Фотоэлектронные процессы в наноструктурированном кремнии со спиновыми центрами (1097962), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Прификсированном значении T с ростом величины Eexcперераспределениефотовозбужденныхносителейпроисходитзарядамеждуподсистемами свободных носителей заряда и экситонов в сторонупоследних, что в свою очередь приводит к росту вероятностиизлучательной рекомбинации.Далеерассматриваютсярезультатыэкспериментальногоисследования процессов рекомбинации фотовозбужденных носителейзаряда в наноструктурированном кремнии в вакууме и после заполненияпор образцов средами с различной εd и при адсорбции молекул,являющихся акцепторамитеорияэксперимент (ФЛ)1,5IФЛ, отн. ед.1эксперимент (СНЗ)1,00510 15 20 25 30 35 40Концентрация СНЗ, отн. ед.и донорами электронов.εdПолученныеизанализаэкспериментальныхдан-ных по температурномугашениюФЛвеличиныEexc составили около 200мэВ, что согласуется срасчетами.Длянано-структур кремния в ди-Рис.2. Зависимость амплитуды ФЛ (кружки) иконцентрации СНЗ (треугольники) в микро-ПКот диэлектрической проницаемости среды,окружающейнанокристаллыкремния.Экспериментальные точки в зависимости IФЛ(εd)аппроксимированы теоретической кривой.электрическойсредесεd>εSi происходит гашениеФЛ,причемстепеньгашения увеличивается сростом εd (рис.2).
На рис.2также представлена зависимость интенсивности ФЛ от величины εd,рассчитанная с учетом выражений (1) по формуле:I PL =N0=τrg,τr⎛ Eexc ⎞−1 −11+exp ⎜ −⎟ + τ nr Cτnr⎝ kT ⎠13(2)где N0 - концентрация экситонов в стационарном случае.Отметим,чтозаполнениепоробразцовдиэлектрическимижидкостями не приводило к изменению концентрации Pb-центров ипоявлению каких-либо новых СЦ. Следовательно, в полном согласии срасчетами обратимое гашение ФЛ при увеличении εd среды, окружающейнанокристаллы кремния, объясняется уменьшением величины Eexc и, какследствие, тепловой диссоциацией экситонов.
Это, в свою очередь,приводит к росту концентрации СНЗ (рис.2).В атмосфере воды наблюдается разгорание ФЛ, что объясняетсяуменьшением концентрации Pb-центров вследствие «пассивации» ихмолекуламиводородаNs , см -3-C6H4O21910-C2(CN)418101710Pb.Pb OH16IФЛ , отн. ед.10воды,иатомамиодновременнорегистрируется сигнал от OH•радикалов,образующихсявпроцессефотодиссоциациимолекул воды (рис.3).На1003такжепредставлены результаты ис-500рис.следования влияния адсорбвакуумH2O C6H4O2 C2(CN)4ции акцепторных молекул напримере молекул парабензо-Рис.3. Концентрация СЦ и интенсивностьФЛ для микро-ПК в вакууме и ватмосфере различных молекул.хинона C6H4O2 и тетрацианэтилена C2(CN)4 на интенсивностьФЛ и величину Ns образцовПК.
При адсорбции указанных молекул, образующих на поверхностинанокристаллов кремния заряженные центры (рис.3), гашение ФЛ можетбыть обусловлено разрушением экситонов электрическими полямиданных кулоновских центров.Далее излагаются результаты исследования влияния радиационноговоздействия ионов Ar+ с энергией 300 кэВ и дозами 5·1014…1·1016 см-2 на14структурныеилюминесцентныесвойствамикро-ПК.Наосновеэкспериментальных данных КРС и ФЛ показано, что радиационнаястойкость слоев микро-ПК существенно выше, чем c-Si. Обнаруженныйэффект объясняется в предположении, что чрезвычайно развитаяповерхность ПК может выступать как область эффективного стока ипоследующей аннигиляции радиационных дефектов. Кроме того, можноотметить, что при взаимодействиивысокоэнергетичныхионов сэлементами пористой структуры возможна передача энергии не толькоотдельным атомам, но частям кремниевых наноструктур.
Подобный”коллективный” прием энергии возможен ввиду изменения фононногоспектра в ПК [5]. Энергия, получаемая группами атомов в наноструктурахв слоях ПК, очевидно, будет меньше величины, принимаемой отдельнымиатомами, что уменьшит разрушающее воздействие ионного пучка.В этой же главе приводятся результаты исследования процессовпространственногоразделенияинакопленияфотовозбужденныхносителей заряда в наноструктурах кремния методами контактнойразности потенциалов и импульсного фотонапряжения.
Показано, чтоввиду различных коэффициентов диффузии электронов и дырокпроисходит пространственное разделение неравновесных носителейзаряда в пористом слое, приводящее к формированию фото-ЭДС.Затянутые во времени кинетики релаксации сигнала импульсногофотонапряжения и долговременные изменения сигнала контактнойразности потенциалов объясняются процессами диффузии и захватомносителей заряда (преимущественно дырок) на поверхностные центры(Pb-центры, адсорбированные молекулы воды) микро-ПК, что приводит кположительному оптическому заряжению его поверхности. На основеполученных данных предложена модель формирования фото-ЭДС висследуемых образцах, в основе которой лежит идея «оптическоголегирования»кремниевыхнанокристаллов.Действительно,внаноструктурах кремния с характерными размерами много меньше15дебаевской длины экранировки заряженные поверхностные центрыиграют роль заряженных примесей и приводят к изменению положениякраев зон относительно уровня Ферми.Вовторойглавеобсуждаютсяособенностирелаксацииэлектронного возбуждения в наноструктурах мезо-ПК и анализируетсявозможность управления электронными свойствами данного материалапосредством адсорбции акцепторных и донорных молекул.
В началеглавы излагаются оригинальные результаты по формированию образцовмезо-ПК. Состав электролита был таким же, как и для микро-ПК. Вкачестве подложек использовались пластины c-Si(100), легированныебором, с удельным сопротивлением 1…5 и 15…20 мОм·см и пластины cSi(110), легированные бором, с удельным сопротивлением 1…5 мОм·см.Величина p образцов составляла 50-70 %.Далее приводятся данные по исследованию структуры Pb-центровна поверхности ПК с различной морфологией составляющих егонанокристаллов.
Анализ экспериментальных спектров ЭПР мезо-ПКпоказал, что в исследуемых образцах есть СЦ типа Pb0 и Pb1. Такимобразом, присутствие Pb1-центров является характерной особенностьювсех образцов ПК и свидетельствует о наличии в ПК напряженных Si-Siсвязей.В этой же главе исследованы фотоэлектронные процессы в мезо-ПК.В данном материале носители заряда могут относительно свободноперемещаться из одного нанокристалла в другой. Действительно, сдвигмаксимума спектра ФЛ в область больших энергий вследствие квантоворазмерного эффекта (и, соответственно, увеличение ширины запрещенныйзоны ∆Eg) по отношению к c-Si у мезо-ПК весьма малый – 0,04 эВ(∆Eg=0,04-0,05 эВ) по сравнению с микро-ПК – 0,4 эВ (∆Eg=0,4-1,0 эВ) [6](рис.4).16IФЛ, отн.
ед.1 21,2В3рамкахпредло-женной модели релаксациифотовозбуждения в системеx0.1x100,6связанныхковыхполупроводнинанокристалловпроанализированы процес0,01,01,21,41,61,8Энергии фотонов, эВРис.4. Спектры фотолюминесценции c-Si (1),мезо-ПК (2) и микро-ПК (3).сырекомбинациивозбужденныхфото-носителейзаряда в мезо-ПК. Согласномоделибинациипроцессыреком-неравновесныхносителей заряда в таких системах можно описать следующей системойкинетических уравнений:N∂nn ∂N= C * n( p + p 0 ) − AN − ,= g − C * n( p + p 0 ) + AN −;τrτ nr ∂t∂t(3)где n и p- концентрации неравновесных электронов и дырок (приотсутствии прилипания n=p), p0 – концентрация равновесных дырок, C* коэффициент, пропорциональный вероятности связывания в экситонсвободных электрона и дырки.
Используются уровни возбуждения, когдаОже-рекомбинациейпренебрегаяможнопренебречь.Встационарномслучае,вкладом AN по сравнению с остальными слагаемыми вуравнении (3) для n (поскольку в кремниевых структурах концентрациянеравновесных электронов определяется главным образом скоростьюбезызлучательной рекомбинации), имеем:n≈− τ −1 + τ −2 + 4CgC (n 2 + np0 ); N≈,A + τ r−12C(4)где τ −1 ≡ τ nr−1 + Cp0 . В случае Cgτ 2 << 1 выражение (4) для n сильноупрощается: n ≈ gτ , а интенсивность экситонной ФЛ определяетсявыражением:17I ФЛ =N≅τrCτ( p 0 + τg ) g ,1 + Aτ r(5)откуда следует, что I ФЛ ~ g , если n << p 0 , и I ФЛ ~ g 2 , если n >> p0 .
Такимобразом, в зависимости от соотношения концентраций неравновесных иравновесныхносителейзарядаменяетсяхарактерзависимостиинтенсивности ФЛ от интенсивности возбуждающего излучения (Iexc)– отлинейной до квадратичной. Экспериментальная проверка показалаправильность следующих из модели выводов: было обнаружено, что взависимости от соотношения величин n и p0 рекомбинация неравновесныхносителей заряда может носить бимолекулярный (в мезо-ПК) илимономолекулярный характер (в c-Si, на котором был сформирован мезоПК) (рис.5).
Для сравнениябылаIФЛ, отн. ед.10010зависимость310,1измеренаинтенсивностиФЛ от величины Iexc для2микро-ПК. В полном сог-1ласии с выводами модели (см.0,10,01такжевыражение (2)) данная зави1102Iexc , Вт/см100симость имела линейный характр (рис.5).Рис.5. Зависимость интенсивности ФЛмезо-ПК (1), c-Si (2) и микро-ПК (3) отинтенсивности лазерного возбуждения.Значения интенсивности ФЛ для мезо-ПК иc-Si умножены на коэффициент 10.Далее в этой же главедляколичественногоописанияИКспектровиотраженияпоглощенияисследуемых образцов мезо-ПК предложена модель, основанная наприближении эффективной среды Бруггемана и классической теорииДруде с поправкой на дополнительное рассеяние носителей заряда вкремниевыхнанокристаллах.Врезультатеаппроксимацииэкспериментальных спектров расчетными были определены значенияконцентрации равновесных СНЗ (дырок) в нанокристаллах в слоях мезо18ПК различной пористости, по порядку величины составляющие Np ∼⋅1019см-3.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
