فیزیك فضای تهی

فیزیك خلأ زمینه‌هایی از پژوهش و تكنولوژی را در بر می‌گیرد كه در آن‌ها تولید، نگهداری و اندازه‌گیری خلأ و فرایش مواد آن، مورد توجه است. این مبحث مشتمل است بر مطالعه‌ی واكنش‌های شیمیایی برروی سطح جامدات، تولید و خواص فیلم‌های نازك جامد، متالورژی خلأ، پدیده‌های سطحی خلئی كه در پژوهش‌های گداخت پلاسمایی مشاهده شده است، نشاندن و فرایش مواد الكترونیكی به كمك خلأ، و همچنین مطالعه‌ی ساختار هندسی و الكترونی سطح‌ها و فصل مشترك‌های جامد-جامد.
خانواده‌ی جدید دی الكتریك‌های برآرستی
فیلم‌های دی‌الكتریك نشان‌دهنده‌ بر زیر لایه‌های سیلیسومی، اساس ترانزیستورهای با اثر میدان دریچه‌ی عایق را تشكیل می‌دهند. این ترانزیستورها در صنعت نیمرساناها كاربرد وسیعی در مدارهای یكپارچه‌ی مقیاس بزرگ دارند. دیالكتریك‌های متداول امروزی اكسیدهای اریخت (بی‌شكل) و نیتریدهای سیلیسیوم‌اند. در مركز پژوهش و گسترش وستینگهاؤس، دانشمندان به تازگی خانواده‌ی جدیدی از دی الكتریك‌ها را كشف كرده‌اند كه خواص فیزیكی و الكتریكی مطلوبی برای كاربرد در وسایل اپتوالكترونیكی و میكروالكترونیكی دارند. برخی از این كاربردها به انفعال سطحی نیمرسانا، نظیر دی‌الكتریك‌های دریچه در ترانزیستورهای با اثر میدان دریچه‌ی عایق شده، و اندرلایه‌های برآرستی در ساختارهای سیلیسیوم روی عایق مربوط می‌شوند. یكی از خانواده‌های جدید دی‌الكتریك‌ها، تری فلوئوریدهای خاك‌های نادر، از جمله LaF3، CeF3 ، و NdF3 هستند. در شرایط مناسب این فلوئوریدها به‌طور برآرستی، به صورت تك بلورهایی در راستای موسوم به بلورزیر لایه‌ی سیلیسیومی رشد می‌كنند. این راستا عبارت است از خط عمود بر صفحه‌ی (یا رخه) یك بلور مكعبی كه دارای تقارن سه‌گانه است. خواص الكتریكی در فصل مشترك دی‌الكتریك‌های تك بلور بالقوه بهتر از خواص الكتریكی در دی‌الكتذیك‌های اریخت است. رشد و هویت دهی دی‌الكتریك‌های برآرستی نشانده بر نیمرسانا‌ها، رشته‌ای تازه و در حال گسترش از فیزیك فیلم‌های نازك است. كه از سال 1360/1981 با رشد موفقیت‌آمیز برآرستی فلوئورید قلیایی خاكی BaF2 بر روی نیمرساناهای كانه‌ی روی، نظیر InP و CdTe آغاز شد. اندكی پس از آن ، گزارش مربوط به رشد برآرستی CaF2 بر روی سیلیسیوم نیز انتشار یافت. از سال 1981 تاكنون این رشته به سرعت گسترش یافته و به كشفیات مهیجی در زمینه‌های محض و كاربردی منجر شده است. به عنوان مثال، كشف نوع جدید و غیر منتظره‌ی فصل مشتركی میان یك زیر لایه‌ی تك بلوری و فیلم برآرستی را می‌توان نام برد. كه فصل مشتركی خارجی از معیار است و باعث آگاهی بسیار از نقش كنترل كننده‌ی انرژی آزاد سطح رو لایه در تعیین رشد و كمال ساختاری فلوئوریدهای برآرستی شده است. نخستین نمونه‌ی ترانزیستورهای با اثر میدان براساس نشاندن برآرستی CaF2 بر روی زیر لایه‌ی سیلیسیوم (در راستای [100]، یا سمتگیری با تقارن چهارگانه) ساخته شده و كارآیی امید بخش و بالایی را ارائه داده است. با وجود این، نیاز به دی‌الكتریك های برآرستی كه در آب نامحلول، از لحاظ مكانیكی سخت، و دارای خواص ساختاری و الكتریكی خوب بر روی سطح‌های نیمرساناها باشند، وجود دارد. ما نشان داده‌ایم كه خانواده‌ی فلوئوریدهای خاك‌های نادر، LaF3 ، CeF3، NdF3 ، دارای این خواص مطلوب‌اند. این مواد با ساختار شش ضلعی، بر روی سطح‌های سیلیسیوم تمیزشده در مقیاس اتمی در خلأ بالا، رسوب داده شده اند. در این مواد قدرت شكست دی‌الكتریك اندازه‌گیری شده بیش از v/cm بوده است.
علاوه بر كاربردهای فلوئوریدهای خاك‌های نادر در وسایل نیمرسانا، ما معتقدیم كه هم اكنون وقت آن رسیده است كه ساختارهای وسایل دارای فیلم‌های نازك با تنوعی از خواص اپتیكی و الكتریكی مفید از نظر مهندسی طراحی شوند. مثلا، با تبخیر همزمان BaF2 و MgF2 برای تشكیل BaMgF4 ، ممكن است بتوان به فیلم های فلوئورید خاصیت‌های پیزوالكتریك و فروالكتریك بخشید. خلاصه آنكه، این كشف جدید امكانات بسیاری را در مهندسی مواد و فیزیك فیلم‌های نازك فراهم آورده است.
نظم بلند-برد در آلیاژهای نیمرسانای
بر خلاف انتظار، معلوم شده است كه اتم های Ga و Al در لایه‌های برآرستی نشانده بر روی GaAs ، یك زیر شبكه‌ی منظم تشكیل می‌دهند. این نظم بلند-برد پیش از این هرگز در هیچ یك از آلیاژهای نیمرسانای نوع III-V مشاهده نشده یود. از این رو در ارتباط با فاز تعادل این سیستم و پایداری بعضی از انواع ساختارهای ابر شبكه ای رشد داده شده به طور مصنوعی، پرسش‌های مهمی مطرح می‌شوند. از میان كلیه‌ی آلیاژهای نیمرسانا، سیستم بیش از همه مطالعه شده است، علت این امر اصولا كاربرد وسیع آن در اپتوالكترونیك و در وسایل با كار سریع است. اهمیت این سیستم آلیاژ در شباهت نزدیك شبكه‌ی آن با شبكه‌ی GaAs، و در سیستم آلیاژ در شباهت نزدیك شبكه‌ی آن با شبكه‌ی GaAs، و در گاف انرژی آن است، كه با نوع تركیب آلیاژ شدیداً تغییر می‌كند. این‌ها خواصی هستند كه ماده را برای كاربرد در وسایل با پیوند چندگن ایده‌آل می‌سازند.
یك محلول جامد است كه در آن اتم‌های Ga و Al در زیر شبكه‌ی یكسانی مشترك‌اند. تا قبل از اینكه این كار ارائه شود، همواره تصور می‌شد كه جاگیری اتم‌های Ga و Al در این زیر شبكه به كلی كتره‌ای است. به‌علاوه، عقیده بر این بود كه این پیكربندی نشانگر حالت تعادل ترمودینامیكی است. نظم بلند-برد در لایه‌های نازك (كه x بین 25/0 و 75/0 واقع است) پیدا شد، این لایه‌ها به طور برآرستی بر روی زیر لایه‌ی GaAs در دماهای میان 650 و 800 درجه‌ی سلسیوس، با استفاده از تكنیك‌های برآرستی آلی فلزی از فاز بخار (MOVPE)، یا تكنیك‌های بر آرستی باریكه‌ی مولكولی (MBE)، رشد داده شده بودند. این نظم دهی از طریق نقش‌های پراش الكترونی تراگسیلی از این لایه‌ها آشكار شده بود. این نقش‌ها اضافه باز تابش‌هایی نشان داده‌اند كه در حالت بی‌نظمی یا كتره‌ای ممنوع است و به روشنی دلالت بر این دارد كه در برخی محل‌ها در هر یاخته‌ی واحد اولویت با اتم‌های Ga و در برخی محل‌ها در هر یاخته‌ی واحد اولویت با اتم‌های Ga و در برخی دیگر اولویت با اتم‌های Al است. مثلاً، یك حالت كاملاً منظم در شامل تك لایه‌های یك در میان از AlAs و GaAs است كه همین كه منظم شود در دماهای پایینتر از دمای رشد پایدار می‌ماند. این حالت منظم معادل با یك ساختار ابر شبكه‌ای تك لایه است كه در گذشته به‌طور مصنوعی با رسوب یك در میان تك لایه‌های GaAs و AlAs بر روی سطح GaAs، به كمك تكنیك MBe در دمای حدود 600در جه سانتی‌گراد ساخته می‌شد. این امر مستلزم تنظیم مكرر دریجه‌های كنترل شار اتم‌های Ga و Al بود. در حین رشد دادن در دمای بالا، انتظار می‌رفت كه لایه‌های AlAs و GaAs كاملاً آمیزش‌پذیر باشند و شگفت‌انگیز می‌نمود كه ساخته شدن یك ابر شبكه‌ی تك لایه اصولاً ممكن باشد. اكنون شگفت‌انگیزتر آن است كه این تفكیك تك لایه می‌تواند در حین هم‌نشانی پیوسته‌ی Al ، Ga، As در دمای بالا، بدون هیچ‌گونه اعمال تصنعی سلسله مراتب خاصی از رشد، صورت بگیرد. از این رو به عقیده‌ی پژوهشگران IBM، احتمال دارد كه ساختار تفكیك شده و منظم نشانگر حالت تعادل و حالت پایدار ترمودینامیكی باشد. آنچه در گذشته از پیدا شدن این حالت منظم مانع می‌شد این است كه این حالت مشكل می‌تواند از طریق فرایند پخش كپه‌ای بسیار كند به كپه‌ی ?AL?_x ?Ga?_(1-x) As برسد. فازهای پایدار منظم در دیگر سیستم‌های آلیاژ III-V ، كه در آن‌ها ساختارهای ابر شبكه‌ای تك لایه ساخته شده‌اند، نیز ممكن است وجود داشته باشند. محاسبات نظری تازه نشان می‌دهند كه یك فاز منظم در سیستم‌های نیز می‌تواند پایدار باشد.
فرایندهای اتمی در رشد Movpe و MBE به خوبی مفهوم نشده‌اند و از این رو فرایندهای اتمی مسؤول رشد ساختار منظم، روشن نیستند. به نظر می‌رسد كه تشكیل ساختارهای منظم متكی بر پخش سطحی بسیار سریع اتم‌های Ga و Al باشد. نظم بلند-برد در دماهای بالاتر از 800 دیگر وجود ندارد، و در دماهای پایینتر از 600 نیز نمی‌توان به حالت منظم دست یافت، كه این امر احتمال دارد به دلیل كمی تحرك‌های سطحی اتم‌های Al و Ga در حین رشد باشد. درجه‌ی نظم قابل حصول در لایه‌های رشد یافته به طریق MOVPE بالاتر است و نظم در موارد رشد یافته به طریق MBE كمتر مشخص است؛ و از نظم در ماده‌ی رشد یافته به طریق برآرستی فاز مایع (LPE) تاكنون هیچ نشانه‌ای دیده نشده است. مشاهده‌ی چگونگی آغاز شكل‌گیری ساختار منظم در شرایط مختلف رشد می‌توان راهنمایی خوبی در ارتباط با اختلاف آن‌ها در مكانیسم رشد باشد. انتظار می‌رود كه فازهای منظم نیمرسانای III-V خواص اپتیكی و الكتریكی جالبی داشته باشند، كه با خواص فازهای نامنظم متناظر متفاوت‌اند. جستجو برای فازهای منظم III-V و مكاشفه‌ی خواص آن‌ها محققاً توجه بسیاری از پژوهشكران را در آینده‌ی نزدیك جلب خواهد كرد.