The Path to a Porous Semiconductor Multilayer

Thin films are the basis of much of recent technological advance, ranging from coatings with mechanical or optical benefits to platforms for nanoscale electronics. In the latter, semiconductors have been the norm ever since silicon became the main construction material for a multitude of electronical components. The array of characteristics of silicon-based systems can be widened by manipulating the structure of the thin films at the nanoscale - for instance, by making them porous. The different characteristics of different films can then to some extent be combined by simple superposition. Thin films can be manufactured using many different methods. One emerging field is cluster beam deposition, where aggregates of hundreds or thousands of atoms are deposited one by one to form a layer, the characteristics of which depend on the parameters of deposition. One critical parameter is deposition energy, which dictates how porous, if at all, the layer becomes. Other parameters, such as sputtering rate and aggregation conditions, have an effect on the size and consistency of the individual clusters. Understanding nanoscale processes, which cannot be observed experimentally, is fundamental to optimizing experimental techniques and inventing new possibilities for advances at this scale. Atomistic computer simulations offer a window to the world of nanometers and nanoseconds in a way unparalleled by the most accurate of microscopes. Transmission electron microscope image simulations can then bridge this gap by providing a tangible link between the simulated and the experimental. In this thesis, the entire process of cluster beam deposition is explored using molecular dynamics and image simulations. The process begins with the formation of the clusters, which is investigated for Si/Ge in an Ar atmosphere. The structure of the clusters is optimized to bring it as close to the experimental ideal as possible. Then, clusters are deposited, one by one, onto a substrate, until a sufficiently thick layer has been produced. Finally, the concept is expanded by further deposition with different parameters, resulting in multiple superimposed layers of different porosities. This work demonstrates how the aggregation of clusters is not entirely understood within the scope of the approximations used in the simulations; yet, it is also shown how the continued deposition of clusters with a varying deposition energy can lead to a novel kind of nanostructured thin film: a multielemental porous multilayer. According to theory, these new structures have characteristics that can be tailored for a variety of applications, with precision heretofore unseen in conventional multilayer manufacture.

Teknologinen edistys perustuu elektronisten komponenttien rakentamiseen yhä pienemmällä mittakaavalla. Systeemien lähestyessä atomien kokoluokkaa havaitaan piin kaltaisissa elektroniikan rakenneaineissa ilmiöitä, jotka poikkeavat kyseisten aineiden tunnetuista ominaisuuksista. Näitä ilmiöitä voidaan käyttää hyväksi uusissa teknologisissa sovellutuksissa. Yksi esimerkki tällaisesta systeemistä on sadoista tai tuhansista atomeista koostuva atomiryväs. Suuresta määrästä rypäitä voidaan koota huokoisia kalvoja, joissa yksittäisten rypäiden ominaisuuksista voidaan hyötyä käytännöllisellä mittakaavalla. Sekä kalvojen huokoisuus että yksittäisten rypäiden koko riippuu kokoamisprosessin parametreistä. Tämän kokoluokan ilmiöitä ei ole mahdollista tarkastella kokeellisesti. Sen sijaan atomistisia tietokonesimulaatioita voidaan käyttää nanometrien ja nanosekuntien mittakaavalla havaittavien ilmiöiden kuvantamiseen. Simulaatioiden avulla tällaisten systeemien käyttäytymistä voidaan kartoittaa ja jopa ennustaa. Tässä väitöskirjatyössä mallinnetaan huokoisten kalvojen rakentamisprosessia atomistisilla simulaatioilla. Koko prosessi koostuu rypäiden muodostumisesta, niiden asettumisesta lopulliseen muotoonsa, niiden muodostumisesta huokoisiksi kalvoiksi sekä lopulta useimpien kalvojen päällekkäinkasvattamisesta. Tämä työ osoittaa sen, kuinka rypäiden muodostumisprosessia ei vielä täysin ymmärretä; lisäksi työ todistaa sen, että jatkuvalla kalvojen kasvattamisella voidaan saada aikaan uudenlainen rakenne eli monesta alkuaineesta koostuva huokoinen monikerrosrakenne. Näistä rakenteista on tulevaisuudessa paljon hyötyä uusia elektronisia sovellutuksia kehiteltäessä.