WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Физика твердого тела, 1997, том 39, № 5 Определение пористости синтетических опалов и пористого кремния рентгеновским методом © В.В. Ратников Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия (Поступила в Редакцию 14 декабря 1996 г.) Предлагается простой метод определения пористости фрактальных материалов, основанный на измерении поглощения рентгеновских лучей при их прохождении через исследуемые образцы. Метод позволяет проводить экспрессные измерения интегральной пористости объектов, не требует специальной подготовки объектов, не загрязняет и не разрушает их структуру. На примере синтетических опалов и пористого кремния продемонстрированы возможности метода.

В настоящее время интенсивно развиваются физика и (Ge(111)-монохроматор, CuK1-излучение). Коллиматехнические применения фрактальных структур. После ция пучка РЛ щелями (0.05 0.5 mm) позволяла провооткрытия в 1990 г. Канхэмом фотолюминесценции пори- дить локальные измерения пористости по образцу.

стого кремния (ПК) в видимой области [1] постоянно Пористость синтетических опалов Pop и пористого растет число физических и химических методов превракремния Pps определялась из измеряемой эксперименщения Si в эффективный излучатель света, хотя основтально плотности op и ps соответственно при изным по-прежнему остается метод анодного травления Si.

вестных значениях плотности аморфного SiO2 без пор В то же время перспективным представляется получение aSiO2, из которого состоят сферы в опалах, и плотности наноразмерных кристаллитов Si (квантово-размерная момонокристаллического кремния Si дель фотолюминесценции остается до настоящего времени преобладающей) путем заполнения пустот в циолитах (aSiO2,Si) - (op,ps) и опаловых решетках. Тем более что к настоящему P(op,ps), % = · 100. (1) (aSiO2,Si) времени получены достаточно совершенные кристаллы синтетических опалов, представляющие собой систему Значения (op,ps) определялись по поглощению РЛ при плотноупакованных сфер аморфного SiO2 диаметром прохождении через слой t вещества 2000–2500 [2]. В свою очередь большие сферы могут состоять из сфер меньшего размера (300–400 ), ln(I0/I) (op,ps) =, (2) а последние — из мелких сфер диаметром 70. Ок(µ/)(aSiO2,Si)(t/ cos ) таэдрические и тетраэдрические пустоты между сферами вместе с соединяющими их каналами образуют так назыгде I0 и I — падающая и прошедшая интенсивности ваемую кластерную решетку — правильную трехмерную РЛ (в imp/s), (µ/)(aSiO2,Si) (cm2/g) — массовый косистему полостей, при заполнении которых различными эффициент поглощения РЛ веществом с плотностью веществами получаются объекты с интересными элек(aSiO2,Si) (g/cm3), — угол между нормалью к поверхтронными и оптическими свойствами [3,4].

ности образца и падающим пучком РЛ.

Однако структура ПК и опалов изучена к настоящему Значение Si = 2.33 g/cm3 известно точно [5], в то времени недостаточно. Среди структурных характеривремя как величина aSiO2 менее определенна. Поэтому стик как ПК, так и опаловых решеток одной из важнейaSiO2 мы получали из сравнительных измерений углов ших является значение их пористости P.

полного внешнего отражения РЛ плавленого (аморфноИспользуемые в настоящее время методы газовой го, без пор по оптическим данным) и монокристаллии жидкостной порометрии имеют существенные недоческого кварца. Их плотности относятся как квадраты статки, такие как загрязнение образцов при измерении, углов полного внешнего отражения. Используя значение необходимость значительных затрат времени, получение информации лишь об открытых порах. Мы предлага- плотности монокристаллического кварца 2.65 g/cm3, мы ем использовать для определения пористости метод, получили экспериментально величину плотности аморфоснованный на измерении поглощения рентгеновских ного кварца aSiO2 = 2.22 g/cm3. Зная aSiO2, определилучей (РЛ), позволяющий избежать вышеперечисленных ли значение (µ/)aSiO2 = 34.67 cm2/g для сплошного недостатков газовой и жидкостной порометрии и сущеаморфного SiO2, которое оказалось близким к рассчитанственно повысить точность определения пористости.

ному в [5] для веществ с известной химической формулой (34.95 cm2/g). Используя теперь экспериментальные значения aSiO2 и (µ/)aSiO2 и измеряя в эксперименте I0, 1. Метод измерения I, с помощью(2) и(1) рассчитывали значения плотности и пористости исследуемых объектов.

Метод рентгеновской абсорбционной порометрии был реализован на стандартном источнике моно- Значение = 0 при измерении опалов, для чего хроматизованного рентгеновского излучения ДРОН-2.0 в качестве рабочего фиксировалось положение образца Определение пористости синтетических опалов и пористого кремния рентгеновским методом 3. Обсуждение результатов Результаты измерений показывают, что моно- и поликристаллические синтетические опалы имеют практически одинаковую пористость. Образец № 28 характеризуется значительно более низким значением пористости, что связано, очевидно, с изменением объема пустот и сечения каналов между большими сферами [3]. Наш метод определяет интегральную пористость материала.

Это объясняет для опалов № 8 и 10 более высокие значения Pop (%), чем P =26%, которое получается для суммарного объема октаэдрических и тетраэдрических пор для упаковки шаров [7]. Поскольку жидкостная Схема измерения поглощения рентгеновских лучей образцом порометрия дает значение пористости только для отпористого кремния на Si.

крытых пор, совместное использование обоих методов позволит разделить доли открытых (для заполнителя) и при максимальной пропускаемой интенсивности I. Тол- закрытых пор в опалах. Следует отметить, что значения интегральной пористости по оптическим измерениям щина опалов t измерялась микрометром с относительной погрешностью ±0.2%, относительная погрешность изме- коэффициента преломления могут сильно искажать абсорбированные на их поверхности в процессе получения рения I0 была ±0.1%, а изменения I — ±1%, что давало опалов инородные вещества и остаточные газы в закрыдля опалов с t = 0.5 mmP/P =±1.5%.

тых порах.

Поскольку измерения выполнялись для пористого Измерение пористости ПК проводилось сразу же покремния на подложке Si, для расчетов необходимы были сле их получения и сушки. Это существенный момент, значения толщины tps. С этой целью в ПК вытравлитак как значительно возросшая поверхность ПК инвалось небольшое окно (травление в КОН проходило тенсивно окисляется и абсорбирует из воздуха такие от границы раздела ПК–Si). Из-за шероховатости этой химические элементы, как азот, водород и углерод. Так, границы определение толщины tps = t1 - t2 проводилось Канхэм обнаружил, что содержание кислорода и углерорентгеновским методом (см. рисунок). Измеренные знада изменилось от 0.8 и 0.02 at.% в свежеприготовленном чения I1 и I2 давали по (2) t1 и t2, а следовательно, ПК до 16 и 7.5 at.% после десяти недель хранения на и tps. Далее, измеряя I3, находили ps по (2) и Pps воздухе соответственно [8]. Такое изменение элементпо (1). Необходимые значения Si и (µ/)Si хорошо ного состава делает неопределенным значение (µ/)Si известны из [5]. Но в отличие от опалов угол в (2), которое при расчетах пористости ПК берется был взят при измерениях равным 2–3 для того, чтобы равным (µ/)Si = 60.3cm2/g [5]. Кроме того, при исключить вклад малоуглового и зеркального отражений окислении ПК его пористость будет уменьшаться, так в регистрируемую интенсивность I3. С этой целью слой как в SiO2 объем на атом Si в 2.26 раза больше, чем в ПК находился при измерениях на входе пучка РЛ в монокристаллическом Si [9].

образец. Кроме того, измерения для ПК проводились Приводимые в таблице значения пористости ПК покасразу после получения слоев ПК.

зывают существенное (на 10%) возрастание Pps (%) при анодном травлении с интенсивной (120 люкс) подсветкой ртутной лампой без фильтра.

2. Образцы и экспериментальные В [6] это объясняется тем, что подсветка ускоряет реакцию химического взаимодействия Si с электролитом результаты за счет окисления. В [6] также отмечается хорошая корреляция пористости, полученной рентгеновским и Пористость измерялась для трех типов синтетических гравиметрическим методами.

опалов: моно- и поликристаллического (по оптическим измерениям) и очень плотного, полученного отжигом Значения плотности (op, ps) и пористости P(op, ps) исходного опала на воздухе.

синтетических опалов и пористого кремния Определение пористости проводилось для ПК, полученного методом анодного травления p-типа Si (111) Номер (op,ps), g/cm3 P(op,ps), % Примечания (1 · cm) при естественном освещении и подсветках образца W-лампой накаливания и Hg-лампой без фильтра. Детали 8 1.28 42.35 Монокристаллический опал получения ПК и его микроструктуры подробно изложе10 1.27 42.50 Поликристаллический опал ны в [6].

28 1.65 25.80 Термообработанный опал Результаты измерений плотности синтетических опа1А-ПК 0.67 71.25 Естественное освещение лов op и пористого кремния ps, а также рассчитанные 2А-ПК 0.65 72.10 W-лампа на их основе значения пористости Pop и Pps приводятся 5А-ПК 0.42 82.00 Hg-лампа без фильтра в таблице.

Физика твердого тела, 1997, том 39, № 958 В.В. Ратников Таким образом, предлагаемый метод рентгеновской порометрии позволяет проводить экспрессные измерения интегральной пористости веществ, включая закрытые для газов и жидкостей поры. Метод не трудоемок, не требует специальной подготовки образцов, не разрушает и не загрязняет образцы, а также не нарушает их структуру. Может быть реализован на любом стандартном источнике монохроматического рентгеновского излучения. На примере синтетических опалов и ПК показана чувствительность метода к физическим воздействиям на пористые материалы (термообработка для опалов и подсветка при получении ПК).

В заключение автор выражает благодарность Е.В. Астровой и Д.А. Курдюкову за предоставленные образцы, М.П. Щеглову за измерения плотности плавленого кварца и Л.М. Сорокину за полезное обсуждение результатов работы.

Работа была поддержана Российским фондом фундаментальных исследований (№ 96-02-16948a и № 96-0216907a).

Список литературы [1] L.T. Canham. Appl. Phys. Lett. 57, 10, 1046 (1990).

[2] В.Г. Балакирев, В.Н. Богомолов, В.В. Журавлев, Ю.А. Кумзеров, В.П. Петрановский, С.Г. Романов, Л.А. Самойлович.

Кристаллография 38, 3, 111 (1993).

[3] В.Н. Богомолов, С.А. Ктиторов, Д.А. Курдюков, А.В. Прокофьев, С.М. Самойлович, Д.В. Смирнов. Письма в ЖЭТФ 61, 9, 738 (1995).

[4] В.Н. Богомолов, Д.А. Курдюков, А.В. Прокофьев, С.М. Самойлович. Письма в ЖЭТФ 63, 7, 496 (1996).

[5] А. Гинье. Рентгенография кристаллов. ГИФМЛ, М. (1961).

604 с.

[6] Е.В. Астрова, Р.Ф. Витман, А.А. Лебедев, В.В. Ратников, А.Д. Ременюк, Ю.В. Рудь. ФТП. В печати.

[7] Г.Б. Бокий. Кристаллохимия. Наука, М. (1971). 400 с.

[8] L.T. Canham, M.R. Houlton, W.Y. Leong, C. Pikering, Y.M. Keen. J. Appl. Phys. 70, 1, 422 (1991).

[9] B.J. Mrstik, A.G. Revez, M. Ancona. J. Electochem. Soc. 134, 8A, 2020 (1987).

Физика твердого тела, 1997, том 39, №




© 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.