WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 | 4 |

Публикация результатов работы. По материалам диссертации опубликовано 66 работ, в том числе 33 статьи в реферируемых журналах, из которых 18 статей (т.е. 55% основных работ диссертанта) в журналах, определенных ВАК Минобразования РФ для публикации научных результатов докторских диссертаций, и 33 тезиса докладов в материалах научных конференций и симпозиумов.

Структура и объем работы. Диссертация содержит введение, три главы, заключение, приложение и список литературы. Общий объем диссертации составляет 279 страниц машинописного текста, содержащих текст работы, рисунков, 10 таблиц, список использованных литературных источников, содержащий 170 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цели и конкретные задачи исследования, показана научная новизна и практическая значимость полученных результатов, изложены основные положения работы, выносимые на защиту.

Первая глава диссертации посвящена теоретическому и экспериментальному исследованию процессов рекомбинации фотовозбужденных носителей заряда в наноструктурах кремния. В начале главы приведен анализ имеющихся в литературе основных сведений о способах получения, 1,структурных свойствах и x0,химическом составе поверхности ПК. Вво0,3 дится величина порис0,тости p=1-ПК/Si (ПК – 0,плотность ПК, Si – 0,480 490 500 510 520 530 плотность c-Si) и Волновое число, см-классификация ПК по Рис.1. Спектры комбинационного рассеяния света c-Si (1), мезо-ПК (2) и размерам пор: 2 нм и микро-ПК (3).

менее – микро-ПК; более 2 нм, но менее 50 нм – мезо-ПК [1]. Далее излагаются оригинальные результаты по формированию и структурным свойствам образцов микроПК, исследуемых в данной главе; приводится информация о способах получения и очистки используемых в работе химических веществ– адсорбатов. Для формирования микро-ПК использовались пластины c-Si, легированные бором, с удельным сопротивлением 10…20 Ом·см, электролит состоял из водного раствора плавиковой кислоты с добавлением этилового спирта. Пористость образцов составляла 70-80 %.

Данные о структурных свойствах (характерных размерах и форме наноструктур) образцов определялись по спектрам КРС (рис.1) с использованием модели ограничения фононов в кремниевых нанокристаллах [2]. Как следует из проведенного анализа, для микро-ПК наилучшим является приближение нанокристаллов сферической формы с Интенсивность, отн. ед диаметром 2 – 4 нм. Для сравнения указывается, что в структуре мезо-ПК присутствуют нанокристаллы нитевидной формы с сечением около 10 нм.

В данной главе исследована природа СЦ и определена их концентрация (Ns) на поверхности свежеприготовленных, покрытых водородом, и окисленных образцов микро-ПК. Основным типом СЦ в данном материале являются Pb-центры – ОС кремния на границе раздела Si/SiO2 [3]. Анализ экспериментального спектра ЭПР показывает, что в микро-ПК присутствуют две разновидности Pb-центров: Pb0- (ОС, в ближайшее окружение которой входит атом кислорода) и Pb1 (ОС, локализованная на так называемом «димере» - напряженной связи Si-Si ) [3]. В дальнейшем для простоты изложения речь пойдет о Pb-центрах и их интегральных концентрациях. В свежеприготовленных образцах величина Ns составляла 1017 см-3. При выдержке микро-ПК на воздухе в течение месяца плотность Pb-центров увеличивалась до 51018 см-3. Естественно окисленные в течение 5-6 месяцев образцы характеризовались крайне низким содержанием дефектов (Ns<1015 см-3). Немонотонную зависимость от времени величины Ns при окислении можно объяснить процессом генерации Pb-центров и сопутствующим ему процессом их «пассивации» атомами кислорода.

Для количественного описания процессов рекомбинации фотовозбужденных носителей заряда в кремниевых наноструктурах в слоях микро-ПК предложена феноменологическая модель, в основе которой лежит представление об экситонной природе ФЛ. Излучательная рекомбинация происходит при аннигиляции экситонов с характерным временем r, безызлучательная рекомбинация реализуется для СНЗ на поверхностных центрах (как СЦ, так и непарамагнитных) за время nr.

Согласно данной модели кинетические уравнения для концентрации экситонов (N) и пар СНЗ (n*) можно записать в следующем виде [4]:

n* n* N N = g - Cn* + AN - = Cn* - AN ;, (1) t t nr r где g - темп генерации электронно-дырочных пар, C - вероятность связывания свободных носителей в экситоны, A - вероятность термического распада экситонов. Поскольку носители заряда в микро-ПК локализованы в нанокристаллах, то отдельно взятый электрон не может взаимодействовать с любой дыркой в образце. Взаимодействие происходит только с зарядом, находящимся в непосредственной близости от него. При появлении третьего заряда резко возрастает вероятность Оже-процесса, и такие носители исключаются из излучательной рекомбинации. Как следствие, вероятность связывания фотовозбужденных носителей заряда в экситон оказывается пропорциональной концентрации пар неравновесных носителей заряда.

Коэффициенты A и C в выражениях (1) можно связать в предположении, что определяющий вклад в ФЛ дают экситоны с близкими энергиями Eex c A связи Eexc [5]: = exp-, где Eexc - энергия связи экситонов, k C kT постоянная Больцмана, T-температура. О возможности существования экситонов в наноструктурах кремния свидетельствует выполненный квантовомеханический расчет энергий связи экситонов в кремниевых нанокристаллах, окруженных средой с диэлектрической проницаемостью d. Показано, что при комнатной температуре величина Eexc в наноструктурах кремния составляет сотни мэВ в вакууме или на воздухе и уменьшается до единиц мэВ при помещении их в среду с d, большей, чем у кремния. Это, в свою очередь, приводит к увеличению вероятности тепловой диссоциации экситонов и, следовательно, к гашению экситонной ФЛ.

Расчеты, выполненные в рамках предложенной модели, показывают, что повышение температуры T всегда обуславливает уменьшение концентрации экситонов вследствие их термической диссоциации.

Напротив, концентрация неравновесных СНЗ будет возрастать с ростом T за счет теплового распада экситонов в области высоких T и уменьшаться за счет активации излучательной рекомбинации при низких T. При фиксированном значении T с ростом величины Eexc происходит перераспределение фотовозбужденных носителей заряда между подсистемами свободных носителей заряда и экситонов в сторону последних, что в свою очередь приводит к росту вероятности излучательной рекомбинации.

Далее рассматриваются результаты экспериментального исследования процессов рекомбинации фотовозбужденных носителей заряда в наноструктурированном кремнии в вакууме и после заполнения пор образцов средами с различной d и при адсорбции молекул, являющихся акцепторами и донорами электронов.

теория 1,Полученные из анализа эксперимент (ФЛ) экспериментальных данных по температурному эксперимент (СНЗ) гашению ФЛ величины Eexc составили около 1,мэВ, что согласуется с 0 5 10 15 20 25 30 35 расчетами. Для наноd структур кремния в диэлектрической среде с Рис.2. Зависимость амплитуды ФЛ (кружки) и d>Si происходит гашение концентрации СНЗ (треугольники) в микро-ПК от диэлектрической проницаемости среды, ФЛ, причем степень окружающей нанокристаллы кремния.

Экспериментальные точки в зависимости IФЛ(d) гашения увеличивается с аппроксимированы теоретической кривой.

ростом d (рис.2). На рис.также представлена зависимость интенсивности ФЛ от величины d, рассчитанная с учетом выражений (1) по формуле:

N0 g IPL = =, (2) -r Eexc r 1+ exp -- + nr C nr kT ФЛ I, отн. ед.

Концентрация СНЗ, отн. ед.

где N0 - концентрация экситонов в стационарном случае.

Отметим, что заполнение пор образцов диэлектрическими жидкостями не приводило к изменению концентрации Pb-центров и появлению каких-либо новых СЦ. Следовательно, в полном согласии с расчетами обратимое гашение ФЛ при увеличении d среды, окружающей нанокристаллы кремния, объясняется уменьшением величины Eexc и, как следствие, тепловой диссоциацией экситонов. Это, в свою очередь, приводит к росту концентрации СНЗ (рис.2).

В атмосфере воды наблюдается разгорание ФЛ, что объясняется уменьшением концентрации Pb-центров вследствие «пассивации» их молекулами воды, атомами водорода и одновременно C6H4O2регистрируется сигнал от OH• C2(CN)4радикалов, образующихся в Pb.

Pb OH процессе фотодиссоциации молекул воды (рис.3).

На рис. 3 также представлены результаты исследования влияния адсорбвакуум C6H4OH2O C2(CN)ции акцепторных молекул на примере молекул парабензоРис.3. Концентрация СЦ и интенсивность хинона C6H4O2 и тетрацианэтиФЛ для микро-ПК в вакууме и в лена C2(CN)4 на интенсивность атмосфере различных молекул.

ФЛ и величину Ns образцов ПК. При адсорбции указанных молекул, образующих на поверхности нанокристаллов кремния заряженные центры (рис.3), гашение ФЛ может быть обусловлено разрушением экситонов электрическими полями данных кулоновских центров.

Далее излагаются результаты исследования влияния радиационного воздействия ионов Ar+ с энергией 300 кэВ и дозами 5·1014…1·1016 см-2 на -s N, см ФЛ I, отн. ед.

структурные и люминесцентные свойства микро-ПК. На основе экспериментальных данных КРС и ФЛ показано, что радиационная стойкость слоев микро-ПК существенно выше, чем c-Si. Обнаруженный эффект объясняется в предположении, что чрезвычайно развитая поверхность ПК может выступать как область эффективного стока и последующей аннигиляции радиационных дефектов. Кроме того, можно отметить, что при взаимодействии высокоэнергетичных ионов с элементами пористой структуры возможна передача энергии не только отдельным атомам, но частям кремниевых наноструктур. Подобный ”коллективный” прием энергии возможен ввиду изменения фононного спектра в ПК [5]. Энергия, получаемая группами атомов в наноструктурах в слоях ПК, очевидно, будет меньше величины, принимаемой отдельными атомами, что уменьшит разрушающее воздействие ионного пучка.

В этой же главе приводятся результаты исследования процессов пространственного разделения и накопления фотовозбужденных носителей заряда в наноструктурах кремния методами контактной разности потенциалов и импульсного фотонапряжения. Показано, что ввиду различных коэффициентов диффузии электронов и дырок происходит пространственное разделение неравновесных носителей заряда в пористом слое, приводящее к формированию фото-ЭДС.

Затянутые во времени кинетики релаксации сигнала импульсного фотонапряжения и долговременные изменения сигнала контактной разности потенциалов объясняются процессами диффузии и захватом носителей заряда (преимущественно дырок) на поверхностные центры (Pb-центры, адсорбированные молекулы воды) микро-ПК, что приводит к положительному оптическому заряжению его поверхности. На основе полученных данных предложена модель формирования фото-ЭДС в исследуемых образцах, в основе которой лежит идея «оптического легирования» кремниевых нанокристаллов. Действительно, в наноструктурах кремния с характерными размерами много меньше дебаевской длины экранировки заряженные поверхностные центры играют роль заряженных примесей и приводят к изменению положения краев зон относительно уровня Ферми.

Во второй главе обсуждаются особенности релаксации электронного возбуждения в наноструктурах мезо-ПК и анализируется возможность управления электронными свойствами данного материала посредством адсорбции акцепторных и донорных молекул. В начале главы излагаются оригинальные результаты по формированию образцов мезо-ПК. Состав электролита был таким же, как и для микро-ПК. В качестве подложек использовались пластины c-Si(100), легированные бором, с удельным сопротивлением 1…5 и 15…20 мОм·см и пластины cSi(110), легированные бором, с удельным сопротивлением 1…5 мОм·см.

Величина p образцов составляла 50-70 %.

Далее приводятся данные по исследованию структуры Pb-центров на поверхности ПК с различной морфологией составляющих его нанокристаллов. Анализ экспериментальных спектров ЭПР мезо-ПК показал, что в исследуемых образцах есть СЦ типа Pb0 и Pb1. Таким образом, присутствие Pb1-центров является характерной особенностью всех образцов ПК и свидетельствует о наличии в ПК напряженных Si-Si связей.

В этой же главе исследованы фотоэлектронные процессы в мезо-ПК.

В данном материале носители заряда могут относительно свободно перемещаться из одного нанокристалла в другой. Действительно, сдвиг максимума спектра ФЛ в область больших энергий вследствие квантоворазмерного эффекта (и, соответственно, увеличение ширины запрещенный зоны Eg) по отношению к c-Si у мезо-ПК весьма малый – 0,04 эВ (Eg=0,04-0,05 эВ) по сравнению с микро-ПК – 0,4 эВ (Eg=0,4-1,0 эВ) [6] (рис.4).

В рамках предло1 2 женной модели релаксации 1,фотовозбуждения в системе связанных полупроводниx0.x0,ковых нанокристаллов проанализированы процес0,сы рекомбинации фото1,0 1,2 1,4 1,6 1,Энергии фотонов, эВ возбужденных носителей заряда в мезо-ПК. Согласно Рис.4. Спектры фотолюминесценции c-Si (1), модели процессы рекоммезо-ПК (2) и микро-ПК (3).

бинации неравновесных носителей заряда в таких системах можно описать следующей системой кинетических уравнений:

N N n n = g - C*n( p + p0 ) + AN - ; = C*n( p + p0 ) - AN -, (3) t t nr r где n и p- концентрации неравновесных электронов и дырок (при отсутствии прилипания n=p), p0 – концентрация равновесных дырок, C* коэффициент, пропорциональный вероятности связывания в экситон свободных электрона и дырки. Используются уровни возбуждения, когда Оже-рекомбинацией можно пренебречь. В стационарном случае, пренебрегая вкладом AN по сравнению с остальными слагаемыми в уравнении (3) для n (поскольку в кремниевых структурах концентрация неравновесных электронов определяется главным образом скоростью безызлучательной рекомбинации), имеем:

-1 -- + + 4Cg C(n2 + np0), n ; N (4) -2C A + r -1 -1 где + Cp0. В случае Cg << 1 выражение (4) для n сильно nr упрощается: n g, а интенсивность экситонной ФЛ определяется выражением:

ФЛ I, отн. ед.

Pages:     | 1 || 3 | 4 |






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