WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 | 4 |

На правах рукописи

Константинова Елизавета Александровна ФОТОЭЛЕКТРОННЫЕ ПРОЦЕССЫ В НАНОСТРУКТУРИРОВАННОМ КРЕМНИИ СО СПИНОВЫМИ ЦЕНТРАМИ Специальность: 01.04.10 – физика полупроводников

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Москва 2007

Работа выполнена на физическом факультете Московского государственного университета им. М.В.Ломоносова

Официальные оппоненты: Доктор физико-математических наук, профессор Герасименко Николай Николаевич Доктор физико-математических наук Белогорохов Александр Иванович Доктор физико-математических наук Казанский Андрей Георгиевич

Ведущая организация: Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН

Защита состоится “ " июня 2007 года в _часов на заседании диссертационного совета Д 501.001.70 при Московском государственном университете им. М.В.Ломоносова по адресу: 119992, г. Москва, ГСП-2, Ленинские горы, МГУ им. М.В.Ломоносова, физический факультет, криогенный корпус, аудитория 2-05A.

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

Автореферат разослан “” мая 2007 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Плотников Г.С.

1

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Благодаря своим уникальным свойствам наноматериалы находят широкое применение в различных областях науки и техники. Важное место среди данных объектов занимает наноструктурированный кремний. Одним из распространенных способов формирования последнего является электрохимическое травление монокристаллических подложек (c-Si), приводящее к образованию пористого слоя на поверхности. При определенных режимах приготовления непротравленные участки Si представляют собой системы пересекающихся квантовых нитей и/или относительно изолированных нанокристаллов с характерными поперечными размерами порядка нескольких нанометров. Актуальность исследования слоев пористого кремния (ПК) определяется присущим данному материалу многообразием физических свойств, возможность управления которыми достигается путем изменения молекулярного окружения и адсорбционного покрытия поверхности составляющих его нанокристаллов.

Действительно, важным свойством ПК является наличие чрезвычайно развитой (до 800 м2/г) и открытой для воздействия различных молекул окружающей среды внутренней поверхности, на которой неизбежно присутствуют образующиеся в процессе формирования, а также при адсорбции молекул точечные дефекты типа ненасыщенных химических связей, большая часть которых обладает ненулевым спином (спиновые центры (СЦ)). Последние являются центрами рекомбинации и захвата неравновесных носителей заряда, что оказывает существенное влияние на фотоэлектронные свойства ПК. С поверхностными эффектами, по-видимому, связана нестабильность люминесцентных характеристик ПК, что препятствует созданию светоизлучающих устройств на его основе. С другой стороны, наличие огромной удельной поверхности делает ПК хорошим модельным объектом для исследования фундаментальных закономерностей адсорбционных процессов, природы и свойств СЦ на поверхности нанокристаллов Si и, кроме того, открывает перспективу для новых практических приложений наноструктурированного кремния. В частности, как показывают исследования последних лет, ПК может быть использован в качестве основного элемента высокочувствительных газовых сенсоров нового поколения. Также, недавно было обнаружено, что на поверхности данного материала происходит эффективная генерация синглетного кислорода, который широко используется при лечении онкологических заболеваний.

На момент начала исследования в литературе не было единой точки зрения в отношении механизмов излучательной рекомбинации в ПК.

Отсутствие контроля концентрации СЦ и химического состава поверхности в исследуемых образцах при изучении процессов рекомбинации фотовозбужденных носителей заряда является, повидимому, причиной ряда противоречий между литературными данными по исследованию физических свойств ПК, характеризующегося исходно различным адсорбционным покрытием поверхности. Кроме того, вплоть до настоящего времени лишь единичные публикации посвящены изучению возможностей управления электронными свойствами наноструктур кремния путем изменения их молекулярного окружения.

Целью диссертационной работы было изучение фотоэлектронных процессов в наноструктурированном кремнии со СЦ, и исследование возможности управления его электронными свойствами путем адсорбции различных молекул на поверхности составляющих его нанокристаллов.

Для достижения этой цели были поставлены и решались следующие конкретные задачи:

1. Изучение природы и свойств СЦ в ПК с различным составом адсорбционного покрытия поверхности.

2. Исследование процессов рекомбинации фотовозбужденных носителей заряда в ПК в вакууме и при различном молекулярном окружении составляющих его наноструктур.

3. Исследование процессов разделения, накопления заряда и перезарядки центров захвата заряда в наноструктурах кремния.

4. Изучение влияния ионного облучения на структурные и люминесцентные свойства кремниевых нанокристаллов в слоях ПК.

5. Анализ возможности управления концентрацией равновесных свободных носителей заряда (СНЗ) в нанокристаллах кремния в слоях мезо-ПК посредством адсорбции акцепторных (на примере диоксида азота, парабензохинона, йода) и донорных (на примере пиридина, аммиака) молекул.

6. Изучение методом электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) процесса генерации синглетного кислорода и определение его концентрации в ПК при различных давлениях кислорода и интенсивностях возбуждающего света.

В настоящей работе в качестве объекта исследования был выбран ПК, формируемый электрохимическим способом, позволяющим варьировать структурные параметры составляющих его наноструктур.

Для решения поставленных задач использовались разнообразные экспериментальные и теоретические методы. Исследование физических свойств образцов проводилось методами комбинационного рассеяния света (КРС), ЭПР, оптического пропускания в видимой и инфракрасной области, фотолюминесценции (ФЛ), импульсного фотонапряжения и контактной разности потенциалов. Фотовозбуждение осуществлялось излучением непрерывных газовых лазеров, а также импульсами азотного лазера. Для описания процессов рекомбинации использовалась теоретическая модель, в основе которой лежит концепция об экситонной природе фотолюминесценции в наноструктурах кремния.

Выполненный в работе анализ поглощения инфракрасного излучения на свободных носителях заряда в кремниевых наноструктурах основан на классической модели Друде. Для анализа экспериментальных данных, полученных методом ЭПР использован подход, основанный на теории Блоха.

Достоверность и обоснованность полученных результатов определяется использованием комплекса экспериментальных методов исследования, а также сопоставлением экспериментальных данных с выводами теоретического рассмотрения изучаемых процессов.

Научная новизна работы заключается в получении фундаментальной информации о роли СЦ в фотоэлектронных процессах в наноструктурированном кремнии и в разработке физических моделей для описания его фотоэлектронных свойств и закономерностей их адсорбционно-индуцированной модификации.

1. Впервые для наноструктурированного кремния выполнено детальное исследование процессов рекомбинации фотовозбужденных носителей заряда и роли СЦ в них.

2. Обнаружен эффект «оптического легирования» ПК при фотовозбуждении составляющих его нанокристаллов.

3. Впервые исследовано влияние ионного облучения на структурные и люминесцентные свойства ПК и показано, что его радиационная стойкость существенно выше по сравнению с c-Si.

4. Впервые детально изучено влияние адсорбции акцепторных (на примере диоксида азота, парабензохинона, йода) и донорных (на примере пиридина, аммиака) молекул на электронные свойства мезоПК. Предложена модель для описания взаимодействия акцепторных и донорных молекул с поверхностью кремниевых нанокристаллов в слоях мезо-ПК.

5. Обнаружен эффект замедления спин-решёточной релаксации оборванных связей (ОС) кремния в ПК по сравнению с c-Si.

6. Реализован новый метод ЭПР-диагностики процесса генерации молекул синглетного кислорода на поверхности ПК и определения их концентрации, основанный на изменении времен релаксации ОС кремния.

Выполненные исследования поддержаны проектами РФФИ (проекты №№ 96-02-17219, 99-02-16664, 00-02-26609, 03-02-16647), программами Министерства образования и науки РФ, 6-й рамочной программой Европейского Союза (проект FP6-STRP PSY-NANO-SI, контракт NMP4CT-2004-013875), грантом ИНТАС (проект №05-104-7656).

Научные положения и научные результаты, выносимые на защиту.

1. Предложена модель рекомбинации фотовозбужденных носителей заряда в наноструктурированном кремнии, в основе которой лежит представление об экситонной природе ФЛ. Безызлучательная рекомбинация реализуется для свободных неравновесных носителей заряда на поверхностных центрах.

2. Исследованы процессы накопления заряда на поверхности нанокристаллов кремния. Предложена модель формирования фотоЭДС в наноструктурированном кремнии, объясняющая полученные экспериментальные результаты и учитывающая пространственное разделение носителей заряда вследствие различных коэффициентов диффузии фотовозбужденных электронов и дырок с последующим захватом их на поверхностные центры.

3. Изучено влияние адсорбции акцепторных (на примере диоксида азота, парабензохинона, йода) и донорных (на примере пиридина, аммиака) молекул на поверхности мезо-ПК на его электронные свойства.

Предложена модель взаимодействия данных молекул с поверхностью кремниевых нанокристаллов в слоях мезо-ПК, которая позволяет объяснить изменение концентрации свободных носителей заряда в объеме нанокристаллов в процессе адсорбции.

4. Обнаружен эффект замедления спин-решёточной релаксации ОС кремния в ПК по сравнению с c-Si. Дано объяснение данного эффекта, учитывающее изменение электрон-фононного взаимодействия в наноструктурированном кремнии по сравнению с c-Si.

5. Реализован метод ЭПР-диагностики процесса генерации синглетного кислорода в ансамблях кремниевых нанокристаллов и определения его концентрации. В основе метода лежит изменение времен релаксации СЦ - ОС кремния.

Научная и практическая значимость работы обусловлена тем, что совокупность полученных в ней результатов характеризует фотоэлектронные свойства наноструктурированного кремния в зависимости от условий формирования, хранения и молекулярного окружения входящих в его состав нанокристаллов. Полученные в диссертации результаты могут быть использованы для разработки новых устройств на основе ПК и развития новых методов управления концентрацией равновесных СНЗ, диагностики генерации и определения концентрации синглетного кислорода в кремниевых нанокристаллах в слоях ПК. В частности, для практических применений могут быть полезны следующие результаты:

1. Обнаруженное в ПК резкое увеличение концентрации равновесных СНЗ при адсорбции акцепторных молекул может быть использовано в технологии изготовления легированных наноструктурированных полупроводников.

2. Обнаруженный в ПК эффект перезарядки поверхностных состояний при освещении с временами «запоминания» заряда длительностью несколько часов может быть использован для разработки элементов памяти на основе данного материала.

3. Полученные в работе сведения о повышенной радиационной стойкости ПК по сравнению с c-Si позволяют рекомендовать использование микроэлектронных устройств на основе данного материала в условиях повышенной радиации.

4. Предложенный в работе метод ЭПР-диагностики процесса генерации синглетного кислорода и определения его концентрации в ПК может быть использован для биомедицинских применений, в частности, для фотодинамической терапии онкологических заболеваний с применением кремниевых нанокристаллов.

Личный вклад автора в проведенное исследование. Личный вклад автора заключается в выборе направления исследования, формулировке и постановке цели и задач работы, непосредственном участии в проведении всех экспериментов, проведении теоретических исследований, обработке и интерпретации полученных результатов, написании статей и подготовке докладов.

Апробация работы проведена в ходе выступлений на российских и международных научных конференциях и симпозиумах, в том числе:

международных симпозиумах E-MRS Spring Meeting (Страсбург, 1993, 1994, 1995, 1999), XXII конференции по эмиссионной электронике (Москва, 1994); IV Всероссийской научно-технической конференции "Физика окисных пленок" (Петрозаводск, 1994), международных симпозиумах "Наноструктуры: физика и технология" (С.-Петербург, 1995, 1997), международных симпозиумах "Advanced Laser Technology" (Прага, 1995;

Хераклион, 1996; Лиможес, 1997), II и III международных конференциях по физике низкоразмерных структур PLDS-2,3 (Дубна, 1995, Черноголовка, 2001), международной конференции для молодых ученых "Физика твердого тела: фундаментальные и практические приложения" (Ужгород, 1995), Всероссийской конференции "Проблемы Фундаментальной Физики" (Саратов, 1996), X Российском Симпозиуме по растровой электронной микроскопии и аналитическим методам исследования твердых тел (Черноголовка, 1997), III Российской конференции по физике полупроводников, (Москва, 1997), II-V международных конференциях по пористым полупроводникам: наука и технология PSST (Майорка, 1998;

Мадрид, 2000; Teнерифe, 2002; Куйера – Валенсия, 2004; Ситжес - Барселона, 2006), международной конференции молодых учёных и инженеров ”Оптика-99” (С.-Петербург, 1999), XVII международной конференции по когерентной и нелинейной оптике ICONO (Минск, 2001), V Всероссийской молодежной конференции по физике полупроводников и полупроводниковой опто- и наноэлектронике (С.-Петербург, 2003), IV международной конференции по аморфным и микрокристаллическим полупроводникам (С.-Петербург, 2004), III международной конференции "Фундаментальные проблемы оптики-2004" (С.-Петербург, 2004), российской конференции "Ломоносовские Чтения" (Москва, 2004), международной конференции по аморфным и нанокристаллическим полупроводникам ICANS 21 (Лиссабон, 2005).

Pages:     || 2 | 3 | 4 |






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