Реакції у нанодротах при точковому контакті у системі метал—кремній

Abstract

У роботі теоретично проаналізовано реакції метал—кремній у нанодротах, що спостерігалися у експериментах, виконаних в Університеті Каліфорнії (Лос-Анджелес) i в Університеті Цiнь Хуа (Тайвань) та опублікованих нещодавно в журналі Nano Letters. В експериментах, зокрема, встановлено, що при точковому контакті нанодротів металу (на прикладі ніклю й кобальту) і чистого кремнію реакція з утворення силіциду відповідного металу завжди починається з кінця кремнійового дроту, віддаленого від місця контакту. Ґрунтуючись на даних експерименту й доступних у літературі термодинамічних та кінетичних параметрах для ніклю, було побудовано аналітичний модель розрахунку, в рамках якого встановлено, що причиною зародкування на вістрі може бути суттєва відмінність у значеннях повної кривини поверхні на кінці нанодроту та в інших його місцях. Така особливість притаманна саме наносистемам і зумовлена двома основними факторами: малим часом дифузійної релаксації (час гомогенізації) та різкою залежністю кривини поверхні від її форми.

The paper provides theoretical analysis of reactions between the metal and Si in nanowires observed during experiments held in University of California (Los Angeles), Tsin’ Khua University (Taiwan) and published in the Nano Letters journal recently. The experiments showed that, in the case of point contact of metal nanowires (for example, Ni or Co nanowires) and pure Si, the reaction with formation of the corresponding metal silicide always start from the end of Si wire, which is opposite to the contact. Using experimental data and available thermodynamic and kinetic parameters for Ni as a base, the analytical calculation model is developed. As revealed, the cause for nucleation at the tip may be stipulated by noticeable difference between the total surface curvatures at a tip of the nanowire and at its other sites. This is the feature of nanosystems, which can be caused by two main factors: a short time of diffusion relaxation (the homogenization time) and sharp dependence of surface curvature on its shape.

В работе проведен теоретический анализ реакций металл—кремний в нанпроволоках, которые наблюдались экспериментально в работах, выполненных в Университете Калифорнии (Лос-Анджелес) и в Университете Цинь-Хуа (Тайвань) и опубликованных недавно в журнале Nano Letters. В экспериментах, в частности, установлено, что при точечном контакте нанопроволок металла (на примере никеля и кобальта) и чистого кремния реакция образования силицида соответствующего металла всегда начинается с конца кремниевой проволоки, удаленного от места контакта. Базируясь на данных эксперимента и доступных в литературе термодинамических и кинетических параметрах для никеля, была построена аналитическая модель расчета, в рамках которой установлено, что причиной зародышеобразования на острие может быть существенное отличие в значениях полной кривизны поверхности на конце нанопроволоки и в других ее местах. Такая особенность присуща наносистемам и обусловлена двумя основными факторами: малым временем диффузионной релаксации (время гомогенизации) и резкой зависимостью кривизны поверхности от ее формы.