WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |

На правах рукописи

Рябчиков Юрий Витальевич ВЛИЯНИЕ МОЛЕКУЛЯРНОГО ОКРУЖЕНИЯ КРЕМНИЕВЫХ НАНОКРИСТАЛЛОВ НА ИХ ФОТОЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЕ СВОЙСТВА Специальность 01.04.10 - физика полупроводников

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва – 2007

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

Научный консультант: доктор физико-математических наук Тимошенко Виктор Юрьевич

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук Белогорохов Александр Иванович доктор физико-математических наук Иванов Андрей Валентинович

Ведущая организация: Институт Общей Физики им. А.М. Прохорова РАН

Защита состоится “ 22 ” ноября 2007 года в _часов на заседании Диссертационного совета Д 501.001.70 при Московском государственном университете им. М.В. Ломоносова по адресу: 119991 ГСП-1 Москва, Ленинские горы, МГУ им. М.В. Ломоносова, физический факультет, криогенный корпус, аудитория 2-05а.

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

Автореферат разослан “ 22 ” октября 2007 года

Ученый секретарь диссертационного совета Д 501.001.70 доктор физико-математических наук Г.С. Плотников 2

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы представленных исследований обусловлена перспективой широкого применения структур, содержащих кремниевые нанокристаллы, в современных оптоэлектронных технологиях и микроэлектронике. Важным примером указанных объектов является пористый кремний (ПК), представляющий собой совокупность кремниевых нанокристаллов (nc-Si), разделенных пустотами (порами) [1]. В отличие от объемного монокристаллического кремния (c-Si), ПК обладает эффективной фотолюминесценцией (ФЛ) в видимом диапазоне спектра при комнатной температуре [2]. Большинство существующих моделей объясняют ФЛ образцов ПК, принимая во внимание квантовый размерный эффект для носителей заряда в nc-Si. Поскольку слои ПК обладают большой удельной поверхностью, достигающей 103 м2/г, окружающая среда оказывает значительное влияние на его оптоэлектронные свойства. Это значительно осложняет практическое использование ПК, в частности, создание светоизлучающих устройств на его основе. В то же время, ПК может рассматриваться как модельный объект для изучения роли молекулярного окружения на процессы релаксации энергии фотовозбужденных носителей заряда в структурах полупроводниковых нанокристаллов. Поэтому исследование влияния адсорбции различных газов и красителей на свойства nc-Si имеет большое значение.

Цель работы – исследование влияния молекулярного окружения nc-Si на процессы излучательной рекомбинации фотовозбужденных носителей заряда с одновременным контролем концентрации спиновых центров и химического состава адсорбционного покрытия поверхности нанокристаллов кремния.

В работе были поставлены следующие задачи:

1. Исследовать фотолюминесцентные свойства образцов ПК с адсорбированными молекулами органических красителей и изучить возможность переноса энергии между экситонами в nc-Si и молекулами органических красителей, адсорбированных на их поверхности.

2. С использованием метода фотолюминесценции исследовать влияние адсорбции донорных и акцепторных молекул на процессы релаксации энергии фотовозбужденных носителей зарядов в nc-Si с одновременным контролем концентрации спиновых центров и химического состава поверхности кремниевых нанокристаллов.

3. Изучить особенности фотосенсибилизации генерации синглетного кислорода в ПК и влияние данного процесса на ФЛ свойства nc-Si в зависимости от давления молекул кислорода. Экспериментально определить эффективность и время передачи энергии от экситонов в nc-Si к молекулам кислорода, адсорбированных на поверхности nc-Si, и исследовать зависимость этих параметров от пористости образцов ПК.

4. Исследовать ФЛ свойства водных суспензий кремниевых нанокристаллов и изучить процесс фотосенсибилизации генерации синглетного кислорода в них. Сравнить эффективность генерации синглетного кислорода в порошках и водных суспензиях кремниевых нанокристаллов.

Для решения поставленных задач был применен комплекс различных методов исследования, таких как спектроскопия ФЛ, электронный парамагнитный резонанс (ЭПР) и инфракрасная спектроскопия (ИК) спектроскопия, позволяющих изучать оптоэлектронные свойства nc-Si и осуществлять контроль химического состава их поверхности и концентрации спиновых центров.

Достоверность полученных результатов обеспечена применением набора взаимно-дополняющих экспериментальных методик, детальным рассмотрением физических явлений и процессов в исследуемых низкоразмерных объектах.

Положения, выносимые на защиту:

1. Обнаружено, что спектры ФЛ органических молекул антрацена и красителя родамина Б, адсорбированных на поверхности nc-Si, различаются для образцов пористого кремния с различными размерами пор и кремниевых нанокристаллов.

2. Установлено, что адсорбция донорных и акцепторных молекул приводит к гашению ФЛ ПК вследствие образования в результате адсорбции на поверхности nc-Si кулоновских центров.

3. Получены зависимости эффективности и времени передачи энергии от экситонов, локализованных в nc-Si, к адсорбированным на их поверхности молекулам кислорода, от пористости образцов ПК, свидетельствующие об увеличении эффективности процесса фотосенсибилизации синглетного кислорода в высокопористых образцах.

4. Установлено влияние фотосенсибилизированной генерации синглетного кислорода в ПК на интенсивность сигнала электронного парамагнитного резонанса от дефектов - оборванных связей кремния на поверхности nc-Si, которое находится в согласии с результатами, полученными методом ФЛ.

5. Обнаружена фотосенсибилизированная генерация синглетного кислорода в водных суспензиях кремниевых нанокристаллов и показана возможность практического использования данного эффекта.

Научная новизна результатов, полученных в диссертации:

1. Обнаружено, что спектры ФЛ органических молекул антрацена и красителя родамина Б адсорбированных на поверхности nc-Si различаются для образцов микропористого и мезопористого кремния.

2. Установлено, что обратимое гашение ФЛ микропористого кремния в результате адсорбции акцепторных молекул диоксида азота и парабензохинона и донорных молекул пиридина и аммиака обусловлено формированием на поверхности nc-Si кулоновских центров.

3. Впервые измерены зависимости эффективности и времени передачи энергии от экситонов, локализованных в nc-Si, к адсорбированным на их поверхности молекулам кислорода, от пористости образцов ПК.

4. Обнаружено влияние фотосенсибилизированной генерации синглетного кислорода в пористом кремнии на интенсивность сигнала электронного парамагнитного резонанса от дефектов - оборванных связей кремния на поверхности nc-Si.

5. Впервые получены водные суспензии кремниевых нанокристаллов, обладающие высокой эффективностью ФЛ, и обнаружена фотосенсибилизированная генерация синглетного кислорода в них.

Научная и практическая ценность работы состоит в получении данных, характеризующих фотоэлектронные свойства nc-Si, модифицированные при адсорбции различных молекул, а также влияние молекулярного окружения нанокристаллов на их фотолюминесцентные свойства. С практической точки зрения, данные по влиянию адсорбции донорных и акцепторных молекул важны для создания сенсоров на основе ПК. Полученные результаты по генерации синглетного кислорода в порошках nc-Si и водных суспензиях на их основе могут быть полезны в области биомедицины.

Личный вклад. Все исследуемые образцы были изготовлены автором диссертационной работы лично. Роль диссертанта в экспериментальном исследовании оптических свойств полученных низкоразмерных кремниевых структур является определяющей.

Апробация результатов работы.

Материалы, вошедшие в диссертацию, опубликованы в 40 работах, из которых 7 статей и 33 тезисов конференций. Апробация проходила на следующих конференциях: 4 всероссийская молодежная конференция по физике полупроводников и полупроводниковой опто- и наноэлектронике, СанктПетербург, 2002; Международная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых по фундаментальным наукам Ломоносов, секция «физика», Москва, 2003; Международная конференция «Оптика, оптоэлектроника и технологии», Ульяновск, 2003; Х Всероссийская конференция «Структура и динамика молекулярных систем», Яльчик, 2003; Международная конференция «Современные проблемы физики и высокие технологии», Томск, 2003; III Международная конференция молодых ученых и специалистов «Оптика-2003», Санкт-Петербург, 2003; 5 всероссийская молодежная конференция по физике полупроводников и полупроводниковой опто- и наноэлектронике, СанктПетербург, 2003; Porous semiconductors – science and technology, Cullera-Valencia, Испания, 2004; Международная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых по фундаментальным наукам Ломоносов, секция «физика», Москва, 2004; Международная конференция «Аморфные и микрокристаллические полупроводники», Санкт-Петербург, 2004; Международная конференция «Фундаментальные проблемы оптики – 2004», Санкт-Петербург, 2004;

Международная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых по фундаментальным наукам Ломоносов, секция «физика», Москва, 2005; ХII Всероссийская конференция «Структура и динамика молекулярных систем», Яльчик, 2005; ICANS 21, Лиссабон, Португалия, 2005; International conference Functional Materials 2005, Крым, Украина, 2005; IV Международная конференция молодых ученых и специалистов «Оптика-2005», Санкт-Петербург, 2005; 7 всероссийская молодежная конференция по физике полупроводников и полупроводниковой опто- и наноэлектронике, Санкт-Петербург, 2005; Porous semiconductors – science and technology, Барселона, Испания, 2006; XVI Уральская международная зимняя школа по физике полупроводников, Екатеринбург, 2006; XIV республиканская научная конференция аспирантов, магистрантов и студентов по физике конденсированного состояния, Гродно, 2006; XXXV International School on the Physics of Semiconducting Compounds Jaszowiec 2006, Варшава, 2006; Международная конференция «Аморфные и микрокристаллические полупроводники», Санкт-Петербург, 2006; Advanced Laser Technologies (ALT’06), Брашов, Румыния, 2006; 3rd International Conference on Materials Science and Condenced Matter Physics, Молдова, 2006;

Международная конференция «Фундаментальные проблемы оптики – 2006», Санкт-Петербург, 2006; XII Национальная конференция по росту кристаллов НКРК-2006, Москва, 2006; 8 всероссийская молодежная конференция по физике полупроводников и полупроводниковой опто- и наноэлектронике, Санкт Петербург, 2006; XXXVI International School on the Physics of Semiconducting Compounds Jaszowiec 2007, Варшава, 2007.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка публикаций автора и списка цитируемой литературы из наименований. Общий объем работы составляет 136 страниц машинописного текста, включая 45 рисунков и 1 таблицу.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выбранной темы диссертации, поставлены задачи исследований, дан анализ научной новизны полученных результатов и их практической ценности.

Первая глава является обзором литературы и посвящена изложению данных по структурным, электронным и оптическим свойствам nc-Si. В разделе 1.1.1 содержится информация о получении nc-Si методом электрохимического травления, обсуждаются процессы, протекающие во время электрохимической обработки, а также зависимость основных параметров полученных кремниевых наноструктур от условий приготовления. Представлены основные на сегодняшний день модели, объясняющие формирование пор во время травления.

В разделе 1.1.2 представлены зависимости скорости роста пленки ПК от плотности тока травления и уровня легирования кристаллического кремния.

Кроме того, приведена информация об исследовании структурных свойств nc-Si, полученных на различных подложках, методами электронной микроскопии и дифракции электронов. Проведена классификация пористых материалов в соответствии с принципом IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry), определяющая тип пористого материала в зависимости от размера пор [3]. В частности, рассмотрены так называемые мезопористый ПК (мезо-ПК) и микропористый ПК (микро-ПК). Далее представлены основные модели, объясняющие природу ФЛ в микро-ПК. В настоящий момент, большинство исследователей объясняет видимую ФЛ в данном материале квантоворазмерным эффектом, возникающим при уменьшении размеров составляющих его nc-Si. Установлено, что в nc-Si с размерами 1-4 нм экситоны обладают большими энергиями связи и поэтому стабильны при комнатной температуре.

Рассмотрено влияние температуры и интенсивности возбуждающего излучения на ФЛ свойства ПК. В разделе 1.2.1 обобщены литературные данные по влиянию донорных и акцепторных молекул на свойства ПК. Выделены основные механизмы указанного влияния. В разделе 1.2.2 рассмотрены оптические характеристики молекул органических красителей в пористых диэлектриках, а также в пористых полупроводниках. Раздел 1.2.3 посвящен изучению генерации синглетного кислорода в ПК. Рассмотрена электронная конфигурация молекулы кислорода и фотолюминесцентная диагностика генерации синглетного кислорода в ансамблях nc-Si. В конце главы в разделе 1.3 сформулированы выводы из обзора литературы и поставлены задачи исследования.

Во второй главе дано описание используемых в работе образцов и методики проведения экспериментов.

В разделе 2.1 изложена методика приготовления ПК. Образцы были получены методом электрохимического травления слабо легированных пластин c-Si p-типа проводимости в электролите, состоящим из смеси плавиковой кислоты и этилового спирта, взятых в соотношении 1:1. Толщина слоев ПК определялась с помощью оптического микроскопа METAM PB 22, а пористость рассчитывалась гравиметрическим методом. В разделе 2.2 описывается приготовление используемых в работе растворов органических красителей антрацена и родамина Б, обсуждаются способы получения и очистки адсорбатов.

Диоксид азота был получен в результате проведения химической реакции:

Pages:     || 2 | 3 |






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