Диссертация (1090147), страница 31
Текст из файла (страница 31)
Модифицированные наноструктуры (ИНС)-это не конечный продукт, промежуточный, влияющий на основныетехнические характеристики базовых элементов ВОСП, от которых зависитглавный эксплуатационный параметр ВОСП – пропускную способность.Предложенные в работе ИНС основаны на новых физико-технологическихпринципах. Этот факт определяет перечень технических характеристик(процентное содержание тяжелых изотопов, ширина запрещенной зоны,показатель преломления, коэффициент электросопротивления и т.д.),которые необходимо рассчитывать и измерять на этапах поисковых,прикладных НИР, а также в процессе опытно-конструкторских работ,производства опытного образца и промышленного производства.Поэтомупостоянный мониторинг параметров функциональных сред оптоэлектронныхустройств является неотъемлемой частью технологии производства.
В основеметодики анализа качества ИНС (измерений основных техническихпараметров) лежат экспериментальные исследования, проводимые, например,на этапах фундаментальной и прикладной НИР. Поэтому методика анализакачества ИНС включает в себя не только измерения электрических211характеристик, но и комплексное исследование фотолюминесценции,различных спектров рассеяния и поглощения, морфологии поверхности ит.д.
Необходимость применения комплексного анализа качества диктуетсясложностьютехнологическихпроцессовизготовлениянаноструктур,связанной, прежде всего, с уменьшением размеров, соизмеримых свеличиной кристаллической решетки.К методам комплексного анализа кристаллических наноструктурследует отнести: кристаллографию (для определения структуры кристалла);микроскопиюповерхностихарактеристик(дляполучениякристалла);фононовкристаллографическойинформацииоспектроскопию (для оценки энергетическихиносителейзарядавкристаллическойнаноструктуре) [84].Кристаллография позволяет установить положения атомов в решетке,для чего кристалл облучают пучком рентгеновских лучей, электронов,нейтронов и измеряют углы дифракции пучка. Этот метод дает информациютакже о размерах зерен поликристаллических структур и характереповерхности материала.
В основе метода лежит эффект отражений Брэгга отразных кристаллографических плоскостей.Рентгенограммуможноиспользоватьдляоценкикачествакристаллической структуры (ширины слоев, однородности изотопическогосостава и кристаллической структуры) ИСВР после облучения потокомнейтронов. Качество нового материала в этом случае во многом определяетсяхарактеристиками потока нейтронов в процессе изготовления ИСВР:коллимированность, равномерность имонохромность (однородностьюнейтронов по энергии).Размеры микрочастиц в наноструктуированном материале можнооценить с помощью электронной просвечивающей микроскопии. Этот метод,наряду сизмерениями рассеяния электронов с помощью газового масс-спектрометра, можно использовать для исследования изотопического составаИСВР после изготовления с помощью нейтронного облучения.212Эффективным методом исследования поверхности образца являетсясканирующая микроскопия с использованием электронного пучка исканирующего твердотельного зонда.Высокое разрешение изображения, приближающееся к межатомнымрасстояниям, обеспечивает ионно-полевая микроскопия, использующаяметаллическую иглу, электрическое поле и камеру с высоким вакуумом.Внутреннюю структуру нового материала на основе ИСВР можнооценить с помощью спектроскопии.
Спектроскопия является одним изосновных методов исследования наночастиц. В основе этого метода лежитоблучение образца светом разного диапазона: видимого и ультрафиолетового(оптическаяспектроскопия);инфракрасного(рамановскаяиИК-спектроскопия). Существует спектроскопия поглощения (просвечивающаяспектроскопия для прозрачных образцов), при которой пренебрегаютотраженным светом, испектроскопия отражения для непрозрачныхобразцов, при которой пренебрегают интенсивностью проходящего пучка иопределяют поглощение по отраженному свету.
Фотоэмиссионная ирентгеновская спектроскопия может дать информацию об относительномсоставе структуры на атомарном уровне.Большоезначениедляизучениясвойствполупроводниковыхматериалов имеет спектроскопия в инфракрасном диапазоне (ИК). Спомощью метода ИК-спектроскопииизмеряют поглощение излучениявысокочастотными (оптическими) фононами, которое чувствительно кналичию отдельных химических групп (гидроксил- , метил- , имидо- , аминои т.д.) Такие исследования могут быть полезными для оценки качестваисходных материалов. Так, на рис. 6.22изображены спектры поглощениянатурального кремния и изотопов кремния-28,29,30.213Рисунок 6.22.
ИК-спектр для кремния разного изотопического состава [121 ]Пики поглощения фиксируют наличие кислорода в образцах.Расположение пиков зависит от изотопического состава кремния [121].Оптоэлектронные свойства нового материала (ширину мини-щелей)можно оценить с помощью фотоэмиссионной спектроскопии, в основекоторой лежит эффект люминесценции.Методика возбуждения фотолюминесценции с целью получениядополнительной информации о наноструктурах является стандартной [84].Возбуждение фотонами с энергией больше ширины запрещенной зоны можетбыть наиболее эффективным при исследовании люминесценции объемныхматериалов, что может быть полезным для анализа изотопического составаисходныхвеществ.Так,нарис.6.23представленыспектрыфотолюминесценции для объемных образцов из натурального кремния икремния -28 [31].
Этот рисунок характеризует разницу в электрон-фононномвзаимодействии при изменении изотопического состава. Кривые несовпадают из-за возникшей после очищения кремния от тяжелых изотоповразницы в ширине запрещенной зоны.214Рисунок 6.23. Спектры фотолюминесценции натурального кремния икремний-28 [31]Частоты излучаемых фотонов в виде пиков определяются разницейэнергий поглощаемого фотона и ширины запрещенной зоны.Эта разницаэнергий расходуется на возбуждение оптических (поперечных ТО ипродольного LO) фононов.Качество внутренней структуры и изотопического состава новогоматериаламожноисследоватьспомощьюрамановскихспектров.Расположение линий в спектре позволит судить о фононных модах икристаллической решетке, вид линий (степеньразмытости)о качествемногослойной структуры.
С помощью метода рамановской спектроскопииможно управлять фононными модами, а следовательно,и электрон-фононным взаимодействием в наноструктурах, определяющим свойстванового материала. Результаты лабораторного анализа рамановских спектровИСВРпредставленыв[77,78].сверхрешетки изображен на рис. 6.24.Видисследуемойизотопической215Рисунок 6.24. Вид сверхрешетки из изотопов кремния [78]Толщина каждого слоя ИСВР не превышает значения 3,2нм. Числослоев каждого изотопа nизменяется от 2 до 24.
Общая ширинананоструктуры составляет величину от 160нм до 200нм .На рис. 6.25, 6.26изображены рамановские спектры рассеяниясверхрешетки ( 28 Si / 30Si ), изображенной на рис.6.24.Рисунок 6.25. Рамановские спектры рассеяния ИСВР ( 28 Si / 30Si ) для n =1 - 8при T=8K [78]216Как видно из рис.
6.25, спектры имеют главный максимум,соответствующий продольной оптической моде 523,5 см −1 объемногообразца из натурального кремния ( n =1),и дополнительные максимумы,характерные для изотопов кремний-28 и кремний-30. С увеличением числаслоев дополнительные максимумы становятся более отчетливыми и частотаих (волновое число) сдвигается в сторону больших значений.
Причемэнергия фононной моды для изотопа кремний-28 обладает большей энергиейза счет меньшей массы. Такая же тенденция проявляется и для случаев с n=8,12,24. (рис.6.26).Рисунок 6.26. Рамановские спектры ИСВР ( 28 Si / 30Si ) для n =8,12,24 [77 ]217Из рис.6.25 и рис.6.26 видно, что с увеличением числа слоев в ИСВРфононные моды, характерные для изотопов кремний-28 и кремний-30,складываютсяипоявляютсядополнительныепикииз-заэффекталокализации.Похожиерезультатыполученыв[122]дляизотопическойсверхрешетки из изотопов германия (рис.6.27 ).Рисунок 6.27. Рамановские спектры ИСВР из изотопов германия70Ge / 74Ge [122]Вверху на рисунке тонкими стрелками указаны положения фононныхмод для объемных образцов из 70 Ge и 74 Ge . Интересно отметить, что в отличиеот фононных мод для германия-70, частота которых сдвигается вправо сростом числа слоев, положение пика для германия-74 остается на том жеместе, что можно объяснить относительно большой разницей масс изотопов.Таким образом, изменяя толщину ИСВР (число слоев n ), можноизменять энергию фононных мод [123], которая определяет свойства новогоматериала, например из кремния [124], и характеристики оптоэлектронныхустройств (тепловой шум, чувствительность, когерентность и время жизниэкситонов, инерционность материала и т.д.).218Для исследования СВР важным является изучение профиля структуры играниц «гетеропереходов».
Наибольшее распространение получили дваметода анализа качества: электронная оже-спектроскопия в сочетании сионным травлением и малоугловая дифракция рентгеновских лучей.Использование этих методов позволит получить оже-профиль ИСВР иоценить совершенство границ с точностью атомарного слоя.6.6 Выводы по главе1.Выделеныосновныефизико-техническиехарактеристикиизотопических материалов, которые можно использовать при управлениитехническимуровнем и качеством модифицированных наноструктур иоптоэлектронных устройств на их основе (различия спектров поглощения ирассеяния, характеристик фононных мод, величины запрещенной зоны,показателей преломления, теплопроводности, электросопротивления).2. Разработан изотопический способ промышленного полученияполупроводникового графена с шириной запрещенной зоны в несколько сотмэВ путем нейтронного облучения, повышающий качество материала.3.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
