловая карта, б – гистограммы распределения атомного объема для времен 2, 5, 10, 15, 20, 30 пс. Штриховой линией обозначена исходная гистограмма.

Скачать (150KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Схематичное изображение динамики лазерно-индуцированных фазовых переходов в кремнии.

Скачать (358KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2025