Исследователи из МФТИ, Университета Ж. И. Алфёрова, СПбГУ и Физико-технического института имени Иоффе с коллегами впервые продемонстрировали, что рельеф подложки из гексагонального нитрида бора (h-BN) можно использовать для детерминированного управления формой и расположением нанокристаллов нитрида алюминия (AlN), выращиваемых методом вандерваальсовой эпитаксии. Работа опубликована в журнале Materials Science in Semiconductor Processing. Исследование поддержано Российским научным фондом (проект №23-79-00012, проект №24-12-00209 и грант №24-12-00225).
Нитрид алюминия стоит в центре мировых исследований по поиску компактных источников глубокого ультрафиолетового излучения, потому что он обладает очень широкой запрещенной зоной: около 6 эВ. Такие источники нужны для обеззараживания воды, стерилизации медицинских инструментов и поверхностей в больницах, для медицинской диагностики и оптических коммуникаций.
Создать эффективный прибор на основе AlN сложно, потому что слишком велика разница в параметрах кристаллических решеток AlN и доступных подложек. Нанопроволоки AlN частично снимают эту проблему: механические напряжения «уходят» на боковую поверхность ННК, не накапливаясь до уровня, при котором формируются внутренние дефекты и дислокации. Однако случайное пространственное распределение ННК на подложке не позволяет создавать упорядоченные фотонные схемы.
Коллектив российских ученых предложил использовать метод вандерваальсовой эпитаксии. Он заключается в выращивании кристаллов на атомарно гладкой поверхности двумерного материала, удерживаемой лишь слабыми вандерваальсовыми силами. Особый интерес представляет гексагональный нитрид бора: его поверхность лишена «оборванных» химических связей, кристаллическая решетка совместима с решеткой нитридов, а сам материал стабилен при высоких температурах. На поверхности h-BN уже получали вертикально выровненные ННК GaN и InAs.
Но проблема оставалась: ННК зарождались случайно по всей поверхности, и контролировать их расположение не удавалось. Любая попытка адресовать рост к нужной точке требовала дополнительных шагов литографии и маскирования, что усложняло технологию и нередко ухудшало качество кристалла.
Ученые перенесли тонкие слои h-BN на кремниевую подложку, покрытую оксидом (SiOx), и вырастили на них нанокристаллы AlN методом плазменно-активированной молекулярно-пучковой эпитаксии при температурах подложки 810–850°C. В камере молекулярно-пучковой эпитаксии атомы алюминия и азота осаждались на поверхность h-BN в строго контролируемых условиях сверхвысокого вакуума, что позволило получать кристаллы исключительной чистоты. Анализ образцов методами атомно-силовой (АСМ) и растровой электронной (РЭМ) микроскопии обнаружил неожиданную картину.
На плоских террасах h-BN вырастали обычные вертикальные ННК диаметром около 50 нм и высотой около 230 нм. А вот вдоль ступенек — перепадов высоты между слоями h-BN — формировались совершенно иные структуры: наностенки шириной около 40 нм и высотой около 205 нм, вытянутые точно вдоль линии ступеньки.
Авторы тщательно измерили высоты ступенек на одном слое h-BN до роста и сопоставили их с результатами роста. Оказалось, что ступеньки высотой 3–4 монослоя h-BN (примерно 1 нм) не производят никакого эффекта: ННК растут равномерно по всей прилегающей поверхности. Для зарождения наностенки нужна ступенька высотой 5 и более монослоев (от 1,65 нм).
Ученые объяснили обнаруженный эффект с помощью качественной модели, основанной на барьере Эрлиха–Швебеля. Это хорошо известный в физике роста тонких пленок барьер, препятствующий диффузии через ступеньку вниз. Атомы алюминия, прыгая по поверхности h-BN в поисках места для встраивания в кристалл, «притормаживают» у высоких краев и скапливаются у их основания. Чем выше ступенька, тем значительнее накопление атомов, тем выше локальная плотность зародышей нанопроволок. Когда ступенька превышает критическую высоту ~5 монослоев, соседние нанопроволоки сливаются в непрерывную нанопластину, вытянутую вдоль края.
При более низких ступеньках атомы алюминия перескакивают через барьер без задержки, и никакого особого эффекта вдоль края нет. Модель была количественно согласована с данными по зависимости плотности и высоты нанопроволок от температуры.
При росте температуры от 810 до 850°C поверхностная плотность ННК почти вдвое уменьшилась, тогда как средняя высота и ННК, и наностенок увеличилась примерно на 40–45 нм.
Это классический признак кинетически контролируемого роста: при более высокой температуре атомы алюминия диффундируют дальше, зарождается меньше отдельных нанокристаллов, но каждый из них успевает вырасти крупнее. Именно управление температурой в этом диапазоне позволяет регулировать плотность ННК на террасах и, следовательно, ширину и непрерывность наностенок вдоль ступенек.
Спектроскопия комбинационного рассеяния света показала очень узкий пик нитрида алюминия, что означает высокое качество выращенных ННК и наностенок. Положение пика совпадает с эталонным значением для ненапряженного AlN, что подтверждает слабое влияние механических напряжений — именно то, чего ожидают от вандерваальсовой эпитаксии.
Исследователи также провели демонстрационный эксперимент с управляемым рисунком наностенок. Они намеренно нанесли на тонкие слои h-BN концентрические кольцеобразные царапины методом фрикционной зондовой литографии с помощью зонда атомно-силового микроскопа. На этих искусственных ступеньках наностенки AlN выросли строго вдоль линий царапин — ровно там, куда их «попросили» встать. Появление нескольких параллельных наностенок объясняется многократными проходами иглы при литографии, каждый из которых создавал дополнительную ступеньку.
Алексей Кузнецов, научный сотрудник лаборатории функциональных наноматериалов Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ, прокомментировал суть научного достижения: «Нам удалось показать, что поверхность двумерного материала можно использовать, чтобы создавать нужные ступеньки там, где нам нужно, и получать наностенки в заранее заданных точках подложки. Мы предполагаем, что специализированные зондовые литографы с несколькими параллельными зондами и высокоскоростными сканерами в недалеком будущем смогут наносить структуры на подложки диаметром несколько сантиметров, что делает новый метод совместимым с промышленными стандартами полупроводниковой отрасли».
Практические перспективы разработки охватывают два ключевых направления.
Первое — глубоко ультрафиолетовая фотоника: линейные наностенки AlN с высоким кристаллическим совершенством могут служить оптическими резонаторами для диодов и лазеров с длиной волны до 200–210 нм. Управляемое расположение наностенок позволяет создавать фотонные схемы с заданной топологией — фазовые решетки, волноводные массивы, источники одиночных фотонов.
Второе — пьезоэлектрические наносистемы. Наностенки с заданным расположением пригодны для создания наногенераторов механической энергии, наносенсоров и наноактюаторов на гибких подложках. Такие наногенераторы могут питать автономные медицинские сенсоры, имплантируемые в тело.
Исследование поддержано Российским научным фондом (проект №23-79-00012, проект №24-12-00209 и грант №24-12-00225).
Научная статья: Albert M.Dautov, Vladimir G.Dubrovskii, Talgat Shugabaev, Vera V.Lendyashova, Konstantin P.Kotlyar, Alexey Kuznetsov, Prokhor A.Alekseev, Mikhail E.Popov, Igor V.Shtrom, Adilet Toksumakov, Davit Ghazaryan, Alesya V.Parfeneva, Aleksey V.Arsenin, Alexey D.Bolshakov, George E.Cirlin, Vladislav O.Gridchin. Topographically-guided van der Waals epitaxy: Selective growth of AlN nanowalls on h-BN step edges // Materials Science in Semiconductor Processing. 2026. V.204. 110293. DOI: https://doi.org/10.1016/j.mssp.2025.110293
