WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Физика и техника полупроводников, 2003, том 37, вып. 10 Фотолюминесценция аморфного углерода, выращенного лазерной абляцией графита ¶ © С.Г. Ястребов, В.И. Иванов-Омский, А. Рихтер Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия Университет прикладных исследований, Вильдау, 15754 Берлин, ФРГ (Получена 11 февраля 2003 г. Принята к печати 17 февраля 2003 г.) Измерены спектры фотовозбуждения и фотолюминесценции (1–7эВ) пленок аморфного углерода, выращенного методом лазерной абляции графитовой мишени. Из анализа экспериментальных данных, проведенного с использованием правила сумм, определена зависимость эффективной плотности состояний электронов от энергии. Выявлены характерные пороговые энергии в спектре эффективной плотности состояний при 1.4 и 4 эВ и сделан вывод о неоднородном распределении плотности состояний по энергиям, которая приписана различию вкладов - и -состояний электронов. Оценена температура возбуждаемой излучением электронной системы, которая оказывается в 40 раз больше решеточной. Это обстоятельство связывается с эффектами разогрева электронов светом.

1. Введение фотовозбуждения определяется плотностью состояний, создаваемых -электронами.

Оптическая диагностика аморфного углерода широко применяется для характеристики его физических свойств [1,2]. Получаемый в различных технологиче- 2. Эксперимент ских процессах аморфный углерод, обладая большим Слои аморфного углерода осаждались на кремниеразличием свойств, представляет собой по существу вую подложку в процессе лазерной абляции мишени набор материалов. Особое место среди этой группы высокоориентированного пиролитического графита. Наматериалов занимает углерод, изготовляемый методом лазерной абляции графита [3–5]. Полезная привлека- несение слоев происходило в вакуумной камере при тельность этого метода состоит в относительной про- давлении 10-3 Па, при этом подложка специально не настоте контроля условий изготовления материала, что гревалась. Эксимерный лазер компании Lambda Physic, позволяет изменять свойства этих пленок в широких в котором в качестве рабочей среды применялась газопределах. Получаемый при этом продукт его приме- вая смесь аргона и фтора, использовался для абляции нения в качестве покрытий лазерных дисков должен мишени. Абляция проводилась при следующих параметобладать хорошей оптической прозрачностью в види- рах: 10 Гц и 500 мДж для частоты импульсов и энермом диапазоне. Естественным при этом представляется гии соответственно, скорость абляции 6 нм за импульс, развитие оптических методов контроля таких пленок, интенсивность 260 МВт/см2. Эллипсометрические измепричем желательно неразрушающих. К их числу без- рения показали, что толщина пленки составила 50 нм.

условно принадлежит фотолюминесценция, хотя фак- Метод отслоения пленки в жидкой фазе использовался тически бесструктурный ее спектр, характерный для для определения ее плотности. Оказалось, что она раваморфного материала, предъявляет особые требования на 2.85 г/см3. Согласно работе [6], в которой приводится к способу обработки экспериментального материала.

полуэмпирическая зависимость, связывающая плотность Имеется в виду извлечения из эксперимента параметров, материала с содержанием в нем sp3-фазы, исследованспособных количественно характеризовать особенности ные пленки содержат 72% последней.

материала, изготовленного по данной технологии.

Спектрофотометр Хитачи F4010 использовался для В настоящей работе приводятся результаты исследоизмерения спектров фотовозбуждения (рис. 1) и фотования спектров фотолюминесценции и фотовозбуждения люминесценции (рис. 2). Наблюдалась люминесценция в аморфном углероде, выращенном методом лазерной в стоксовой области в интервале 0.75–6 эВ при возбуабляции. Из анализа экспериментальных результатов ждении фотонами с энергиями 4.96 и 5.6 эВ. Спектр извлекается информация о спектре эффективной плотфотовозбуждения люминесценции снимался для энерности состояний электронов и аллотропном составе гий 3.1, 3.26, 3.54 эВ.

углерода в выращенных слоях. Проанализированы как На рис. 1 представлены спектры фотовозбуждения спектры фотовозбуждения, так и фотолюминесценции.

люминесценции для типичного образца. Видно, что инПоказано, что спектры фотолюминесценции являются тенсивность люминесценции возрастает с увеличением информативными для определения спектра состояний, энергии возбуждения начиная с 3.4эВ и достигает порождаемых -электронами, в то время как спектр максимального значения при 6 эВ. Сравнение этого ¶ E-mail: Yastrebov@mail.ioffe.ru результата со спектром фотолюминесценции (рис. 2) 1194 С.Г. Ястребов, В.И. Иванов-Омский, А. Рихтер свидетельствует о том, что имеет место большой стоксов сдвиг, столь характерный для неупорядоченных веществ. Выявляются две характерные энергии отсечки. Экстраполяция спектра фотовозбуждения позволяет выявить энергию отсечки 4.4 эВ, которая может быть приписана краю собственного поглощения перехода ми - (рис. 1). Низкочастотная отсечка спектров фотовозбуждения 3.4 эВ, маскируемая в спектре полосой фотолюминесцении --переходов, свидетельствует о вкладе дефектов структуры в поглощение -электронами.

На рис. 2 приводятся спектры фотолюминесценции при возбуждении фотонами с энергиями 4.96 и 5.63 эВ.

Нетрудно видеть, что спектры имеют выраженную структуру, основные элементы которой не зависят от Рис. 3. Спектр фотолюминесценции после вычитания тренда.

длины волны возбуждения. С целью дальнейшего выявления структуры спектра первоначальные экспериментальные данные подвергались сглаживанию с помощью фильтрации. В результате была получена кривая ми. Отметим, что после масштабирования абсолютные тренда, изображенная на рисунке сплошными линиязначения обоих трендов практически совпадают. Затем значения трендов вычитались из экспериментальных данных. Разности масштабировались на максимальное значение для обеих энергий возбуждения. Результаты представлены на рис. 3. Видно, что в обоих случаях кривые совпадают. Достаточно хорошо выраженные максимумы 1.6 эВ можно приписать вкладу GRвакансий [7] в нанокластерах высокотетраэдрического углерода (наноалмазов), присутствующих в структуре пленки, выращенной лазерной абляцией. Аналогичным образом можно приписать наличию в пленках нанокластеров высоко тетраэдрического углерода (наноалмазов) соответственно пики при 2.1 эВ — комплексам, включающим примеси азота; 2.64 эВ — межузельному или межузельно-вакансионному комплексу TR12; 3 эВ — центру N3, состоящему из трех атомов азота и одной вакансии; 3.8 эВ (A-центр) и 4.2 эВ. Проявление струкРис. 1. Спектры фотовозбуждения образцов, снятые для: турных дефектов, характерных для алмаза, дает первое 1 —3.5 эВ, 2 —4.4 эВ, 3 — 3.1 эВ. Сплошные кривые полу- свидетельство высокой концентрации sp3-компоненты чены в результате фильтации.

углерода в исследованных пленках.

3. Анализ экспериментальных результатов 3.1. Спектры фотолюминесценции и фотовоздуждения Для записи интенсивности излучения воспользуемся результатами работы [8]:

()I () D(), (1) pl exp - kT D() =()2 (), (2) Рис. 2. Спектры люминесценции аморфного алмазоподобного, = — мнимая часть диэлектрической проницаеуглерода: квадраты — энергия возбуждения 5.63 эВ, кружмости материала и энергия соответственно.

ки — 4.96 эВ.

Физика и техника полупроводников, 2003, том 37, вып. Фотолюминесценция аморфного углерода, выращенного лазерной абляцией графита представлен ход зависимости мнимой части диэлектрической функции, полученной непосредственно из спектров фотовозбуждения с использованием выражения (3).

Низкочастотная и высокочастотная отсечки при 1.и 4.4 эВ относятся к краям собственного поглощения, сформированным переходами - и -электронов соответственно.

Воспользуемся определенными значениями мнимой части диэлектрической проницаемости для вычисления числа электронов N в единице объема из правила сумм [9]:

4Ne2 g = = ()d. (4) Рис. 4. Зависимость функции U-1( ) +1, восстановленной m из эксперимента, от энергии. Наклон прямой дает значение kT = 1.2эВ.

Здесь, m, e — энергия, эффективная масса и заряд электрона соответствнно. Результат расчета суммарной плотности электронов по формуле (4) представлен Выражение для интенсивности фотовозбуждения на рис. 6. Можно видеть на частотной зависимости в этом случае имеет вид плотности возбуждаемых электронов появление двух перегибов, что, очевидно, соответствует особенностям I D(). (3) pe в спектре плотности состояний электронов в исследованных пленках аморфного углерода. Численно диффеОпределим температуру электронной системы, вхоренцируя данные рис. 6 (кривая 1) по энергии, полудящую в выражение (1). Для этого примем, что чаем спектр эффективной плотности состояний (), функция D() зависит от энергии слабее функции который приводится на рис. 6 (кривая 2). Заметим, что, 1/ exp(/kT ) - 1. Видно, что для решения этой поскольку на рис. 5 представлена дисперсия в произзадачи необходимо выделить из (3) функцию 1/ exp(/kT ) - 1. С этой целью необходимо выпол- вольных единицах, данные, изображенные на рис. 5, дополнительно нормировались на число электронов, нить следующие шаги.

1. Нормировать экспериментальные значения интен- имеющихся на самом деле в -зоне. Использовалась сивности фотовозбуждения I () на квадрат соответ- связь между плотностью материала P (г/см3) и энергией pl exp ствующего значения энергии ()2. В результате получа- + плазмона E( +) (эВ) [6]: P 3.63 · 10-3(E +)2.

ется некая функция, которую в свою очередь нормируем Получаем для E + = 28 эВ. Как отмечалось выше, на ее площадь. В результате имеем функцию, которую образец состоит из 28% атомов sp2- и 72% атомов sp3назовем U().

фазы. Будем считать, что каждый атом отдает 4 элек 2. Построить функцию 1/U() + 1 в логарифмичетрона: 4 -электрона в случае sp3-фазы и 3 - и один ском масштабе (рис. 4).

-электрон в случае sp2-фазы.

3. По наклону в области высоких частот определить температуру (сплошная линия на рис. 4).

Высокие значения температуры в выражении (1) — kT = 1.2 эВ — могут быть приписаны влиянию эффекта разогрева носителей, проявляющегося вследствие затруднения их термализации из-за неоднородностей наноструктуры материала при переходе носителей из соседних областей пространства, занятых графитоподобной фазой.

3.2. Эффективная плотность состояний Умножая функцию U(), полученную в результате выполнения шага 2 процедуры, описанной в преды дущем параграфе, на exp(/kT) - 1 имеем функцию D(), из которой нетрудно определить дисперсию мнимой части диэлектрической функции (), Рис. 5. Дисперсия мнимой части диэлектрической функции, используя выражение (2). Эта зависимость изображена восстановленная из данных по фотолюминесценции (1) и фотовозбуждению (2).

на рис. 5 (кривая 1). На том же рисунке (кривая 2) Физика и техника полупроводников, 2003, том 37, вып. 1196 С.Г. Ястребов, В.И. Иванов-Омский, А. Рихтер Авторы выражают благодарность РФФИ за финансовую поддержку, грант № 03-02-16289-a.

Работа выполнена при поддержке программы DAAD/ZIP International Quality Networks, в рамках направления Technology of New Materials, грант N 214/IQN.

Список литературы [1] J. Robertson, E.P. O’Reilly. Phys. Rev. B, 35, 2946 (1987).

[2] J. Robertson. Phys. Rev. B, 53, 16 302 (1996).

[3] A. Richter. J. Non-Cryst. Sol., 88, 131 (1986).

[4] A. Richter. Opt. Lasers Techn., 24, 215 (1992).

Рис. 6. Спектр суммарной плотности электронов согласно [5] B. Schultrich. Adv. Eng. Mater., 2, 419 (2000).

формуле (4) и данным рис. 4 (кривая 1). Спектр эффективной [6] A.C. Ferrari, A. Libassi, B.K. Tanner, V. Stolojan, J. Yuan, плотности состояний (кривая 2). L.M. Brown, S.E. Rodil, B. Kleinsorge, J. Robertson. Phys. Rev.

B, 62, 11 089 (2000).

[7] В.С. Вавилов, А.А. Гиппиус, Е.А. Конорова. Электронные и оптические процессы в алмазе (М., Наука, 1985).

Тогда [8] A. Einstein. Phys. Zs., 18, 121 (1917).

2 [9] Л.Д. Ландау, Е.М. Лифшиц. Электродинамика сплошных E+ (sp2) = 0.28E +, сред (М., Наука, 1982).

2 E(sp ) =(1/4)E+ (sp2).

2 Редактор Л.В. Беляков Здесь E+ (sp2) — энергия + (sp2) плазмона. Ее Photoluminescence of amorphous carbon квадрат пропорционален числу электронов, содержаproduced by laser ablation of graphite щихся в sp2-фазе. E(sp2 — энергия (sp2) плазмо) на, ее квадрат пропорционален суммарному количе- S.G. Yastrebov, V.I. Ivanov-Omskii, A. Richter ству -электронов, содержащихся в образце. Значение Ioffe Physicotechnical Institute, E(sp ) = 54.88 эВ2 использовалось при построении данRussian Academy of Sciences, ных рис. 6.

194021 St. Petersburg, Russia Из рис. 6 (кривая 2) можно оценить характерные по- University of Applied Sciences, Wildau, роговые энергии в спектре эффективной плотности со15745 Berlin, FRG стояний, которые оказываются равными 1.4 и 4эВ.

Эти энергии могут быть приписаны различию вкладов - и -состояний электронов в эффективную плотность состояний.

4. Заключение С помощью лазерной абляции графитовой мишени получены образцы аморфного алмазоподобного углерода, содержащего 72% sp3-фазы. Изучены спектры фотовозбуждения и фотолюминесценции, по которым восстановлена дисперсия мнимой части диэлектрической функции.

С использованием правила сумм определена зависимость эффективной плотности состояний электронов от энергии. Выявлены характерные пороговые энергии в спектре эффективной плотности состояний при 1.и 4 эВ и сделан вывод о неоднородном распределении плотности состояний по энергиям, которая приписана различию вкладов - и -состояний электронов. Оценена температура возбуждаемой излучением электронной системы, которая оказывается в 40 раз больше решеточной. Это обстоятельство связывается с эффектами разогрева электронов светом.




© 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.