Фотоэлектронные процессы в наноструктурированном кремнии со спиновыми центрами (1097962), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Обнаружен эффект замедления спин-решёточной релаксации ОСкремния в ПК по сравнению с c-Si. Дано объяснение данного эффекта,учитывающееизменениеэлектрон-фононноговзаимодействиявнаноструктурированном кремнии по сравнению с c-Si.5. Реализован метод ЭПР-диагностики процесса генерации синглетногокислорода в ансамблях кремниевых нанокристаллов и определения егоконцентрации. В основе метода лежит изменение времен релаксацииСЦ - ОС кремния.Научная и практическая значимость работы обусловлена тем, чтосовокупностьполученныхфотоэлектронныесвойствавнейрезультатовнаноструктурированногохарактеризуеткремниявзависимости от условий формирования, хранения и молекулярногоокружения входящих в его состав нанокристаллов. Полученные вдиссертации результаты могут быть использованы для разработки новыхустройств на основе ПК и развития новых методов управленияконцентрацией равновесных СНЗ, диагностики генерации и определенияконцентрации синглетного кислорода в кремниевых нанокристаллах вслоях ПК.
В частности, для практических применений могут бытьполезны следующие результаты:1.Обнаруженное в ПК резкое увеличение концентрации равновесныхСНЗ при адсорбции акцепторных молекул может быть использованов технологии изготовления легированных наноструктурированныхполупроводников.2.Обнаруженный в ПК эффект перезарядки поверхностных состоянийпри освещении с временами «запоминания» заряда длительностьюнесколько часов может быть использован для разработки элементовпамяти на основе данного материала.3.Полученные в работе сведения о повышенной радиационнойстойкости ПК по сравнению с c-Si позволяют рекомендовать7использование микроэлектронных устройств на основе данногоматериала в условиях повышенной радиации.4.Предложенный в работе метод ЭПР-диагностики процесса генерациисинглетного кислорода и определения его концентрации в ПК можетбыть использован для биомедицинских применений, в частности, дляфотодинамическойтерапиионкологическихзаболеванийсприменением кремниевых нанокристаллов.Личный вклад автора в проведенное исследование.
Личный вкладавтора заключается в выборе направления исследования, формулировке ипостановке цели и задач работы, непосредственном участии в проведениивсех экспериментов, проведении теоретических исследований, обработкеи интерпретации полученных результатов, написании статей и подготовкедокладов.Апробация работы проведена в ходе выступлений на российских имеждународных научных конференциях и симпозиумах, в том числе:международных симпозиумах E-MRS Spring Meeting (Страсбург, 1993, 1994,1995, 1999), XXII конференции по эмиссионной электронике (Москва,1994); IV Всероссийской научно-технической конференции "Физикаокисных пленок" (Петрозаводск, 1994), международных симпозиумах"Наноструктуры: физика и технология" (С.-Петербург, 1995, 1997),международных симпозиумах "Advanced Laser Technology" (Прага, 1995;Хераклион, 1996; Лиможес, 1997), II и III международных конференциях пофизике низкоразмерных структур PLDS-2,3 (Дубна, 1995, Черноголовка,2001), международной конференции для молодых ученых "Физика твердоготела: фундаментальные и практические приложения" (Ужгород, 1995),Всероссийской конференции "Проблемы Фундаментальной Физики"(Саратов, 1996), X Российском Симпозиуме по растровой электронноймикроскопии и аналитическим методам исследования твердых тел(Черноголовка,1997),IIIРоссийской8конференциипофизикеполупроводников, (Москва, 1997), II-V международных конференциях попористым полупроводникам: наука и технология PSST (Майорка, 1998;Мадрид, 2000; Teнерифe, 2002; Куйера – Валенсия, 2004; Ситжес - Барселона,2006), международной конференции молодых учёных и инженеров”Оптика-99” (С.-Петербург, 1999), XVII международной конференции покогерентной и нелинейной оптике ICONO (Минск, 2001), V Всероссийскоймолодежнойконференциипофизикеполупроводниковиполупроводниковой опто- и наноэлектронике (С.-Петербург, 2003), IVмеждународной конференции по аморфным и микрокристаллическимполупроводникам (С.-Петербург, 2004), III международной конференции"Фундаментальныепроблемыоптики-2004"(С.-Петербург,2004),российской конференции "Ломоносовские Чтения" (Москва, 2004), 21международной конференции по аморфным и нанокристаллическимполупроводникам ICANS 21 (Лиссабон, 2005).Публикация результатов работы.
По материалам диссертацииопубликовано 66 работ, в том числе 33 статьи в реферируемых журналах, изкоторых 18 статей (т.е. 55% основных работ диссертанта) в журналах,определенных ВАК Минобразования РФ для публикации научныхрезультатов докторских диссертаций, и 33 тезиса докладов в материалахнаучных конференций и симпозиумов.Структура и объем работы. Диссертация содержит введение, три главы,заключение, приложение и список литературы. Общий объем диссертациисоставляет 279 страниц машинописного текста, содержащих текст работы, 111рисунков, 10 таблиц, список использованных литературных источников,содержащий 170 наименований.ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВовведенииобоснованаактуальностьтемыдиссертации,сформулированы цели и конкретные задачи исследования, показана научная9новизна и практическая значимость полученных результатов, изложеныосновные положения работы, выносимые на защиту.Перваяглавадиссертацииэкспериментальномупосвященаисследованиютеоретическомупроцессовирекомбинациифотовозбужденных носителей заряда в наноструктурах кремния.
В началеглавы приведен анализ имеющихся в литературе основных сведений оИнтенсивность, отн. едспособах1,0структурных свойствах иx40,8химическомсоставеповерхности ПК. Вво-0,6дится величина порис-30,4тости p=1-ρПК/ρSi (ρПК –20,20,0получения,1480490500510520плотность530-1540Волновое число, смРис.1.Спектрыкомбинационногорассеяния света c-Si (1), мезо-ПК (2) имикро-ПК (3).плотностьПК,ρSic-Si)классификацияПК–ипоразмерам пор: 2 нм именее – микро-ПК; более2 нм, но менее 50 нм – мезо-ПК [1].
Далее излагаются оригинальныерезультаты по формированию и структурным свойствам образцов микроПК, исследуемых в данной главе; приводится информация о способахполучения и очистки используемых в работе химических веществ–адсорбатов. Для формирования микро-ПК использовались пластины c-Si,легированные бором, с удельным сопротивлением 10…20 Ом·см,электролит состоял из водного раствора плавиковой кислоты сдобавлением этилового спирта. Пористость образцов составляла 70-80 %.Данные о структурных свойствах (характерных размерах и форменаноструктур) образцов определялись по спектрам КРС (рис.1) сиспользованиеммоделиограниченияфононоввкремниевыхнанокристаллах [2]. Как следует из проведенного анализа, для микро-ПКнаилучшим является приближение нанокристаллов сферической формы с10диаметром 2 – 4 нм. Для сравнения указывается, что в структуре мезо-ПКприсутствуют нанокристаллы нитевидной формы с сечением около 10 нм.В данной главе исследована природа СЦ и определена ихконцентрация (Ns) на поверхности свежеприготовленных, покрытыхводородом, и окисленных образцов микро-ПК.
Основным типом СЦ вданном материале являются Pb-центры – ОС кремния на границе разделаSi/SiO2 [3]. Анализ экспериментального спектра ЭПР показывает, что вмикро-ПК присутствуют две разновидности Pb-центров: Pb0- (ОС, вближайшее окружение которой входит атом кислорода) и Pb1 (ОС,локализованная на так называемом «димере» - напряженной связи Si-Si )[3]. В дальнейшем для простоты изложения речь пойдет о Pb-центрах и ихинтегральных концентрациях. В свежеприготовленных образцах величинаNs составляла ∼1017 см-3. При выдержке микро-ПК на воздухе в течениемесяца плотность Pb-центров увеличивалась до 5⋅1018 см-3. Естественноокисленные в течение 5-6 месяцев образцы характеризовались крайненизким содержанием дефектов (Ns<1015 см-3).
Немонотонную зависимостьот времени величины Ns при окислении можно объяснить процессомгенерации Pb-центров и сопутствующим ему процессом их «пассивации»атомами кислорода.Дляколичественногоописанияпроцессоврекомбинациифотовозбужденных носителей заряда в кремниевых наноструктурах вслоях микро-ПК предложена феноменологическая модель, в основекоторой лежит представление об экситонной природе ФЛ. Излучательнаярекомбинация происходит при аннигиляции экситонов с характернымвременем τr, безызлучательная рекомбинация реализуется для СНЗ наповерхностных центрах (как СЦ, так и непарамагнитных) за время τnr.Согласно данной модели кинетические уравнения для концентрацииэкситонов (N) и пар СНЗ (n*) можно записать в следующем виде [4]:n * ∂N∂n *N= g − Cn * + AN −= Cn * − AN − ,;∂tτ nr∂tτr11(1)где g - темп генерации электронно-дырочных пар, C - вероятностьсвязываниясвободныхносителейвэкситоны,A-вероятностьтермического распада экситонов.
Поскольку носители заряда в микро-ПКлокализованы в нанокристаллах, то отдельно взятый электрон не можетвзаимодействоватьслюбойдыркойвобразце.Взаимодействиепроисходит только с зарядом, находящимся в непосредственной близостиот него.
При появлении третьего заряда резко возрастает вероятностьОже-процесса, и такие носителирекомбинации.Какфотовозбужденныхисключаются из излучательнойследствие,носителейзарядавероятностьвэкситонсвязыванияоказываетсяпропорциональной концентрации пар неравновесных носителей заряда.Коэффициенты A и C в выражениях (1) можно связать в предположении,что определяющий вклад в ФЛ дают экситоны с близкими энергиямисвязи Eexc [5]:A⎛ E ⎞= exp ⎜ − ex c ⎟ , где Eexc - энергия связи экситонов, k⎝ kT ⎠Cпостоянная Больцмана, T-температура.
О возможности существованияэкситонов в наноструктурах кремния свидетельствует выполненныйквантовомеханический расчет энергий связи экситонов в кремниевыхнанокристаллах, окруженных средой с диэлектрической проницаемостьюεd. Показано, что при комнатной температуре величина Eexc внаноструктурах кремния составляет сотни мэВ в вакууме или на воздухе иуменьшается до единиц мэВ при помещении их в среду с εd, большей, чему кремния.
Это, в свою очередь, приводит к увеличению вероятноститепловойдиссоциацииэкситонови,следовательно,кгашениюэкситонной ФЛ.Расчеты, выполненные в рамках предложенной модели, показывают,что повышение температуры T всегда обуславливает уменьшениеконцентрации экситонов вследствие их термической диссоциации.Напротив, концентрация неравновесных СНЗ будет возрастать с ростом Tза счет теплового распада экситонов в области высоких T и уменьшаться12за счет активации излучательной рекомбинации при низких T.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
