The self-organized growth of nanodots and size selection are studied using reaction kinetic model rate equations. Two independent numerical methods and a mesoscopic continuous model are used to solve and analytically predict the details of the stationary nanodot size distribution.
The strongly reversible growth of kinetic origin is studied. The power-law distributions which are common in nature, display scaling of the size distribution with clearly defined scaling exponents. The stochastic simulation results and predictions of continuous model are in good agreement.
The self assembly of nanodots, observed in experiments and enabling the industrial use of dots in electronics, arises from the strain in heteroepitaxial growth systems and leads to uniform size distributions. To model the size selection, the size dependent thermodynamical energy of the nanodot is included into the reaction kinetics. The resulting distribution is studied in detail to resolve the overshooting phenomenon in which the mean of the distribution exceeds the thermodynamically favored size. The physical origin of the overshooting is explained as a combination of the reaction kinetics and the thermodynamical energy. The skewness of the size distribution is found from the numerical data, and it is added into the continuous model as a parameter to obtain an analytical estimate of the mean size.
The predictions of overshooting are calculated for two different types of growth; the 3D metal nanodots and semiconductor nanodots with double-well thermodynamical energy. The optimal, narrow size distributions are found, and external adatom flux from e.g. an external adatom source or ion beam assisted deposition improves the size selection by driving the size distribution to the narrowest location. Nucleation theory calculations of the thermodynamically stable distributions are performed, and the results are comparable to numerical and modelling results.Tutkimuksen aiheena on metalli- ja puolijohdenanopisteiden itsejärjestäytyvän kasvun mallintaminen. Tarkasteltavat nanorakenteet ovat kooltaan riittävän pieniä kvantti-ilmiöiden esiintymiseen, minkä vuoksi niillä on lukuisia sovelluskohteita mm. optiikassa, elektroniikassa ja lääketieteessä. Sovelluksia varten on tärkeää pystyä tuottamaan tehokkaasti suuria määriä keskenään samankokoisia nanopisteitä. Itsejärjestyminen on lupaava ja edullinen menetelmä, jonka lähtökohtana on heteroepitaksiaalinen kasvu, eli kasvatusalustan ja nanopistemateriaalin hilavakiot eroavat hieman toisistaan.
Itsejärjestäytyneiden nanopisteiden stationaarisen kokojakauman yksityiskohtia selvitetään kahdella numeerisella menetelmällä ja ennustetaan analyyttisesti mesoskooppisella jatkumomallilla. Kaikki käytetyt menetelmät perustuvat yksinkertaistettuun reaktiokineettiseen kasvuyhtälömalliin. Koon valikoitumisen mallintamiseksi sisällytetään nanopisteen termodynaaminen, koosta riippuva energia mukaan reaktiokinetiikkaan. Nanopistejakaumaa tutkitaan yksityiskohtaisesti overshooting-ilmiön selvittämiseksi; ilmiössä nanopisteiden kokojakauman keskikohta ylittää termodynaamisesti valikoituvan koon.
Kokojakauman paikka ennustetaan kahdelle erilaiselle kasvutilanteelle: 3D metallinanopisteille sekä sellaisille puolijohdenanopisteille, joiden termodynaamisella energialla on kaksi minimiä. Kapein kokojakauma saavutetaan, kun kasvuprosessin aikana pinnalla vapaana liikkuvien atomien vuota suurennetaan ulkoisen atomilähteen tai ionisuihkun avulla. Nukleaatioteorian mukaiset laskelmat nanopisteiden kokojakaumista ovat verrattavissa numeerisiin tuloksiin ja analyyttisen mallin antamiin tuloksiin. Tutkimuksessa käytettyä reaktiokineettistä kasvumallia voidaan siis käyttää itsejärjestäytyneiden nanopisteiden koon ennustamiseen
