結晶表面のメゾスコピック構造形成の基礎に関する理論的研究

2001 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 13640329
• Research Institution: Nagoya University
• Principal Investigator: 上羽 牧夫 名古屋大学, 大学院・理学研究科, 助教授 (30183213)
• Keywords: ステップ / シリコン / ステップの蛇行 / ステップ・バンチング / 結晶成長 / 島 / 平衡形 / 弾性相互作用

Research Abstract

微斜面上のステップのパターン形成の問題,弾性相互作用における離散格子の効果,ファセット上の島の緩和過程について研究し,以下の知見が得られた.
1.透過性ステップからなる微斜面では吸着原子のステップ上段に向かうドリフトに対しバンチングに対する不安定化が起こる.モンテカルロシミュレーションで束大きさの時間に対する成長指数を調べると,1/2から拡散長の増大とともに1にまで増大することがわかった.非透過性ステップからなる微斜面の成長中には,ステップカイネティクスの非対称性によってはステップバンチングが発生しうる.長波長の不安定化が起きる条件を求め,さらにシミュレーションによって束の成長則が,時間の1/2乗になることを示した.
2.ステップの下段側から原子を取り込んで結晶が成長していくときにステップの蛇行が起きうる.数マイクロメーター以上の巨大なテラス上での実験が可能となり,1本のステップの蛇行の実験い,理論との良い一致を見た.
3.連続弾性理論のエネルギー密度の表式を離散化した2次元格子模型や近接原子をバネでつないだ2次元格子模型で吸着原子やステップ間の弾性相互作用を調べた.その結果,単純な弾性理論はステップなど表面が平坦でない場合には相互作用の強さの評価を全く誤ること,相互作用ポテンシャルのベキについても弾性理論が正しいとみなせる距離が場合によって2桁も異なることが判明した.
4.ステップ運動の解析から3次元島の平らな界面への緩和やファセットの出現過程などを議論した.鉛の微結晶での平衡状態への緩和の実験と良い一致が得られ,実験からのステップパラメタの決定に有効であることがわかった.また,シリコン(111)面上の島崩壊の実験との比較の結果,連続体ステップ・モデルによる記述がナノメーターの範囲まで有効であり,相互作用強度やカイネティクスの情報が得られることがわかった.

Research Products

• [Publications] Y. Saito, H. Uemura, M. Uwaha: "Two-Dimensional Elastic Lattice Model with Spontaneous Stress"Phys. Rev.. B63 no.1. 045422 1-9 (2001)
• [Publications] H. Uemura, Y. Saito, M. Uwaha: "Elastic Interaction in a Two-Dimensional Discrete Lattice Model"J. Phys. Soc. Jpn.. 70 no.3. 743-752 (2001)
• [Publications] A. Ichimiya, et al.: "Decay of Silicon Mounds: Scaling Laws and Description with Continuum Step Parameters"Appl. Surf. Sci.. 175-175. 33-35 (2001)
• [Publications] M. Sato, M. Uwaha, Y. Saito: "Growth of Permeable Step Bunches Formed by Drift of Adatoms"Surf. Sci.. 493. 480-486 (2001)
• [Publications] M. Sato, M. Uwaha: "Growth Law of Step Bunches Induced by the Ehrlich-Schwoebel Effect in Growth"Surf. Sci.. 493 no.1-3. 494-498 (2001)
• [Publications] K. Thurmer, et al.: "Step Dynamics in 3D Crystal Shape Relaxation"Phys. Rev. Lett.. 87. 186102 1-4 (2001)
• [Publications] Y. Homma, P. Finnie, M. Uwaha: "Morphological Instability of Atomic Steps Observed on Si(111) Surfaces"Surf. Sci.. 492 no.1-2. 125-136 (2001)
• [Publications] 上羽牧夫: "結晶成長辞典"砂川一郎他編 共立出版. (2001)
• [Publications] 上羽牧夫: "シリーズ:結晶成長のダイナミクス 第2巻「結晶成長のしくみを探る」"共立出版. 167 (2002)
• [Publications] M. Uwaha.: "in Fundamentals and applications of crystal growth research and technology"ed. K. Sato, K. Nakajima and Y. Furukawa. (Elsevier). 22 (2001)