Оптические, электрические и фотоэлектрические свойства нанокристаллического оксида индия, страница 4

Проведенный в работе анализ показал, что полученные данные хорошосогласуются с моделью случайных барьеров [9], тем самым ещё раз подтверждая, что вобласти низких температур перенос носителей заряда осуществляется за счет прыжковэлектронов.Раздел 3.2 посвящен исследованию влияния адсорбции диоксида азота напроводимость нанокристаллического оксида индия. Обнаружено, что при комнатнойтемпературе при наличии в атмосфере диоксида азота проводимость резко понижаетсяна несколько порядков, а энергия активации возрастает вследствие уменьшенияконцентрации носителей заряда в результате адсорбции.На рис.

4 представлена зависимостьчувствительности(отношенияпроводимостей до и во время адсорбции)отконцентрацииNO2.немонотоннаяВидназависимостьчувствительности нанокристаллическогооксидаиндияотнанокристаллов:размерамаксимальнаячувствительность зарегистрирована дляРис. 4. Зависимость чувствительностиобразцов нанокристаллического оксида индия отконцентрации диоксида азота, измеренная прикомнатной температуре: (1) In2O3-300, (2)In2O3-500 и (3) In2O3-700.образцасо«средним»размеромнанокристаллов (10-12 нм).Известно, что при адсорбции диоксидаазота,молекулаэлектрон и в формеNO2захватываетнаходится наповерхности нанокристаллического оксида индия [10].

Таким образом, числоадсорбированных нитратных группзависит, с одной стороны, от концентрациисвободных электронов, которые могут образовать, с другой стороны, отколичества доступных состояний на поверхности нанокристаллов, куда можетадсорбироваться. Уменьшение размера нанокристаллов ведет к увеличениюплощади удельной поверхности и, следовательно, к увеличению числа поверхностныхсостояний. В то же время при уменьшении размера нанокристаллов уменьшается16концентрация свободных носителей заряда. Конкуренция указанных факторов и можетбыть причиной немонотонной зависимости чувствительности нанокристаллическогоIn2O3 от размера нанокристаллов.

Подтверждением предложенного объяснениянемонотонной зависимости чувствительности от размера нанокристаллов является тотфакт, что чувствительность образца In2O3-300 с наименьшим размером нанокристалловпри увеличении концентрации диоксида азота практически не изменяется.Далеебылиисследованытемпературныезависимостичувствительностиисследуемых образцов в области температур Т = 300÷400 К. Обнаружено, чточувствительность монотонно уменьшается с увеличением температуры, что можетбыть связано с уменьшением относительного изменения концентрации носителейзаряда в результате адсорбции при повышении температуры.Исследованиятемпературныхичастотныхзависимостейпроводимостиисследуемых образцов при адсорбции NO2 показали, что адсорбция диоксида азота неприводит к смене механизма проводимости нанокристаллического оксида индия:перенос носителей заряда (электронов) в области температур Т = 250÷400 Косуществляется по зоне проводимости.В разделе 4.1 исследуются оптические свойства нанокристаллического оксидаиндия с различным размером нанокристаллов.

С помощью спектроскопии диффузногоотражения и спектроскопии поглощения определена оптическая ширина запрещеннойзоны исследуемых объектов, которая оказалась равна 2,8±0,1 эВ, а переходы с такойэнергией квантов являются прямыми и разрешенными. В то же время коэффициентпоглощение отличен от нуля от нуля и в области энергий квантов меньших ширинызапрещенной зоны. Это может свидетельствовать о наличии локализованных состоянийв запрещенной зоне нанокристаллического In2O3.Далеерассматриваютсяспектральныезависимостифотопроводимостинанокристаллического оксида индия (рис. 5).

При энергии фотонов 2.8 эВ (как былоопределено ранее, равной ширине запрещенной зоны) начинается резкий ростфотопроводимости. С увеличением энергии фотонов фотопроводимость быстродостигает максимума (при энергиях 3.2 – 3.3 эВ, в зависимости от размеровнанокристаллов), а затем начинает уменьшаться. Этот спад может быть связан смалыми временами жизни неравновесных носителей заряда в приповерхностном слоеполупроводника (где преимущественно и должны поглощаться фотоны с энергией) за счет сильной поверхностной рекомбинации17Как видно из вставки на рис. 5,дляобразцаIn2O3-300фотопроводимость отлична от нуля иприэнергияхквантов,меньшихоптической ширины запрещенной зоны.Данныйобразецявляетсяфоточувствительным к зеленому свету(зарегистрированафотопроводимостьначиная с энергии фотонов 2,25 эВ).По-видимому, фотопроводимость приРис.

5. Спектральная зависимостьфотопроводимости нанокристаллическогооксида индия: (1) – In2O3-300, (2) – In2O3-500, (3)– In2O3-700. На вставке показана спектральнаязависимость исследуемых образцов вспектральном диапазоне 2,1 – 2,5 эВ.связана с наличиемлокализованныхсостоянийвзапрещенной зоне данного образца.Раздел4.3посвященисследованиюрелаксациифотопроводимости нанокристаллического оксида индия с различным размеромнанокристаллов. Как следует из спектральных зависимостей фотопроводимости,максимум фотопроводимости наблюдается при освещении светом с энергией квантов3.2 эВ.

Поэтому дальнейшее изучение фотопроводимости было проведено приосвещении УФ диодом с максимумом длины волны 385 нм (~3.2 эВ).Привключениисветапроводимостьматериаловвозрасталаболее чем на 2 порядка в течение первых2 минут и затем постепенно продолжалаувеличиватьсясовременем.выключениисвета,уменьшалась,однако,первоначальномуПрипроводимостьксвоемусостояниюневозвращалась в течение длительноговремени (более суток), т.е. наблюдаласьостаточная фотопроводимость (разностьРис. 6. Кинетики спада фотопроводимостинанокристаллических образцов In2O3 прикомнатной температуре в атмосфере воздуха:(1) – In2O3-300, (2) – In2O3-500, (3) – In2O3-700.проводимости материалов до и послеосвещения).

Причем при возрастанииразмера18нанокристалловвеличинафоточувстительности (отношения фотопроводимости к темновой проводимости)уменьшается, а спад фотопроводимости становится более медленным (рис. 6).Полученные зависимости релаксации фотопроводимости хорошо описываютсярастянутой экспонентой (функцией Коца) [12]:[ (⁄) ](6)Значения параметров τ и β приведены в Таблице 3. Видно, что значение параметра τсильно зависит от размера нанокристаллов и возрастает с их увеличением. При этомпараметр β практически не изменяется от образца к образцу и лежит вблизи значения0,6.Таблица 3.

Значения эффективного времени релаксации и показателя экспоненты дляобразцов нанокристаллического оксида индия на воздухе.Образецτ, cIn O -3003,6∙10In O -5002,1∙10In O -7001,9∙10222Для333болееподробногоизученияβ30,6140,5840,58влияниясоставаатмосферынафотопроводимость наноструктурированного оксида индия временные зависимостиспадафотопроводимостипослевыключения УФ были также измерены ввакуумеитемпературеаргоне(рис.при7,длякомнатнойпримераприведены спады фотопроводимости дляобразца In2O3-300, для других образцовполучены схожие зависимости). Видно,что спад в вакууме и аргоне происходитзначительно медленнее, чем на воздухе,Рис.7. Кинетики спада фотопроводимостиобразца In2O3-300 на воздухе, в вакууме иаргоне при комнатной температуре.что указывает на то, что в наблюдаемомявлениидолговременногоспадафотопроводимости важную роль играютмолекулы кислорода.В качестве одной из возможных моделей, объясняющих долговременной спадфотопроводимости в исследованных образцах была предложена следующая.

Во время19УФ освещения в объёме нанокристалла создаются электрон-дырочные пары.Отрицательно заряженный ион кислорода, захватив дырку, в нейтральном состояниилегко десорбируется с поверхности в соответствиие сгде-неравновсеная дырка. В результате, в объёме полупроводника остаются неравновесныеэлектроны, что и приводит к увеличению проводимости нанокристаллического In2O3.После прекращения освещения, на поверхность образца, находящегося на воздухе,начинают адсорбироваться молекулы кислорода, отдавая дырки обратно в объем.

Врезультатечего,концентрацияэлектроновзасчетрекомбинациисвновьобразовавшимися дырками понижается, и соответственно проводимость уменьшается.Очевидно, что в случае вакуума и аргона остаточная фотопроводимость должназаметно увеличиться, поскольку обратного процесса адсорбции кислорода наповерхность пленки практически не будет (десорбированный кислород будетулетучиваться).Внеупорядоченныхструктурах,например,ваморфномкремнии,экспоненциальную релаксацию, растянутую во времени, связывают с дисперсионнойдиффузией атомов водорода [13]. По аналогии с аморфным кремнием можнопредположить, что в нашем случае дисперсионный характер демонстрирует диффузиякислорода.

Дисперсионный характер диффузии атомов кислорода может быть связан сшироким распределением по энергиям локализованных состояний, по которым иосуществляет движение кислород.В заключении представлены основные результаты и выводы.ЗАКЛЮЧЕНИЕВ работе исследованы оптические, электрические и фотоэлектрические свойстваобразцов нанокристаллического оксида индия с различным размером нанокристаллов(7-20 нм), синтезированных золь-гель методом. Проведены исследования по влияниюадсорбции диоксида азота на электрические свойства исследуемых образцов.

Полученыследующие основные результаты:1.ИсследованыэлектрическиесвойствананокристаллическогоIn2O3напостоянном токе в области температур T=50300 К. Обнаружено, что привысоких температурах T>T0 (T0 = 200 K для образца со средним размеромнанокристаллов 7 нм, T0 = 170 K для образца со средним размеромнанокристаллов 12 нм и T0 = 160 K для образца со средним размеромнанокристаллов 20 нм) проводимость активационным образом зависит от20температуры. При низких температурах T<T0 зависимость проводимости оттемпературы подчиняется закону Мотта, что указывает на перенос носителейзаряда за счет прыжков с переменной длиной прыжка по локализованнымсостояниям, находящимся вблизи уровня Ферми.2.Исследования проводимости на переменном токе нанокристаллическогооксида индия в области температур T=50300 К показали, что при высокихтемпературах T>T0 проводимость нанокристаллического In2O3 не зависит отчастоты.

В совокупности с полученными результатами по проводимости напостоянном токе это позволяет сделать вывод, что в данной областитемператур перенос носителей заряда (электронов) осуществляется по зонепроводимости. При низких температурах T<T0 проводимость степеннымобразом зависит от частоты с показателем степени порядка 0.6, чтоподтверждает вывод о прыжковом механизме переноса электронов в областинизких температур.3.Установлено, что при наличии в атмосфере диоксида азота механизмпереноса носителей заряда в нанокристаллическом оксиде индия неизменяется, но наблюдается резкое уменьшение проводимости In2O3. Приэтом величина чувствительности (отношения проводимости на воздухе без ивприсутствиинанокристаллов.NO2)немонотоннымМаксимальнуюобразомчувствительностьзависиткотразмерадиоксидуазотадемонстрирует образец со средним размером нанокристаллов (10-12 нм).Такая немонотонность может быть объяснена зависимостью чувствителностиIn2O3 от площади удельной поверхности образца и начальной (до адсорбции)концентрации свободных электронов в нем.4.