WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени М.В. Ломоносова ФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

На правах рукописи

ЛУКЬЯНОВА Елена Николаевна ПРОЯВЛЕНИЕ ФАЗОВОГО ПЕРЕХОДА ЛЕД-ВОДА В ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ТРАНСПОРТЕ СИСТЕМЫ ПОРИСТЫЙ КРЕМНИЙ – АДСОРБИРОВАННАЯ ВОДА Специальность 01.04.17 Химическая физика, в том числе физика горения и взрыва

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва – 2006

Работа выполнена на кафедре общей физики и молекулярной электроники физического факультета Московского государственного университета им. М.В.Ломоносова

Научный консультант: доктор физико-математических наук, профессор Козлов Сергей Николаевич

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник Казанский Андрей Георгиевич доктор физико-математических наук, Белогорохов Александр Иванович

Ведущая организация: Санкт-Петербургский государственный университет

Защита состоится «»_2006 г. в _ на заседании диссертационного совета Д 501.001.31 в Московском государственном университете им. М.В. Ломоносова по адресу: 119992 ГСП-2, Москва, Ленинские горы, МГУ, физический факультет, корпус нелинейной оптики, аудитория им. Ахманова.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультета МГУ им. Ломоносова.

Автореферат разослан «»_2006 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 501.001.31 МГУ им. М.В. Ломоносова, кандидат физико-математических наук, доцент Ильинова Т.М.

1

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы В настоящее время монокристаллический кремний (c-Si) представляет собой основной материал микроэлектронной технологии. На базе c-Si выпускаются разнообразные полупроводниковые приборы от дискретных диодов и транзисторов до сверхсложных интегральных схем и процессоров.

Электронные свойства кремния можно изменить посредством формирования на его основе наноструктур – пространственно разделенных кремниевых участков с размерами в несколько нанометров. В этом случае носители заряда (электроны и дырки) приобретают дополнительную энергию вследствие квантового размерного эффекта.

Пористый кремний (ПК) представляет собой нанокристаллический остов, пронизанный сеткой из пор, где квантовые эффекты играют фундаментальную роль. Поэтому ПК можно рассматривать как квантовую губку, и как губка он может пропитываться различными химическими веществами. ПК обладает уникальными физическими свойствами и, в принципе, совместим с кремниевой технологией в микроэлектронике.

В последние несколько лет было показано, что ПК, полученный электролитическим травлением кристаллического кремния, может рассматриваться в качестве перспективного оптоэлектронного материала.

Заманчивые перспективы использования этого материала обусловили значительный интерес к нему промышленных фирм и исследовательских лабораторий. Ведутся интенсивные исследования свойств ПК и приборных структур на его основе, однако многие свойства ПК остаются не вполне ясными.

Минимальные размеры сечения кремниевых нитей и их изолированных участков (кластеров) в пористом слое составляют, по данным электронной микроскопии, единицы нанометров. Пористый кремний обычно формируется как слой на поверхности пластины c-Si, что очень важно для использования в микроэлектронике. ПК характеризуется очень большой внутренней поверхностью (500 м2/см3). Она пассивирована, однако, остается химически высоко активной, что является существенной особенностью ПК.

Огромная внутренняя поверхность ПК существенно влияет на его свойства. Эти особенности ведут к успехам и неудачам практического использования ПК при решении различных задач. Разрабатываются многие возможные применения квантовому ограничению (например, светоизлучающие диоды), высокой химической активности его поверхности (газовые сенсоры). Использование ПК в коммерческих устройствах основывается на применении квантовой природы этих губок. Беспорядочное распределение нанокристаллов по размерам, взаимодействие с окружающей средой и непрерывно меняющийся состав поверхности затрудняет практическое использование ПК. Его огромная и активная внутренняя поверхность подвергается воздействию окружающей среды и свойства ПК со временем изменяются (эффект старения).

Вместе с тем эффект старения изучен недостаточно. Поэтому одной из задач, которой посвящено настоящее исследование, является выяснение изменения его химических и физических свойств под воздействием окружающей среды: воздуха и паров воды.

Интересно исследование воды, заключенной в твердотельной матрице пор ПК. Несмотря на то, что ПК часто контактирует с водой (например, в процессе образования, во время анодного окисления, при электролюминесценции в жидкой фазе, в процессе высушивания замерзанием и др.), механизм взаимодействия воды с ПК выяснен далеко не полностью. Особенно неясным остается вопрос о влиянии фазового перехода вода–лед на свойства пористого кремния с адсорбированной водой.

Свойства воды, заключенной в пористых материалах, существенно отличаются от свойств «объемной» воды. Например, температура фазового перехода вода–лед воды, адсорбированной в слоях ПК, понижена по сравнению с «объемной» водой. Снижение температуры фазового перехода в микрокапиллярах твердотельных матриц ранее регистрировалось методами калориметрии, ядерного магнитного резонанса и дифракции нейтронов.

Однако проблеме электрического транспорта в системе пористый кремний– адсорбированная вода в той области температур, где возможен фазовый переход вода–лед, не уделялось в литературе должного внимания. Вместе с тем известно, что электрический транспорт в жидкой и замерзшей воде отличается от электрического транспорта в «объемной» воде.

Изучение электрического транспорта в системе пористая твердотельная матрица–адсорбированная вода, с одной стороны, позволило бы получить новую информацию о механизме протонной проводимости в дисперсных системах, а с другой – разработать новый метод регистрации фазового перехода, который можно использовать в микрообъектах (в отличие от всех перечисленных выше).

Основная задача работы Исследование особенностей электропереноса в пористом кремнии и окисленном пористом кремнии с адсорбированной водой в области температур вблизи фазового перехода вода-лед в зависимости от состояния поверхности пористого слоя. Для этого необходимо знать, что происходит с поверхностью ПК при воздействии воздуха и паров воды, а также каковы закономерности токопереноса через систему ПК-адсорбированная вода.

Для решения основной задачи было необходимо:

1. Исследовать изменения состояния поверхности слоя ПК при длительном воздействии воздуха и паров воды спектроскопическими методами.

2. Исследовать кинетику изменения электропроводности твердотельной матрицы при адсорбции и десорбции воды в пористом кремнии и пористом окисленном кремнии.

3. Изучить электроперенос в микрокапиллярах систем ПК-Н2О, ОПК-Н2О и плотно упакованных частиц SiO2 с адсорбированной водой в области температур вблизи фазового перехода вода-лед.

4. Исследовать изменение проводимости систем Ме-ПК-Si и Ме-ОПК-Si вблизи фазового перехода вода-лед в зависимости от состояния гидратного покрова поверхности пористого слоя.

Научная новизна работы 1. Впервые обнаружено резкое (на один–два порядка) изменение проводимости системы ПК-адсорбированная вода в области температур вблизи фазового перехода вода-лед в микрокапиллярах систем Si-ПК-Ме, Si-ОПК-Ме и плотно упакованных частиц SiO2.

2. Впервые выявлена корреляция между изменением состояния поверхности ПК и электропереносом в системе ПК-адсорбированная вода в процессе длительного воздействия воздуха и паров воды.

3. Впервые исследована зависимость от температуры проводимости воды, заключенной в микрокапилляры твердотельной матрицы, при различных состояниях поверхности пор. Обнаружено, что скачок проводимости, связанный с фазовым переходом лед-вода, для пористой структуры зависит от степени гидратации поверхности пористого слоя.

4. Установлено, что скачок проводимости системы Si-ПК(H2O)-Ме в области фазового перехода лед-вода не связан с необратимой деформацией достаточно хрупкой структуры пористого кремния при фазовом переходе лед-вода.

5. Впервые обнаружено, что при длительном выдерживании структуры Si-ПК-Ме в парах воды изменяется соотношение электронной и дырочной составляющих тока, протекающего через эту структуру.

Практическая ценность работы состоит в новом предложенном методе регистрации фазового перехода лед-вода по проводимости, который может быть использован для определения среднего размера пор в твердотельной матрице, а при дальнейшем развитии и для вычисления функции распределения пор по радиусам. Кроме того, полученные в настоящей работе данные по влиянию окружающей среды на поверхностные свойства слоя ПК, могут быть использованы при разработке химических сенсоров, элементов оптоэлектроники на базе пористого кремния.

Положения, выносимые на защиту 1. Впервые обнаруженный эффект резкого (на один–два порядка) изменения проводимости системы ПК-адсорбированная вода в области температур вблизи фазового перехода вода-лед.

2. Новые данные, выявляющие корреляцию между изменением состояния поверхности ПК и электропереносом в системе ПК-адсорбированная вода в процессе длительного воздействия воздуха и паров воды.

3. Новую информацию о зависимости от температуры проводимости воды, заключенной в микрокапилляры твердотельной матрицы, при различных состояниях гидратного покрова поверхности пор.

4. Новые данные о зависимости скачка проводимости в области фазового перехода лед-вода от степени гидратации поверхности пористого слоя.

Апробация работы Результаты работы докладывались на Всероссийской конференции «Физические проблемы экологии 99», Москва, 1999; VI, VII, X Всероссийской конференции «Структура и динамика молекулярных систем», Казань, «Яльчик-99, 1999, «Яльчик-2000», 2000, «Яльчик-03», 2003;

II Всероссийской конференции молодых ученых «Современные проблемы теоретической и экспериментальной химии», Саратов, 1999; II and IV International Conference «Porous Semiconductors - Science and Technology» «PSST-2000» Madrid, Spain, 2000, «PSST-2004» Cullera-Valencia, Spain, 2004;

VII Международной конференции студентов и аспирантов по фундаментальным наукам «Ломоносов-2000», Москва, 2000; VI и X Международной конференции «Физика диэлектриков», «Диэлектрики2000», Санкт-Петербург, 2000, «Диэлектрики-2004», Санкт-Петербург, 2004.

По материалам диссертации опубликовано 4 печатные работы.

Структура работы Диссертация состоит из введения, трех глав, включающих в себя:

обзор литературы, методику эксперимента, в которую входят описание материалов и методов, результаты собственных исследований и их обсуждение; выводов, списка цитируемой литературы, включающего источника отечественных и зарубежных авторов. Работа изложена на страницах машинописного текста, содержит 4 таблицы и 51 рисунок.

Личный вклад Все приведенные в диссертации результаты получены при непосредственном участии автора.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дается общая характеристика работы, обосновывается актуальность исследуемой темы, формулируются основные задачи и цели исследования, излагается научная новизна и практическая ценность полученных результатов.

Первая глава представляет собой обзор литературы по теме диссертационной работы. В главе кратко изложены методы получения пористого кремния. Рассмотрены электрохимические процессы, происходящие на границе кремний/электролит при получении пористого слоя. Приведены современные модели формирования пор. Подробно рассмотрены и проанализированы условия формирования пор и факторы, влияющие на процесс образования микроструктуры пористого слоя.

Описаны структурные свойства пористого кремния. Обсуждается химический состав свежеприготовленного слоя пористого кремния, а также влияние окружающей среды на процессы старения структур. Кроме того, рассматриваются транспортные свойства пористого кремния. Особое внимание уделено фазовому переходу вода–лед для воды, заключенной в твердотельную матрицу пористого кремния.

Вторая глава посвящена методике эксперимента. Приведено подробное описание условий получения всех использованных структур, даны основные параметры исследованных образцов. Рассмотрено устройство вакуумно-адсорбционной установки, на которой проводились исследования образцов. Приведено описание методик измерения статических ВАХ структур. Подробно рассмотрен метод записи спектров ИК поглощения в слое ПК с помощью двулучевого ИК спектрометра. Дано описание метода получения импедансных характеристик структур.

Приведены технические характеристики установок.

В третьей главе представлены основные экспериментальные данные, полученные в рамках диссертационной работы, и их обсуждение.

Анализ литературы показал, что до сих пор не установлена корреляция между химическими процессами, происходящими на поверхности ПК при его «старении» на воздухе и в парах воды, и изменениями в механизмах зарядового транспорта по слою ПК. Установление такой корреляции важно как для выяснения механизмов проводимости в пористом кремнии, так и для решения практических проблем химической сенсорики.

На рис. 1 представлена серия ВАХ системы Si–ПК–Me, снятых в вакууме и после выдерживания в насыщенных парах воды в течение 2-суток. Видно, что в исходном состоянии проводимость системы в вакууме очень мала.

Заметные изменения проводимости начинают происходить после напуска в рабочую ячейку насыщенных паров воды. Взаимодействие поверхности ПК с парами воды в течение 10-12 часов приводит к резкому увеличению тока через структуру в области отрицательных напряжений, приложенных к металлическому электроду. Это означает, что фактором, ограничивающим протекание тока в «прямом» направлении, является инжекция дырок из кремния в слой ПК.

-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 1 0 -1 --2 -0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 0,-3 - 0, -4 -0,20 -5 -0, -6 0,10 -0,-7 -0,-8 --20 -15 -10 -5 0 5 10 15 U, В Рис. 1. ВАХ структуры кремний-ПК-металл в вакууме (1) и после выдерживания в насыщенных парах воды в течение 1 (2), 2 (3), 4 (4) и 5 (5) суток. Толщина пористого слоя 7 мкм.

Pages:     || 2 | 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»