WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика твердого тела, 1997, том 39, № 4 Интерфейсные эффекты и формирование оптических свойств ансамблей структурно-изолированных квантовых нитей InP © С.Г. Романов, Н.М. Йатс, М.И. Пембл, Д.Р. Аггер, М.В. Андерсон, К.М. Сотомайор Торрес, В.Ю. Бутко, Ю.А. Кумзеров Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия Университет Салфорда, M5 4WT Манчестер, Великобритания Университет Манчестера, Институт науки и технологии, M60 1QD Манчестер, Великобритания Институт материаловедения, FB13, Университет Вупперталя, 42097 Вупперталь, Германия (Поступила в Редакцию 25 октября 1996 г.) Методом газофазного металлорганического синтеза приготовлены упорядоченные трехмерные ансамбли квантовых нитей InP в каналах пористых диэлектрических матриц. Эти матрицы различаются как по диаметрам (0.7, 3 и 8 nm), так и по расположению каналов. Толщина слоя InP не превышала 2–3 монослоев.

Сравнительное исследование спектров комбинационного рассеяния, оптического поглощения и фотолюминесценции позволило выявить зависимость этих свойств от ряда интерфейсных эффектов: от взаимодействия атомов в нитях, нитей с матрицей и нитей в ансамбле. Показано, что взаимодействие нити с матрицей искажает кристаллическую решетку InP, размывает спектр электронной плотности нитей вблизи краев фундаментальной щели, а также распределяет релаксацию фотовозбуждения нитей между состояниями, принадлежащими нити, и связанными с нитями состояниями дефектов матрицы.

Метод структурной изоляции микрообъектов является Известен ряд регулярно упорядоченных диэлектриальтернативой широко применяемой нанолитографии. В ческих матриц, полости которых имеют форму каначастности, структурная изоляция может быть достиг- лов. Выращенный в таких полостях материал с ненута при выращивании материалов (наполнителей) в обходимостью формируется в виде ультратонких нипространстве полостей пористых матриц [1]. Преимутей и формирует ансамбли, обладающие анизотропщества этого метода выявляются при приготовлении ными оптическими свойствами [3–6]. Метод струкбольших ансамблей низкоразмерных объектов, причем в турной изоляции навязывает ансамблю нитей геомезависимости от типа матрицы возможно формирование трию (диаметр нити d и расстояние между нитями как кристаллически правильно упорядоченных решеA), присущую матрице. Если диаметр нити меньше ток наноструктур, так и неупорядоченных ансамблей.

длины волны де Бройля, то такая нить является кванВ микроскопических полостях в случае существенного товой нитью (QWR). Ее энергетический спектр опреразличия материалов матрицы и включения (например, деляется в первую очередь связью структурных эледиэлектрик–металл) свойства наполнителя оказываютментов (атомов, молекул и т. д.) наполнителя между ся нормированными на характерный размер полости.

собой, а также условиями размерного квантования и Информацию об электронных и структурных характедиэлектрического окружения [7]. Кроме того, меристиках таких ансамблей дают их оптические свойняя матрицу, можно изменять потенциальный рельеф, ства. Как правило, сравнение проводится с аналогичныокружающий QWR: энергию связи нити с матрицей ми данными, полученными для массивной модификации и энергию взаимодействия нитей в ансамбле. Изучематериала-наполнителя в контексте размерного эффекнию вопроса о том, насколько оптические свойства та. Это справедливо для описания общей направленноупорядоченных ансамблей структурно-изолированных сти изменения свойств материала при диспергировании, QWR зависят от свойств самой нити, а насколько — однако оказывается недостаточным для интерпретации от окружающих условий, посвящена настоящая радинамических свойств наполнителя, связанных, наприбота.

мер, с его фазовым состоянием. Причина этого состоит Выделение роли интерфейсных эффектов в формирово влиянии поля окружающей нить матрицы, которым вании оптических свойств ансамблей нитей было провенельзя пренебречь в случае наноструктур атомного раздено путем сравнительного анализа оптических спектров мера [2]. В случае ансамбля структурно-изолированных (комбинационного рассеяния (СКР), оптического поглонаночастиц при рассмотрении вопросов, связанных с переносом энергии, помимо процессов в самой нано- щения (СП) и фотолюминесценции (СФЛ)), измеренных для наполнителя InP, синтезированного одинаковым структуре необходим учет параллельно действующих интерфейсов наноструктура–матрица и наноструктура– методом в канальных матрицах различной природы и наноструктура. геометрии.

728 С.Г. Романов, Н.М. Йатс, М.И. Пембл, Д.Р. Аггер, М.В. Андерсон...

1. Образцы В качестве матриц были использованы хризотиласбест (chryisotile asbestos — CA) (диаметр d 8nm, A 40 nm), канальный каркасный силикат МСМ-(d 3nm, A 3.4nm) и цеолит AlPO4-5 (d = 0.73 nm, A = 1nm) (рис. 1), а в качестве метода синтеза InP — двухступенчатая газофазная реакция замещения металлорганического соединения триметил-индия (TMIn) [8].

Особенностью данного метода синтеза является использование поверхностных состояний матрицы в качестве центров адсорбции, поэтому рост полупроводника начинается с поверхности каналов, приводя в итоге к нитям цилиндрического сечения. Молекулы InP имеют значительный дипольный момент; следовательно, подстилающий потенциальный рельеф модифицирует их взаимодействие между собой на начальной стадии образования слоя, значительно искажая структуру решетки InP.

CA — это природный минерал, представляющий собой гексагональную упаковку волокон [9], каждое из которых является монокристаллом длиной до нескольких cm, сформированным спиральной сверткой последовательно чередующихся слоев SiO2 и MgO. Разброс каналов по диаметрам составляет не более 10 % в пределах пучка волокон CA диаметром в несколько mm. Поверхность канала представляет собой монокристаллическую плоскость. Поэтому центрами адсорбции при формировании покрытия из InP служат неоднородности потенциального рельефа в местах дефектов кристаллической решетки.

Адсорбция происходит за счет ван-дер-ваальсова взаимодействия. Поскольку количество центров адсорбции много меньше числа поверхностных атомов в канале, суммарная энергия взаимодействия наполнителя с матрицей невелика. Объемная доля каналов в CA составляет 3–5 %, поэтому нити InP в каналах CA практически изолированы друг от друга, т. е. нет взаимодействия нить–нить.

Модификацией CA является травленый асбест (EA) с удаленной MgO-компонентой. Свободные поверхности внутри асбестовых волокон в EA имеют множество обоРис. 1. Схематическое изображение исследованных образцов.

рванных связей, которые служат центрами адсорбции.

Исследования диффузии и адсорбции в EA показали, что каждое волокно пронизано дополнительно множеством параллельных сообщающихся каналов, суммарная пловерхность канала. Их высокая плотность увеличивает щадь которых в десятки раз превосходит площадь канала суммарную энергию связи наполнителя и поверхности в исходном CA [10]. Это позволило сделать на основе каналов по сравнению с CA. Пространственное разделеEA тестовый образец, имеющий большую концентрацию ние каналов в MCM (толщина стенки между каналами слоев InP, разделенных силикатными стенками толщиной 0.8 nm) достаточно мало, что позволяет нитям эффектив0.4 nm. Последнее обеспечивает сильную связь между но взаимодействовать.

нитями.

Цеолит AlPO4-5 — это каркасный алюмофосфат [12], MCM-41 является сростком тонкостенных SiO2-труканалы в котором занимают около 20 % объема. Разбок с объемной долей каналов около 75 % [11]. Сростки мер монокристаллов цеолита 50–80 µm. Поверхность имеют вид частиц размером порядка нескольких µm.

каналов в AlPO молекулярно гладкая, только дефекКаналы в структуре MCM образуются после выжигания ты кристаллической решетки дают оборванные связи органической основы силикатного покрытия, поэтому центрами адсорбции TMIn в MCM служат ненасыщен- в каркасе. Сильная модуляция потенциального рельефа ные связи силиката. Эти центры покрывают всю по- вдоль его поверхности обусловлена структурой: нескомФизика твердого тела, 1997, том 39, № Интерфейсные эффекты и формирование оптических свойств ансамблей... пенсированностью заряда кислородных тетраэдров, цен- 3. Экспериментальные результаты трированных попеременно Al и P. Учитывая то, что и обсуждение на диаметре канала может расположиться только одна молекула InP, естественно предположить наибольшую 1) Ко мб и н а ц и о н н о е р а с с е я н и е. Интениз всех рассмотренных матриц энергию взаимодействия сивность СКР зависит от количества InP в матрице. Для молекул InP и матрицы. AlPO-InP и CA-InP спектры очень слабы по сравнению Рентгеновский дифракционный анализ показал нали- с СКР MCM-InP и EA-InP. Все СКР (рис. 1) демонстричие характерных рефлексов решетки InP в образцах руют наличие колебаний, близких по частоте к TO- и MCM-InP и EA-InP, причем эти рефлексы неоднород- LO-фононам (303.7 и 345 cm-1) массивного InP. Это дает но уширены за счет искажения структуры InP. Для основание предположить, что в результате внутрипоMCM-InP имеется малоугловой пик, соответствующий лостного синтеза формируется покрытие с характерными упаковке трубок, а для AlPO-InP наблюдается смесь In–P-связями. Более того, в CA-InP анизотропия структулиний InP и цеолита. В случае CA-InP на дебаеграмме ры вызывает сильную поляризацию СКР [14]. LO-мода видны только полосы, соответствующие структуре ма- смягчается приблизительно на 10 cm-1 для всех рассмотрицы в силу малого содержания полупроводника. Со- тренных образцов. Смягчение LO-колебания связано, похранение рефлексов матриц указывает на их структурное видимому, с влиянием размерности структуры на спектр колебаний. Положение полосы TO-колебания зависит совершенство, что позволяет говорить об упорядоченной организации нитей в ансамбле. Помимо этого для MCM- от типа матрицы: наибольшее смещение наблюдается для AlPO-InP (рис. 2), меньшее смещение найдено для InP и AlPO-InP имеются свидетельства наличия следов массивного InP на поверхности образцов (так называе- EA-InP, а для CA-InP и MCM-InP сдвиг одинаков. Можно мая ”обмазка”). Образцы на основе асбеста из-за боль- указать на корреляцию между интенсивностью взаимодействия матрица–наполнитель и сдвигом TO фонона.

шой длины волокон позволили растворить ”обмазку” InP, Наиболее ослаблены силовые константы In–P-связей в но в порошкообразных образцах MCM-InP и AlPO-InP цеолите, где потенциальный рельеф матрицы наиболее возможная ”обмазка” не удалялась.

отчетлив, а связи между молекулами InP ограничены наКоличество InP в CA составило не более 1 vol. % правлением вдоль канала. Взаимодействие слоя InP и попо данным рентгеновского микрозондового анализа с верхности SiO2 приблизительно одинаково в CA и MCM, участка образца, содержащего около 100 волокон. Это причем в обеих матрицах возможно формирование слоя означает, что каналы заполнены на 20–30 % по объему.

из нескольких ML на поверхности каналов. Для EA-InP Учитывая то, что рост InP начинается с поверхности, возможно формирование InP как в широких каналах, соможно предположить форму нитей в виде полого цилиндра, имеющего стенку толщиной 0.7 nm. С учетом эффекта блокировки некоторых каналов в пучке волокон эта величина в среднем соответствует номинально двум монослоям (ML) InP, хотя не исключено, что это покрытие может состоять из островков в силу несоизмеримости параметров решетки матрицы и InP.

В EA-InP содержание полупроводника составляет около 10 vol. %, причем упаковка каналов преимущественно вдоль волокон сохраняется.

2. Методика измерений Для идентификации структуры InP были измерены спектры комбинационного рассеяния света при возбуждении линией = 514.5nm Ar+-лазера в конфигурации обратного рассеяния. Спектральное разрешение прибора было не хуже 0.5 cm-1, а мощность падающего на образец пучка составляла порядка 100 W/cm2. СП были восстановлены из спектров диффузного отражения порошкообразных образцов по методике Гуревича– Кубелки–Мунка [13] СФЛ были измерены при возбуждении линиями 514.5 и 457.9 nm Ar+-лазера. Измерение проведено при ориентации образца под углом 45 к лазерному лучу в проточном криостате при T = 4-300 K.

Рис. 2. СКР AlPO-InP (1), MCM-InP (2), CA-InP (3), Была произведена коррекция СФЛ на нулевую линию EA-InP (4). Стрелки указывают положение TO- и LO-мод в установки.

кристаллическом InP.

Физика твердого тела, 1997, том 39, № 730 С.Г. Романов, Н.М. Йатс, М.И. Пембл, Д.Р. Аггер, М.В. Андерсон...

чиная с >1.7-1.9eV (рис. 3, b). Как правило, такой вид края соответствует размытию структуры полупроводника хаотическими локальными неоднородностями электрического поля (потенциальным рельефом). Поглощение в области < 1.7eV (рис. 3, b) может быть отнесено к ”обмазке”. В пользу последнего свидетельствует меньшее поглощение в этой области для CA-InP, InP с поверхности которого был стравлен. Принимая это во внимание, можно заключить, что запрещенная зона в спектре электронных состояний нитей много шире, чем у массивного InP.

В сильно разупорядоченных полупроводниках структура СП отражает комбинированную плотность состояний валентной зоны и зоны проводимости (правила отбора не действуют). Известно, что первый максимум электронной плотности в валентной зоне массивного InP, соответствующий p-подобным In–P-связывающим состоянием, лежит на 2–3 eV ниже уровня Ферми [16], причем разупорядочение кристаллической решетки приводит к размыванию этого максимума в сторону фундаментальной щели. Таким образом, наблюдаемый СП в целом соответствует спектру плотности состояний валентной зоны InP. Плотность состояний нитей экспоненциально Рис. 3. a —СП AlPO-InP (1), MCM-InP (2), CA-InP (3), EA-InP (4); b — то же в полулогарифмическом масштабе.

Кривые сдвинуты для ясности.

ответствующих структуре нетравленного асбеста (около 10 % введенного InP), так и в полостях атомного сечения, образованных в ходе травления (до 90 %). По-видимому, сильное взаимодействие с поверхностью обусловливает наличие широких полос и различие со СКР CA-InP.

Размытие TO- и LO-полос и их плохое разрешение можно объяснить как разбросом параметров нитей в ансамбле, так и присутствием поверхностных колебаний.

Поверхностные колебания (SO-мода) [15], как известно, характерны для низкоразмерных объектов, их частоты лежат между TO- и LO-фононами. Присутствие SO-мод актуально, по-видимому, для MCM-InP. Помимо этого в СКР MCM-InP и AlPO-InP возможно присутствие вклада от ”обмазки” на поверхности.

2) С п е к т р ы п о г л о щ е н и я. Из СП (рис. 3) в свою очередь выделяется СП EA-InP. Край поглощения этого образца Eg = 1.38 V, что весьма близко Рис. 4. a —СФЛприT =4.5 K для исходного цеолита AlPO4к Eg = 1.32 eV массивного InP. Напротив, СП CA-InP 5 (1), AlPO-TMnIn (2), AlPO-InPс малым(3) и высоким (4) соимеет малое поглощение вплоть до 3 eV. Аналогичный держанием InP, а также последнего образца при T = 280 K (5);

Pages:     || 2 |



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

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.