The hetero-epitaxial strain relaxation in nano-scale systems plays a fundamental role in shaping their properties. Here, the elastic and plastic relaxation of self-assembled SiGe islands grown by surface-thermal-diffusion from a local Ge solid source on Si(100) are studied by atomic force and transmission electron microscopies, enabling the simultaneous investigation of the strain relaxation in different dynamical regimes. Islands grown by this technique remain dislocation-free and preserve a structural coherence with the substrate for a base width as large as 350 nm. The results indicate that a delay of the plastic relaxation is promoted by an enhanced Si-Ge intermixing, induced by the surface-thermal-diffusion, which takes place already in the SiGe overlayer before the formation of a critical nucleus. The local entropy of mixing dominates, leading the system toward a thermodynamic equilibrium, where non-dislocated, shallow islands with a low residual stress are energetically stable. These findings elucidate the role of the interface dynamics in modulating the lattice distortion at the nano-scale, and highlight the potential use of our growth strategy to create composition and strain-controlled nano-structures for new-generation devices.

1.
Y. W.
Mo
,
D. E.
Savage
,
B. S.
Swartzentruber
, and
M. G.
Lagally
,
Phys. Rev. Lett.
65
,
1020
(
1990
).
2.
J.-N.
Aqua
,
I.
Berbezier
,
L.
Favre
,
T.
Frisch
, and
A.
Ronda
,
Phys. Rep.
522
,
59
(
2013
).
3.
M.
Brehm
,
F.
Montalenti
,
M.
Grydlik
,
G.
Vastola
,
H.
Lichtenberger
,
N.
Hrauda
,
M. J.
Beck
,
T.
Fromherz
,
F.
Schäffler
,
L.
Miglio
, and
G.
Bauer
,
Phys. Rev. B
80
,
205321
(
2009
).
4.
G.
Medeiros-Ribeiro
,
A. M.
Bratkovski
,
T. I.
Kamins
,
D. A. A.
Ohlberg
, and
R. S.
Williams
,
Science
279
,
353
(
1998
).
5.
M.
Stoffel
,
A.
Rastelli
,
J.
Tersoff
,
T.
Merdzhanova
, and
O.
Schmidt
,
Phys. Rev. B
74
,
155326
(
2006
).
6.
S. A.
Chaparro
,
J.
Drucker
,
Y.
Zhang
,
D.
Chandrasekhar
,
M. R.
McCartney
, and
D. J.
Smith
,
Phys. Rev. Lett.
83
,
1199
(
1999
).
7.
M.
De Seta
,
G.
Capellini
,
F.
Evangelisti
, and
C.
Spinella
,
J. Appl. Phys.
92
,
614
(
2002
).
8.
A.
Rastelli
,
M.
Stoffel
,
A.
Malachias
,
T.
Merdzhanova
,
G.
Katsaros
,
K.
Kern
,
T.
Metzger
, and
O. G.
Schmidt
,
Nano Lett.
8
,
1404
(
2008
).
9.
F. K.
LeGoues
,
M. C.
Reuter
,
J.
Tersoff
,
M.
Hammar
, and
R. M.
Tromp
,
Phys. Rev. Lett.
73
,
300
(
1994
).
10.
T.
Merdzhanova
,
S.
Kiravittaya
,
A.
Rastelli
,
M.
Stoffel
,
U.
Denker
, and
O. G.
Schmidt
,
Phys. Rev. Lett.
96
,
226103
(
2006
).
11.
M.-I.
Richard
,
T. U.
Schülli
, and
G.
Renaud
,
Appl. Phys. Lett.
99
,
161906
(
2011
).
12.
M.-I.
Richard
,
A.
Malachias
,
J.-L.
Rouvière
,
T.-S.
Yoon
,
E.
Holmström
,
Y.-H.
Xie
,
V.
Favre-Nicolin
,
V.
Holý
,
K.
Nordlund
,
G.
Renaud
, and
T.-H.
Metzger
,
Phys. Rev. B
84
,
075314
(
2011
).
13.
H.
Ye
,
Z.
Yu
,
P.
Lu
,
Y.
Liu
, and
L.
Han
,
J. Appl. Phys.
114
,
093504
(
2013
).
14.
G.
Capellini
,
M.
De Seta
,
L.
Di Gaspare
 et al.,
J. Appl. Phys.
98
,
124901
(
2005
).
15.
G. M.
Vanacore
,
M.
Zani
,
G.
Isella
,
J.
Osmond
,
M.
Bollani
, and
A.
Tagliaferri
,
Phys. Rev. B
82
,
125456
(
2010
).
16.
G. M.
Vanacore
,
M.
Zani
,
M.
Bollani
,
D.
Colombo
,
G.
Isella
,
J.
Osmond
,
R.
Sordan
, and
A.
Tagliaferri
,
Nanoscale Res. Lett.
5
,
1921
(
2010
).
17.
G. M.
Vanacore
,
M.
Zani
,
M.
Bollani
,
E.
Bonera
,
G.
Nicotra
,
J.
Osmond
,
G.
Capellini
,
G.
Isella
, and
A.
Tagliaferri
,
Nanotechnology
25
,
135606
(
2014
).
18.
G.
Katsaros
,
P.
Spathis
,
M.
Stoffel
,
F.
Fournel
,
M.
Mongillo
,
V.
Bouchiat
,
F.
Lefloch
,
A.
Rastelli
,
O. G.
Schmidt
, and
S.
De Franceschi
,
Nat. Nanotechnol.
5
,
458
(
2010
).
19.
F. A.
Zwanenburg
,
A. S.
Dzurak
,
A.
Morello
,
M. Y.
Simmons
,
L. C. L.
Hollenberg
,
G.
Klimeck
,
S.
Rogge
,
S. N.
Coppersmith
, and
M. A.
Eriksson
,
Rev. Mod. Phys.
85
,
961
(
2013
).
20.
D.
Chrastina
,
G. M.
Vanacore
,
M.
Bollani
,
P.
Boye
,
S.
Schöder
,
M.
Burghammer
,
R.
Sordan
,
G.
Isella
,
M.
Zani
, and
A.
Tagliaferri
,
Nanotechnology
23
,
155702
(
2012
).
21.
G. M.
Vanacore
,
M.
Chaigneau
,
N.
Barrett
,
M.
Bollani
,
F.
Boioli
,
M.
Salvalaglio
,
F.
Montalenti
,
N.
Manini
,
L.
Caramella
,
P.
Biagioni
,
D.
Chrastina
,
G.
Isella
,
O.
Renault
,
M.
Zani
,
R.
Sordan
,
G.
Onida
,
R.
Ossikovski
,
H.-J.
Drouhin
, and
A.
Tagliaferri
,
Phys. Rev. B
88
,
115309
(
2013
).
22.
G. M.
Vanacore
,
Nuovo Cimento C
35
,
49
58
(
2012
).
23.
E.
Bonera
,
M.
Bollani
,
D.
Chrastina
,
F.
Pezzoli
,
A.
Picco
,
O. G.
Schmidt
, and
D.
Terziotti
,
J. Appl. Phys.
113
,
164308
(
2013
).
24.
G.
Isella
,
D.
Chrastina
,
B.
Rössner
,
T.
Hackbarth
,
H.-J.
Herzog
,
U.
König
, and
H.
von Känel
,
Solid-State Electron.
48
,
1317
(
2004
).
25.
See www.gwyddion.net for GWYDDION.
26.
M.
Brehm
,
M.
Grydlik
,
H.
Lichtenberger
,
T.
Fromherz
,
N.
Hrauda
,
W.
Jantsch
,
F.
Schäffler
, and
G.
Bauer
,
Appl. Phys. Lett.
93
,
121901
(
2008
).
27.
S. A.
Chaparro
,
Y.
Zhang
, and
J.
Drucker
,
Appl. Phys. Lett.
76
,
3534
(
2000
).
28.
G.
Capellini
,
M.
De Seta
,
Y.
Busby
,
M.
Pea
,
F.
Evangelisti
,
G.
Nicotra
,
C.
Spinella
,
M.
Nardone
, and
C.
Ferrari
,
J. Appl. Phys.
107
,
063504
(
2010
).
29.
Y.
Zhiheng
,
D. A.
Muller
, and
J.
Silcox
,
J. Appl. Phys.
95
,
3362
(
2004
).
30.
G.
Medeiros-Ribeiro
and
R. S.
Williams
,
Nano Lett.
7
,
223
(
2007
).
31.
Y.
Tu
and
J.
Tersoff
,
Phys. Rev. Lett.
98
,
096103
(
2007
).
32.
A.
Marzegalli
,
V. A.
Zinovyev
,
F.
Montalenti
,
A.
Rastelli
,
M.
Stoffel
,
T.
Merdzhanova
,
O. G.
Schmidt
, and
Leo
Miglio
,
Phys. Rev. Lett.
99
,
235505
(
2007
).
33.
R.
Gatti
,
A.
Marzegalli
,
V. A.
Zinovyev
,
F.
Montalenti
, and
L.
Miglio
,
Phys. Rev. B
78
,
184104
(
2008
).
34.
F.
Pezzoli
,
E.
Bonera
,
E.
Grilli
,
M.
Guzzi
,
S.
Sanguinetti
,
D.
Chrastina
,
G.
Isella
,
H.
von Känel
,
E.
Wintersberger
,
J.
Stangl
, and
G.
Bauer
,
J. Appl. Phys.
103
,
093521
(
2008
).
35.
A.
Picco
,
E.
Bonera
,
F.
Pezzoli
,
E.
Grilli
,
O. G.
Schmidt
,
F.
Isa
,
S.
Cecchi
, and
M.
Guzzi
,
Nanoscale Res. Lett.
7
,
633
(
2012
).
36.
E.
Bonera
,
F.
Pezzoli
,
A.
Picco
,
G.
Vastola
,
M.
Stoffel
,
E.
Grilli
,
M.
Guzzi
,
A.
Rastelli
,
O. G.
Schmidt
, and
L.
Miglio
,
Phys. Rev. B
79
,
075321
(
2009
).
37.
M.
Brehm
,
H.
Lichtenberger
,
T.
Fromherz
, and
G.
Springholz
,
Nanoscale Res. Lett.
6
,
70
(
2011
).
38.
F.
Ross
,
R.
Tromp
, and
M.
Reuter
,
Science
286
,
1931
(
1999
).
39.
G.
Capellini
,
M.
De Seta
, and
F.
Evangelisti
,
Appl. Phys. Lett.
78
,
303
(
2001
).
40.
M.
Floyd
,
Y.
Zhang
,
K. P.
Driver
,
J.
Drucker
,
P. A.
Crozier
, and
D. J.
Smith
,
Appl. Phys. Lett.
82
,
1473
(
2003
).
You do not currently have access to this content.