Влияние молекулярного окружения кремниевых нанокристаллов на их фотолюминесцентные свойства (1102593)
Текст из файла
На правах рукописиРябчиков Юрий ВитальевичВЛИЯНИЕ МОЛЕКУЛЯРНОГО ОКРУЖЕНИЯ КРЕМНИЕВЫХНАНОКРИСТАЛЛОВ НА ИХ ФОТОЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЕ СВОЙСТВАСпециальность 01.04.10 − физика полупроводниковАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква – 2007Работа выполнена на кафедре общей физики и молекулярной электроникифизическогофакультетаМосковскогогосударственногоуниверситетаим. М.В. ЛомоносоваНаучный руководитель:доктор физико-математических наукТимошенко Виктор ЮрьевичОфициальные оппоненты:доктор физико-математических наукБелогорохов Александр Ивановичдоктор физико-математических наукИванов Андрей ВалентиновичВедущая организация:Институт Общей Физикиим.
А.М. Прохорова РАНЗащита состоится “ 22 ” ноября 2007 года в _____часов на заседанииДиссертационного совета Д 501.001.70 при Московском государственномуниверситете им. М.В. Ломоносова по адресу: 119991 ГСП-1 Москва, Ленинскиегоры, МГУ им. М.В. Ломоносова, физический факультет, криогенный корпус,аудитория 2-05а.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультетаМГУ им. М.В. Ломоносова.Автореферат разослан “ 22 ” октября 2007 годаУченый секретарьдиссертационного совета Д 501.001.70доктор физико-математических наукГ.С. Плотников2ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальностьперспективойтемыширокогонанокристаллы,впредставленныхприменениясовременныхисследованийструктур,обусловленасодержащихоптоэлектронныхкремниевыетехнологияхимикроэлектронике.
Важным примером указанных объектов является пористыйкремний(ПК),представляющийсобойсовокупностькремниевыхнанокристаллов (nc-Si), разделенных пустотами (порами) [1]. В отличие отобъемного монокристаллического кремния (c-Si), ПК обладает эффективнойфотолюминесценцией (ФЛ) в видимом диапазоне спектра при комнатнойтемпературе [2]. Большинство существующих моделей объясняют ФЛ образцовПК, принимая во внимание квантовый размерный эффект для носителей заряда вnc-Si. Поскольку слои ПК обладают большой удельной поверхностью,достигающей 103 м2/г, окружающая среда оказывает значительное влияние наего оптоэлектронные свойства. Это значительно осложняет практическоеиспользование ПК, в частности, создание светоизлучающих устройств на егооснове.
В то же время, ПК может рассматриваться как модельный объект дляизучения роли молекулярного окружения на процессы релаксациифотовозбужденныхносителейзарядавструктурахэнергииполупроводниковыхнанокристаллов. Поэтому исследование влияния адсорбции различных газов икрасителей на свойства nc-Si имеет большое значение.Цель работы – исследование влияния молекулярного окружения nc-Si напроцессы излучательной рекомбинации фотовозбужденных носителей заряда содновременным контролем концентрации спиновых центров и химическогосостава адсорбционного покрытия поверхности нанокристаллов кремния.В работе были поставлены следующие задачи:1.ИсследоватьфотолюминесцентныеадсорбированнымисвойстваобразцовПКсмолекулами органических красителей и изучитьвозможность переноса энергии между экситонами в nc-Si и молекуламиорганических красителей, адсорбированных на их поверхности.32.С использованием метода фотолюминесценции исследовать влияниеадсорбции донорных и акцепторных молекул на процессы релаксацииэнергии фотовозбужденных носителей зарядов в nc-Si с одновременнымконтролем концентрации спиновых центров и химического составаповерхности кремниевых нанокристаллов.3.
Изучитьособенностикислорода в ПКфотосенсибилизациигенерациисинглетногои влияние данного процесса на ФЛ свойства nc-Si взависимости от давления молекул кислорода. Экспериментально определитьэффективность и время передачи энергии от экситонов в nc-Si к молекуламкислорода,адсорбированныхнаповерхностиnc-Si,иисследоватьзависимость этих параметров от пористости образцов ПК.4.Исследовать ФЛ свойства водных суспензий кремниевых нанокристаллов иизучить процесс фотосенсибилизации генерации синглетного кислорода вних.
Сравнить эффективность генерации синглетного кислорода в порошкахи водных суспензиях кремниевых нанокристаллов.Для решения поставленных задач был применен комплекс различныхметодовисследования,парамагнитныйрезонанстаких(ЭПР)какиспектроскопияинфракраснаяФЛ,электронныйспектроскопия(ИК)спектроскопия, позволяющих изучать оптоэлектронные свойства nc-Si иосуществлять контроль химического состава их поверхности и концентрацииспиновых центров.Достоверность полученных результатов обеспечена применениемнаборавзаимно-дополняющихрассмотрениемфизическихэкспериментальныхявленийиметодик,процессоввдетальнымисследуемыхнизкоразмерных объектах.Положения, выносимые на защиту:1.Обнаружено, что спектры ФЛ органических молекул антрацена и красителяродамина Б, адсорбированных на поверхности nc-Si, различаются для4образцов пористого кремния с различными размерами пор и кремниевыхнанокристаллов.2.Установлено, что адсорбция донорных и акцепторных молекул приводит кгашению ФЛ ПК вследствие образования в результате адсорбции наповерхности nc-Si кулоновских центров.3.Получены зависимости эффективности и времени передачи энергии отэкситонов, локализованных в nc-Si, к адсорбированным на их поверхностимолекулам кислорода, от пористости образцов ПК, свидетельствующие обувеличении эффективности процесса фотосенсибилизации синглетногокислорода в высокопористых образцах.4.Установлено влияние фотосенсибилизированной генерации синглетногокислорода в ПК на интенсивность сигнала электронного парамагнитногорезонанса от дефектов - оборванных связей кремния на поверхности nc-Si,которое находится в согласии с результатами, полученными методом ФЛ.5.Обнаружена фотосенсибилизированная генерация синглетного кислорода вводных суспензиях кремниевых нанокристаллов и показана возможностьпрактического использования данного эффекта.Научная новизна результатов, полученных в диссертации:1.Обнаружено, что спектры ФЛ органических молекул антрацена икрасителя родамина Б адсорбированных на поверхности nc-Si различаютсядля образцов микропористого и мезопористого кремния.2.Установлено, что обратимое гашение ФЛ микропористого кремния врезультатеадсорбцииакцепторныхмолекулдиоксидаазотаипарабензохинона и донорных молекул пиридина и аммиака обусловленоформированием на поверхности nc-Si кулоновских центров.3.Впервые измерены зависимости эффективности и времени передачиэнергии от экситонов, локализованных в nc-Si, к адсорбированным на ихповерхности молекулам кислорода, от пористости образцов ПК.54.Обнаружено влияние фотосенсибилизированной генерации синглетногокислорода в пористом кремнии на интенсивность сигнала электронногопарамагнитного резонанса от дефектов - оборванных связей кремния наповерхности nc-Si.5.Впервые получены водные суспензии кремниевых нанокристаллов,обладающиевысокойэффективностьюФЛ,иобнаруженафотосенсибилизированная генерация синглетного кислорода в них.Научная и практическая ценность работы состоит в получении данных,характеризующих фотоэлектронные свойства nc-Si, модифицированные приадсорбции различных молекул, а также влияние молекулярного окружениянанокристаллов на их фотолюминесцентные свойства.
С практической точкизрения, данные по влиянию адсорбции донорных и акцепторных молекулважны для создания сенсоров на основе ПК. Полученные результаты погенерации синглетного кислорода в порошках nc-Si и водных суспензиях на ихоснове могут быть полезны в области биомедицины.Личный вклад. Все исследуемые образцы были изготовлены авторомдиссертационной работы лично. Роль диссертанта в экспериментальномисследовании оптических свойств полученных низкоразмерных кремниевыхструктур является определяющей.Апробация результатов работы.Материалы, вошедшие в диссертацию, опубликованы в 40 работах, изкоторых 7 статей и 33 тезисов конференций. Апробация проходила наследующих конференциях: 4 всероссийская молодежная конференция по физикеполупроводников и полупроводниковой опто- и наноэлектронике, СанктПетербург, 2002; Международная конференция студентов, аспирантов имолодых ученых по фундаментальным наукам Ломоносов, секция «физика»,Москва, 2003; Международная конференция «Оптика, оптоэлектроника итехнологии», Ульяновск, 2003; Х Всероссийская конференция «Структура идинамика молекулярных систем», Яльчик, 2003; Международная конференция«Современные проблемы физики и высокие технологии», Томск, 2003; III6Международная конференция молодых ученых и специалистов «Оптика-2003»,Санкт-Петербург, 2003; 5 всероссийская молодежная конференция по физикеполупроводников и полупроводниковой опто- и наноэлектронике, СанктПетербург, 2003; Porous semiconductors – science and technology, Cullera-Valencia,Испания, 2004; Международная конференция студентов, аспирантов и молодыхученых по фундаментальным наукам Ломоносов, секция «физика», Москва,2004; Международная конференция «Аморфные и микрокристаллическиеполупроводники»,Санкт-Петербург,«Фундаментальныепроблемы2004;оптики–Международная2004»,конференцияСанкт-Петербург, 2004;Международная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых пофундаментальным наукам Ломоносов, секция «физика», Москва, 2005; ХIIВсероссийская конференция «Структура и динамика молекулярных систем»,Яльчик, 2005; ICANS 21, Лиссабон, Португалия, 2005; International conferenceFunctionalMaterials2005,Крым,Украина,2005;IVМеждународнаяконференция молодых ученых и специалистов «Оптика-2005», Санкт-Петербург,2005; 7 всероссийская молодежная конференция по физике полупроводников иполупроводниковой опто- и наноэлектронике, Санкт-Петербург, 2005; Poroussemiconductors – science and technology, Барселона, Испания, 2006; XVIУральскаямеждународнаязимняяшколапофизикеполупроводников,Екатеринбург, 2006; XIV республиканская научная конференция аспирантов,магистрантов и студентов по физике конденсированного состояния, Гродно,2006; XXXV International School on the Physics of Semiconducting CompoundsJaszowiec 2006, Варшава, 2006; Международная конференция «Аморфные имикрокристаллические полупроводники», Санкт-Петербург, 2006; AdvancedLaser Technologies (ALT’06), Брашов, Румыния, 2006; 3rd International ConferenceonMaterialsScienceandCondencedMatterPhysics,Молдова,2006;Международная конференция «Фундаментальные проблемы оптики – 2006»,Санкт-Петербург, 2006; XII Национальная конференция по росту кристалловНКРК-2006, Москва, 2006; 8 всероссийская молодежная конференция по физикеполупроводников и полупроводниковой опто- и наноэлектронике, Санкт7Петербург, 2006; XXXVI International School on the Physics of SemiconductingCompounds Jaszowiec 2007, Варшава, 2007.Структура и объем работы.
Диссертация состоит из введения, трех глав,заключения, списка публикаций автора и списка цитируемой литературы из 122наименований. Общий объем работы составляет 136 страниц машинописноготекста, включая 45 рисунков и 1 таблицу.СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо введении обоснована актуальность выбранной темы диссертации,поставлены задачи исследований, дан анализ научной новизны полученныхрезультатов и их практической ценности.Первая глава является обзором литературы и посвящена изложениюданных по структурным, электронным и оптическим свойствам nc-Si. В разделе1.1.1 содержится информация о получении nc-Si методом электрохимическоготравления, обсуждаются процессы, протекающие во время электрохимическойобработки, а также зависимость основных параметров полученных кремниевыхнаноструктуротусловийприготовления.Представленыосновныенасегодняшний день модели, объясняющие формирование пор во время травления.В разделе 1.1.2 представлены зависимости скорости роста пленки ПК отплотности тока травления и уровня легирования кристаллического кремния.Кроме того, приведена информация об исследовании структурных свойств nc-Si,полученных на различных подложках, методами электронной микроскопии идифракции электронов.
Характеристики
Тип файла PDF
PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.
Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
