Диссертация (1090147), страница 27
Текст из файла (страница 27)
В такихобъектах полосы 2D и G (рис.6.8) испытывают красный сдвиг соответственно184на величину 27,8 и 14,2 см −1 при нагрузке, равной 1% от соответствующеймаксимальнойдлямежатомныхсвязей.Такоеизменениечастотырассеянного света вызвано растяжением межатомных связей углерода (см.ссылки [36]).Приложение одноосного напряжения на образец графена можетоткрыть зону запрещенных энергий в К-точке зоны Бриллюэна. Расчетсвойств твердого тела, исходя из волновых функций атомов в свободномсостоянии, показал открытие зоны запрещенных энергий на 300 мэВ при 1%механическом напряжении (рис.
6.9). Результаты эксперимента и расчетапоказали хорошее согласие [см. ссылки 36].Рисунок 6.9. Открытие зоны запрещенных энергий напряженного образцаграфена. Точки – экспериментальные данные, сплошные линии –теоретический расчет [36]Таким образом, метод одноосного напряжения может быть весьмауспешным при создании полупроводникового графена.185Так, можно предложить метод изотопической перенормировки энергииэлементарных возбуждений в твердом теле.
Первое экспериментальноеисследование влиянияизотопического эффекта на теплопроводностьграфена доложили Chen и другие (см. ссылки [36]). Теплопроводность притемпературе 320 К изотопически чистого12С (0,0113 С )графена была чутьболее 4000 W / mK , что приблизительно в два раза больше, чем в алмазе.Величина теплопроводности возрастает вдвое для образцов, состоящих из50%12С и 50%13С . Спектры комбинационного рассеяния света образцовграфена с различной концентрацией изотопа 13С , полученные при комнатнойтемпературе и представленные на рис.6.8, показывают, что как и в случаеизотопического алмаза, частота оптического фонона (G пик) в центре зоны−12Бриллюэна варьируется как ω ≈ М . При этом происходит сдвиг линиирассеянияприблизительнопропорциональным(12/13) −1 / 2всторонуменьшего значения ω для кристаллов с большей концентрацией13С.Экспериментальная (максимальная) разница значений частоты оптическогофонона в графене для G пиков в зависимости от концентрации99,2%13доС0,01%1313С (отС ) составляет 64см −1 , что находится в хорошемсогласии с теорией [см.
ссылки 36]. Важно заметить, что аналогичный сдвигдля оптического фонона в алмазе (с sp 3 -связью) равен 52,3см −1 , что такжесогласуется с вышеуказанным отношением масс изотопов. Замещение легкихизотопов ( 12 С, H ) тяжелыми увеличивает энергию межзонных переходов вслучае12Сx ,13C1− x на 14,7 мэВ , а для LiH x D1− x - соответственно на 103 мэВ [65].Учитывая более мягкую связь в графене ( sp 2 вместо sp 3 в алмазе), в работе[35] был сделан вывод, что изотопический эффект приведет к созданиюполупроводниковогоСледовательно,графена,частотныйт.е.сдвигксозданиюоптическогозапрещеннойфононавзоны.спектрекомбинационного рассеяния свидетельствует об изменениях ширинызапрещенной зоны.186Таким образом, частотныйсдвиг, характеризующийизменениефононной энергии, может образоваться, например, в результате одноосногонапряжения в образце или изотопического замещения легких изотопов болеетяжелыми.
При этом величина сдвига в несколько десятков см −1соответствует запрещенной зоне в несколько сот мэВ для графена. Отсюда,в зависимости от процентного содержания13С в изотопическом графеневеличина запрещенной зоны будет иметь порядок от нескольких десятков донескольких сот мэВ .Такимобразом,путемизменениясильного(внутриядерного)взаимодействия, а именно, добавления одного нейтрона, происходитперенормировка электронной энергии и открытие запрещенной зоны, чторавносильно созданию полупроводникового графена.Существуют несколько способов изготовления графена, например, спомощью тончайшей иглы или нанокарандаша, путем механическогоотслоенияграфенаспомощьюклейкойленты,эпитаксиальноговыращивания во время термического разложения карбида кремния и т.д.
Этиметоды трудоемки и размеры полученных кристаллов графена не превышаютодного миллиметра. Затем необходим еще один этап производства: переводграфена-полуметалла в графен-полупроводник, который существует покатолько в лабораторных условиях.В качестве альтернативного метода можно предложить способизготовленияполупроводниковогографенастрансмутационного легирования путем облученияпомощьюзаготовкипроцессаграфитанейтронным потоком. Известно, что природный графит состоит из двухизотопов: изотопа12С (98,89%) и изотопасодержание изотопа1313С (1,11%) [36].
Повышая процентноеС , в заготовке графита в последующем будетоткрываться запрещенная зона в графене. Наиболее подходящими дляоблучения следует считать тепловые нейтроны с энергией от 0,025 до 1эВ.При этом равномерность облучения можно рассчитать следующим образом.187Так, среднее значение глубины поглощения нейтронов заготовкой из графитаL равна [36]:L = 1 / К 0σ i ,где К 0 - число атомов графита в 1 см 3 , равное 3,402 ⋅ 10 23 ат/ см 3 ;σ i = 0,0033барн - сечение поглощения изотопа С 12 .Подставляя значения К 0 и σ i в формулу для глубины поглощения,L =8,91м.
Эта цифра свидетельствует о том, что на глубине вполучимнесколько сантиметров, например, каждый десятый изотоппереведен с высокой вероятностью в изотоп1312СбудетС , а ширина запрещеннойзоны составит несколько десятков мэВ. Если перевести половину изотопов12Св изотоп13С , то величина запрещенной зоны в графене достигнетнескольких сот мэВ [35]. Значение запрещенной зоны можно получить изследующей пропорции: x = [32(см −1 ) ⋅ 300( мэВ)] / 14,2(см −1 ) = 676( мэВ) , где 32см −1 частотный сдвиг оптического фонона при 50% замещении изотопов вграфене; 300 мэВ -открытие зоны запрещенных энергий на 300 мэВ при 1%механическом напряжении в графене (рис.6.9); 14,2см −1 - красный сдвиг Gпика принагрузке, равной 1% от соответствующей максимальной длямежатомных связей (рис.
6.9.).Известно, что графит состоит из слабосвязанных графеновых слоев,которые можно отделить друг от друга механическим путем. Для этогонеобходимо соприкосновение с химически чистой и ровной поверхностьюподложки из окиси кремния, после чего на поверхности остается слойграфена, площадь которого может составить 1 см 2 .Рассчитаем время, которое требуется для повышения концентрацииизотопа13Св заготовке из графита с помощью нейтронного потока(рис.6.10) .
Так, интегральный поток ϕt для 50% переводаравен:12С в изотоп13С188ϕt =0,5/ σ i ,где ϕ -интенсивность нейтронного потока;t - время облучения.Отсюда, при интенсивности нейтронного потока 1019 н/с см 2 время tсоставит 175,365 суток. При увеличении интенсивности нейтронного потокана порядок для облучения потребуется 17,54 суток. Затем облученнуюзаготовку механическим путем расщепляют на отдельные атомарные слоиграфена.Поток нейтроновРисунок 6.10.
Схема облучения заготовки нейтронным потокомПолученные цифры свидетельствуют о реальности полученияполупроводникового графена с помощью ядерных технологий.6.3 Физико-технологические основы производства кристаллическихнаноструктур из кремнияТехнологический процесс производства кристаллических наноструктуропределяется выбором исходных материалов. В качестве таких материаловмогут использоваться разные полупроводники, например, арсенид галлия иалюминат арсенида галлия (композитные наноструктуры), легированныеполупроводники (легированные сверхрешетки), изотопы одного и того жехимическогоэлемента(изотопическиесверхрешетки).Наиболееперспективным материалом для получения изотопических наноструктур с189точки зрения материальных затрат и наличия готовых технологийпроизводства является кремний.Технологический процесс получения кремнияКремний является одним из самых востребованных химическихэлементов в промышленности.
Кремний широко используется в солнечныхбатареях, силовой электронике, микроэлектронике, оптоэлектронике и др.Любой технологический процесс, связанный с кремнием, включает операциюполучения элементарного кремния. Несмотря на то, что кремний второй пораспространенности элемент, в свободном состоянии не встречается. Онвходит в состав многих силикатных и алюмосиликатных минералов.Исходным сырьем является диоксид кремния в виде кремнезема (песок,кварц, глина). Кремний - темно-серое твердое вещество с металлическимблеском и алмазоподобной кристаллической решеткой. Различают несколькоформ кремния (рис.6.11): монокристаллический, мультикристаллический,поликристаллическийиаморфный.Мультикристаллическийкремнийзанимает промежуточное положение между поли- и монокристаллическимкремнием по размеру и количеству кристаллов.
Поликристаллическийкремний состоит из большого числа мелких кристаллитов (небольшиекристаллические зерна), хаотически ориентированных друг относительнодруга. Аморфный кремний - темно-коричневый порошок, представляющийиз себя микрокристаллическую форму кремния, в котором отсутствуетдальнийпорядоквкристаллическойрешетке.Монокристаллическийкремний представляет из себя один кристалл, который обладает одинаковойгеометрией кристаллической решетки, ориентированной в определеннойкристаллографической плоскости. Форма кремния зависит от технологиикристаллизации. Существует также наноструктуированный (пористый)кремний, который состоит из квантовых структур (проволоки, точек) иполучается путем локального анодного электрохимического растворениямонокристаллического кремния в электролитах на основе плавиковойкислоты [11].190Рисунок 6.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
