WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Физика твердого тела, 1999, том 41, вып. 6 Тонкие золь-гель пленки силиката висмута © Е.О. Клебанский, А.Ю. Кудзин, В.М. Пасальский, С.Н. Пляка, Л.Я. Садовская, Г.Х. Соколянский Днепропетровский государственный университет, 320625 Днепропетровск, Украина (Поступила в Редакцию 3 сентября 1998 г.) Золь-гель методом получены тонкие пленки состава Bi12SiO20. Приводятся особенности технологии получения пленок. Принадлежность пленки к структурному типу -Bi2O3 подтверждается дифратометрическим методом. Исследовались спектры пропускания пленок. Спектральная зависимость коэффициента поглощения пленок хорошо стыкуется со спектрами, определенными с использованием объемных кристаллов Bi12SiO20.

Силикат висмута Bi12SiO20 (BSO) представляет собой В настоящем сообщении приводятся результаты рабофоторефрактивный материал и используется в устрой- ты по разработке метода химической гомогенизации и ствах записи и обработки информации. Природа его синтезу кристаллических пленок структуры силикосилфоторефрактивной чувствительности не вполне ясна и в ленита Bi12SiO20 золь-гель методом и исследованию их настоящее время довольно интенсивно изучается. Основ- свойств.

ные разработки и исследования BSO связаны с использо- Методы получения тонких пленок SiO2 и Bi2O3 из ванием кристаллических форм соединений, особенности растворов легко гидролизующихся и термически дисполучения которых хорошо известны. Для детального социирующих соединений описаны в [4]. В качестве изучения края оптического поглощения представляют прекурсоров обычно использовались растворы тетраинтерес тонкопленочные образцы. Успехи в получении этоксисилана и нитрата висмута. Стабильность таких и использовании тонких пленок многих перспективных растворов обеспечивалась добавлением сильных кислот кристаллов обусловили работы по синтезу пленок соста- (HCl, HNO3 и др.). Следует отметить, что растворы ва Bi12SiO20 различными методами. Так, известны данные нитрата висмута в органических растворителях образуют о получении пленок BSO методом высокочастотного осадки, обладают невыской стабильностью, что затрудраспыления [1]. Однако авторам не удалось получить няет приготовление растворов с точной концентрацией воспроизводимых результатов, и физические свойства по висмуту. Получить устойчивые Bi–Si-прекурсоры для пленок существенно уступали свойствам кристаллов. синтеза пленок Bi12SiO20 на основе описанных методов Кроме того, получение пленок представляло сложный не представляется возможным. Можно предположить, технологический процесс, выход годных образцов был что использование 1, 3-дикетонов в качестве стабилинизок ( 3% от исходно затраченных материалов). В зирующих добавок или даже растворителей повысит работе [2] описано получение пленки BSO испарением стабильность растворов, содержащих тетраэтоксисилан в вакууме с последующим прокаливанием на воздухе. и нитрат висмута в необходимом для синтеза пленки Удавалось получить совершенную структуру, имеющую Bi12SiO20 стехиометрическом соотношении.

точечную электронограмму. Параметры решетки плен- В данной работе для получения пленки состава ки хорошо согласовывались с параметрами кристаллов.

Bi12SiO20 в качестве исходных реактивов использовались В настоящее время наиболее разрабатываемым напра- нитрат висмута Bi(NO3)35H2O (осч), тетраэтоксисивлением получения диэлектрических оксидных пленок лан Si(OC2H5)4 (чда), этоксиэтанол HOCH2CH2OC2Hявляется золь-гель метод [3]. Он имеет ряд преиму- (чда), ацетилацетон CH3COCH2COCH3 (чда) и азотществ в сравнении с традиционными химическими и ная кислота марки (чда). Жидкие реактивы перед упофизическими технологиями: не требуется дорогостоящее треблением перегоняли. Нитрат висмута растворяли в уникальное оборудование, возможна высокая степень этоксиэтаноле при 30C, прибавляли азотную кислоту и очистки уже на стадии исходного сырья, хорошая одно- ацетилацетон. Полученный раствор смешивали с раствородность состава, низкие температуры обработки, мини- ром тетраэтаксисилана в этоксиэтаноле и выдерживали мальные отходы и т. д. Метод дает возможность получить 24 часа. Стабильность конечного раствора (прекурсора) легированные пленки, что позволяет целенаправленно составляла 1 месяц. В работе использовались растворы с изменять их физические свойства (электропроводность, содержанием 2-3% нитрата висмута. В качестве подложфотопроводимость, спектры оптического поглощения и ки использовались полупроводниковый кремний и пладр.). Основным препятствием использования золь-гель вленный кварц. Прекурсор наносили на вращающуюся со метода является сложность химического процесса, свя- скоростью 3000 об / мин подложку, сушили на воздухе и занного с многокомпонентностью состава. Однако совре- обжигали при 400C. Для получения заданной толщины менные разработки элементоорганической и коллоидной наносили последовательно нужное количество слоев, химии позволили использовать этот метод для получения промежуточно обжигая каждый слой при 400C. Толтонких пленок активных диэлектриков сложного состава щина пленки оценивалась взвешиванием и составляла (например, сегнетоэлектриков [3]). для 6 слоев 0.23 µm. Формирование кристаллической 1004 Е.О. Клебанский, А.Ю. Кудзин, В.М. Пасальский, С.Н. Пляка, Л.Я. Садовская, Г.Х. Соколянский Дифрактометрические данные для пленки и кристаллического Спектры пропускания пленки на подложке из порошка состава Bi12SiOплавленого кварца записаны на спектрофотометре SPECORD-M40 в диапазоне длин волн 0.2-0.7 µmпри Измельченный кристалл Пленка комнатной температуре. Как видно из рис. 1, прокали№ 2 d, Irel hkl 2 d, Irel вание на воздухе существенно повышает прозрачность 1 21.75 4.081 6 211 21.45 4.17 полученных пленок. Значения оптического пропускания 2 28.05 3.19 55 310 27.65 3.24 отоожженной пленки использовались для расчета коэф3 33.2 2.70 50 321 32.8 2.73 фициента поглощения. Применялась формула [6] 4 35.5 2.536 10 400 35.15 2.56 5 43.9 2.067 10 422 43.35 2.094 1 2TR6 45.8 1.984 20 510 45.25 2.05 40 = ln, (1) d (1 - R)4 +4T R2 - (1 - R)7 52.9 1.746 100 440 52.15 1.759 где d — толщина пленки, T — коэффициент пропуска8 56.05 1.645 25 611 55.3 1.664 ния, R — коэффициент отражения полученной композиции. Последний находился из соотношения [6] (1 - R) =(1 -Rl)(1 - Rq)(1 - Rl-q). (2) структуры силикосилленита осуществляли термическим В процессе вычислений в качестве Rl использован обжигом при 650C. Вермя выдержки составляло 1 час.

коэффициент отражения кристалла BSO по данным раДля идентификации состава пленки записывались дифрактограммы пленки, подложки и порошка из монокристалла BSO, выращенного методом Чохральского.

Для записи использовался дифрактометр ДРОН-2.0 с монохроматизированным CuK излучением. В таблице приведены межплоскостные расстояния и относительные интенсивности рефлексов, наблюдаемых на пленке и кристаллическом порошке BSO. Здесь же даны индексы hkl для рефлексов порошка, проиндексированных с учетом пространственной группы (T ) и параметра решетки (a = 10.1 ) кристалла BSO [5].

Наличие интенсивных пиков на дифрактограмме пленки говорит о ее кристаллическом строении, а близость значений межплоскостных расстояний пленки и порошка свидетельствуют о принадлежности пленки к структурному типу -Bi2O3, к которому относится BSO. Отметим, Рис. 1. Спектры оптического пропускания пленки Bi12SiO20:

что на дифрактограмме пленки отсутствуют следы сте1 — свежеприготовленная пленка, 2 — пленка после отжига клообразования, а влияние подложки из плавленого кварпри 750C.

ца отражается в виде размытого максимума в области малых углов. Сравнение интенсивности линий пленки и порошка указывает на текстурированность пленки.

Как видно из таблицы, в пленке преобладает преимущественная ориентировка кристаллов, в которых атомные плоскости {211} параллельны плоскости подложки. Это типично для объемноцентрированных кристаллов, где эти плоскости являются плоскостями двойникования.

Направление плоскостей упаковки 111 лежит в этой плоскости, и при деформации система {211} 111 часто характеризует текстуру материала.

Удельная проводимость полученных пленок при комнатной температуре 10-10 -1 · cm-1, а ее энергия активации составляет примерно 0.44 eV. Подвижность носителей заряда была определена по квадратичным участкам ВАХ с применением соотношений, характерных для токов, ограниченных пространственным зарядом. При T = 20C подвижность носителей заряда Рис. 2. Спектральная зависимость коэффициента поглощения составляет 10-4 cm · V-1s-1 и с ростом температуры Bi12SiO20: 1 — золь-гель пленки, 2 — по данным работы [6], экспоненциально увеличивается. 3 — объемный монокристалл Bi12SiO20.

Физика твердого тела, 1999, том 41, вып. Тонкие золь-гель пленки силиката висмута боты [7]. Коэффициент отражения кварцевой подложки рассчитан по формуле Френеля с использованием значений коэффициента преломления кварца nq [5], а коэффициент отражения границы раздела пленка–кварц вычислялся как nl - nq Rl-q =, nl + nq где 1 + Rl nl =.

1 - Rl Формула (1) применима пока толщина образца превышает длину волны оптического излучения в кристалле ( = /nl). Это условие в нашем случае довольно хорошо выполняется для 370 nm, где nl 3.3. При более длинных волнах коэффициент преломления резко уменьшается [7] и становится почти независимым от, колеблясь вокруг значения 2 · 103 cm-1, что не согласуется с результатами на объемных кристаллах.

Полученная таким образом спектральная зависимость коэффициента поглощения BSO приведена на рис. (кривая 1). Поскольку в литературе отсутствуют данные для этого энергетического диапазона, здесь же приведены значения при меньших энергиях квантов по данным работы [7] (кривая 2), а также результаты наших исследований поглощения на объемных кристаллах BSO (кривая 3). Последние хорошо согласуются с результатами [8]. Как видно из рис. 2, спектральная зависимость коэффициента поглощения полученных в настоящей работе золь-гель методом пленок BSO довольно хорошо согласуется со спектрами, определенными с использованием объемных кристаллов.

Таким образом, результаты кристаллографических и оптических исследований позволяют сделать заключение о том, что пленки, полученные золь-гель методом, являются кристаллическими и имеют состав Bi12SiO20.

Список литературы [1] В.К. Малиновский, О.А. Гудаев, В.А. Гусев, С.И. Деменко.

Фотоиндуцированные явления в силленитах. Наука, Новосибирск (1990). 160 с.

[2] Sh.M. Efenliev, V.E. Bagiev, A.Ch. Zeinally, V.M. Skoricov.

Phys. Stat. Sol. (a) 50, P k141 (1978).

[3] S.Z. Swartz, V.E. Wood. Ferroelectric thin films. Condensed matter news 1 5, 4 (1992).

[4] А.В. Суйковская. Химические методы получения тонких прозрачных пленок. Химия, Л., (1971). 200 с.

[5] Акустические кристаллы. Справочник / Под ред. М.П. Шаскольской. Наука, М. (1982). 632 с.

[6] Ю.И. Уханов. Оптические свойства полупроводников. Наука, М. (1977). 366 с.

[7] А.А. Реза, Д.Б. Сенулене, В.А. Беляев, Е.И. Леонов. Письма в ЖТФ5, 8, 465 (1979).

[8] S.L. Hou, R.B. Laner, R.E. Aldrich. J. Appl. Phys. 44, 6, (1973).

Физика твердого тела, 1999, том 41, вып.




© 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.