Фотоэлектронные процессы в наноструктурированном кремнии со спиновыми центрами (1097962), страница 4
Текст из файла (страница 4)
В мезо-ПК происходит обеднение СНЗ (примерно на порядок посравнению с подложкой c-Si) и дальнейшее уменьшение Np приокислении образцов, что объясняется захватом дырок на поверхностныедефекты (Pb+h+= Pb+).В рамках модели Друде по спектрам ИК поглощения мезо-ПКвыполнен расчет концентрации равновесных дырок в нанокристаллахкремния при адсорбции активных акцепторных (диоксид азота NO2,парабензохинон C6H4O2, йод I2) и донорных молекул (пиридин C6H6N,аммиак NH3), используя формулу [7]:Np =α n N c − Si,(1 − p )α c − Si n c − Si(6)где αc-Si, и α - коэффициенты поглощения c-Si и ПК, соответственно, nc-Si иn - показатели преломления c-Si и ПК, соответственно, Nc-Si концентрация дырок в c-Si.
При этом учитывалось, что времена рассеяниядырок в нанокристаллах кремния с характерными размерами, далекими отусловий квантово-размерного эффекта (мезо-ПК), близки к значениям дляподложки c-Si, используемой при получении образцов. Коэффициентпоглощения α определялся на основе измеренных спектров ИКпропускания согласно соотношению:α (ν ) ≈ − h −1 ln[T (ν )] ,(7)где Т – пропускание, h – толщина слоя мезо-ПК.На рис. 6 в качестве примера показаны спектры α(ν) образцов мезоПК при адсорбции акцепторных молекул NO2 при различных давлениях.Каквидноизрис.6,монотоннаясоставляющаяспектраα(ν),обусловленная поглощением ИК излучения свободными дырками,увеличивается в атмосфере NO2 при PNO2 =0,1 Торр, что соответствуетросту величины Np в кремниевых нанокристаллах. Адсорбция молекулNO2 при давлении PNO2 > 0,1 Торр приводила к появлению новых полос в191000Si-HxSi-H2aSi-Hx3800 см-1, вызванных поглощением на валентных колебаниях500Si−O−Si и валентных колебаниях-1α, смобласти 1050-1100 см-1 и 3100-O-Н связей в адсорбированных0б на поверхности образцов молеSi-O-Si1000кулах воды, соответственно.
С12NO2ростом давления NO2 интенсив-500ностьOHданныхлинийувели-чивается, что свидетельствует об015003000-1ν, см4500окисленииповерхностикрем-ниевых нанокристаллов.Рис.6Спектрыкоэффициентапоглощения мезо-ПК, измеренные вследующих условиях: a) вакуум P= 10-6Торр; б) атмосфера NO2 при давленииPNO =0,1 Торр (кривая 1) и PNO = 10Торр (кривая 2). Стрелками указаныпики поглощения на соответствующихмолекулярных поверхностных группах.2Наряду с вышеуказаннымиполосаминачастотахмолекулNO2ПК,воздействиюпридавлениях,см-11290образцахподвергнутых2поглощениев(транс-димерыбольшихнаблюдаетсяковалентныхнитрозосоединений Si−N+O–=–O+N−Si) и 1620-1680 см-1 (цис- и трансизомеры ковалентных нитритов Si−O−N=O) (рис. 6 б, кр. 2).На рис.
7 показано влияние адсорбции молекул NO2 наконцентрациисвободныхдырокиPb-центроввмезо-ПК,сформированном на подложках c-Si p-типа проводимости с различнымуровнем легирования. Несмотря на то, что в свежеприготовленном мезоПК значительная часть атомов бора находится в ионизованном состоянии,Np невелика, т.к. происходит частичная компенсация акцепторнойпримеси бора глубокими донорными состояниями Pb+ -центров, при этомуровень Ферми близок к уровню акцепторной примеси. Адсорбция NO2 вмезо-ПК при малых значениях PNO приводит к резкому росту Np, причем2для всех исследуемых образцов максимальные величины Np, достигаемые20приNp, Ns, см-31910адсорбции,1априближаются2ауровнюклегирова-ния подложки c-Si1810(рис.
7). Отме-тим,1710-6-210 102бчто1блегирующей приме-110011010PNO , Торрси в ПК примерноравна2Рис.7. Зависимости концентраций свободных дырок(1а, 2а) и СЦ (1б, 2б) в мезо-ПК от давлениядиоксида азота. Пунктирной линией обведенызначения Np, Ns для ПК в вакууме. Мезо-ПК былсформирован на подложках c-Si с Np=1020 см-3(кривые 1а, 1б) и с Np=5·1018 см-3 (кривые 2а, 2б).кроскопическаямодельповерхностьюкремниевыхконцентрациявзаимодействиявмонокристаллической подложке [8].Наосновеполученных данныхпредложенаакцепторныхнанокристаллов,таковойми-молекулспредполагающаяформирование на поверхности нанокристаллов донорно-акцепторныхсостояний типа Pb+–(адсорбат)–.
Образование подобных пар вызываетрост Np ввиду «пассивации» Pb-центров, которые, будучи положительнозаряженными перестают быть центрами захвата дырок, при этом уровеньФерми приближается к потолку валентной зоны. Данный процесс посуществу представляет собой адсорбционно-индуцированное легированиемезо-ПК.
Рост величины Np при PNO >0,1 Торр ограничивается процессом2захвата дырок на Pb-центры, образующиеся в процессе окисления (рис.7).Полученные результаты свидетельствуют о возможности управленияконцентрацией равновесных носителей заряда в нанокристаллах в слояхмезо-ПК путем адсорбции акцепторных молекул.Данные по исследованию влияния адсорбции донорных молекул наэлектронные свойства мезо-ПК p-типа проводимости на примере молекулC5H5N представлены на рис. 8.
Анализ полученных данных позволил21сформулироватьмодельвзаимодействиядонорныхмолекулсповерхностью кремниевых нанокристаллов, в основе которой лежатследующиеположе-191а10Np, Ns , см-3ния: (i) формированиеположительноряженных18102а17тате чего величина Npв объеме нанокристал-1б0,01центров(адсорбат)+, в резуль-2б10за-0,1лов p-типа уменьшает-1PC H N , Торр5ся5(рис.8,давлениеменьше 1 Торр); (ii)Рис. 8. Зависимости концентраций свободныхдырок (1а, 2а) и СЦ (1б, 2б) в мезо-ПК от давленияпиридина.
Мезо-ПК был сформирован наподложках c-Si с Np=1020 см-3 (кривые 1а, 1б) и сNp=5·1018 см-3 (кривые 2а, 2б).при больших давлениях (в случае жидкого адсорбата) проис-ходит конденсация жидкости в порах, что приводит к увеличению εdсреды, окружающей нанокристаллы, и, соответственно, к уменьшениюэнергии активации примесных атомов бора и энергии связи дырок споверхностными центрами захвата; величина Np при этом возрастает(рис.8, давление больше 1 Торр). Момент конденсации молекул С5H5N впорах образцов ( PC5H5N ≥ 0,1÷1 Topp) контролировался по возрастаниюкоэффициента отражения луча He-Ne лазера от поверхности мезо-ПК.Максимальные значения Np, достигаемые в этом случае, приближаются квеличине Np в подложке (рис.8). Концентрация СЦ практически неменялась в процессе адсорбции.Третьяглавапосвященаизучениюпроцессагенерациисинглетного кислорода в ансамблях кремниевых нанокристаллов.
Вначале главы приводятся данные по исследованию особенностей СЦ наповерхностинанокристалловкремниявслояхПК.Обнаруженозамедление спин-решёточной релаксации Pb-центров, характеризуемое22временем T1, в микро-ПК (T1=(2,3±0,1)·10-5 с) по сравнению с мезо-ПК(T1=(1,7±0,1) 10-5с) и c-Si (T1=(4,5±0,2)·10-6 с). Полученный результатобъясняетсяизменениемэлектрон-фононноговзаимодействияприпонижении размерности структуры.ДалееIЭПР , отн. ед.Спектры ЭПР12результаты1133340поЭПР-диагностике процесса генерации синглетного кис-20,1излагаютсялорода3360какH, Гс31О2,(обозначаемогогдеверхнийиндекс указывает мульти-0,01плетность по спину, спин0,11/2Pmw1101/2, мВтмолекулыансамбляхРис.9. Кривые I ЭПР ( Pmw ) и спектры ЭПРмикро-ПК в кислороде в темноте (1), вкислороде при освещении (2) и в вакууме (3).Аппроксимационные зависимости I ЭПР ( Pmw )получены с использованием выражения (10).Интенсивность освещения составляла 650мВт/см2, давление кислорода 760 Торр.равен0)вкремниевыхнанокристаллов.Меха-низм образования молекулсинглетногокис-лорода объясняется передачейэнергииотэкситонов в нанокристал-лах кремния молекулам триплетного кислорода (обозначаемого как 3О2,спин молекулы равен 1) на их поверхности, которые переходят при этом ввозбужденное синглетное состояние [9].
В работе был разработандоступный для практического применения метод исследования генерациимолекул 1О2, основанный на изменении времен релаксации спинов – Pbцентров. На рис.9 показаны экспериментальные зависимости (точки)амплитуды сигнала ЭПР Pb-центров в микро-ПК от корня из мощностимикроволнового излученияI ЭПР ( Pmw ). Видно, что при малой величинеPmw зависимости I ЭПР ( Pmw ), полученные для микро-ПК, находящегося ввакууме и в кислороде в темноте и при освещении, совпадают, а при23больших значениях Pmw значительно расходятся вследствие эффектанасыщения [10]. Отметим, что релаксация Pb-центров из возбужденногосостояния в основное в случае, когда образцы микро-ПК находятся ввакууме,происходитпосредствомпередачиэнергиифононамкристаллической решетки. В то же время, при нахождении образцов ватмосфере кислорода магнитные диполи молекул 3О2, адсорбированныхнаповерхностикремниевыхнанокристаллов,взаимодействуютсмагнитными моментами возбужденных Pb-центров, обуславливая ихбыструю релаксацию в основное состояние.
В результате, времярелаксации Pb-центров дляПК в атмосфере кислорода уменьшается,эффект насыщения поглощения микроволнового излучения ослабляется,и, как результат, амплитуда сигнала ЭПР значительно возрастает (рис.9,ср. кривые 1 и 3). При освещении слоев ПК, находящихся в атмосферекислорода, происходит генерация1молекулО2 и, следовательно,концентрация молекул 3О2 уменьшается. Это в свою очередь приводит кувеличению времени релаксации Pb-центров, в результате чего амплитудасигнала ЭПР уменьшается по сравнению с темновыми условиями (рис.9,ср. кривые 1 и 2).Для количественного анализа полученных зависимостей выражениедля амплитуды сигнала ЭПР можно записать в виде [11]:3I ЭПРa Pmw4H1T2 2= 32=,3 1 + γ 2 H12T1T2 1 + bPmw(8)где H1 - амплитуда напряженности магнитного поля СВЧ волны; T1времяпродольнойпоперечнойилиилиспин-решеточнойспин-спиновойотношение для электрона,релаксации,релаксации,Pmw ∝ H1 ,γкоэффициенты-T2-времягиромагнитноеa и b зависят отвремен релаксации и могут быть использованы для аппроксимациизависимости I ЭПР ( Pmw ).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
