Диссертация (1104273), страница 9
Текст из файла (страница 9)
Ширинаспектров свидетельствует о разбросе по размерам около 20%. При этом при уменьшенииразмеров интенсивность ФЛ падает. При диаметрах нанокристаллов d > 10 нм положения39максимума ФЛ лежит в ИК области спектра. ФЛ в ИК области представляет большой интерес всвете создания различных устройств нанофотоники.
Именно поэтому изучение явленийувеличения интенсивностей сигналов от кремния в ИК области является актуальным.В работе [153] был обнаружен эффект вынужденного излучения света вблизи краязапрещённой зоны кремниевой квантовой ямы достаточно большой ширины (d > 5 нм) привозбуждении электрическим током. По мнению авторов, данный эффект может бытьиспользован для создания лазеров, работающих на длине волны 1,1 мкм..ФЛ образцов КНН, полученных методом МСХТ, наблюдалась в видимом и ближнем ИКдиапазонах спектра [154,155] (рис. 1.16).
ФЛ в видимой области спектра наблюдалась для КНН,выращенных на сильнолегированных пластинах кремния с помощью двухступенчатого [156] иодноступенчатого методов [38,157,158] МСХТ. Как утверждалось в работе [154], видимая ФЛможет быть связана с проявлением КРЭ в нанокристаллах кремния на поверхности стенок КНН.Рис. 1.16. ФЛ спектры КНН (верхняя кривая) и пластины c-Si (нижняя кривая) при возбуждениисветом с длиной волны 488 нм при комнатной температуре [154].Роль примесных состояний в наноструктурах очень велика, т.к. кроме центровбезызлучательнойрекомбинации,онимогутвыступатькакцентрыизлучательнойрекомбинации [57]. Так в работе [159] описано появление электронных состояний взапрещённой зоне нанокристаллов кремния при пассивации поверхности нанокристалловкислородом и показано, как в зависимости от размера меняются энергии электронов и дырок внанокристаллах при образовании связей Si=O (рис.
1.17).40Рис. 1.17. Электронные состояния в кремниевых нанокристаллах в зависимости от размеровчастиц. Захваченное электронное состояние – это состояние, локализованное на кремнии в Si=Oсвязи, а захваченное состояние дырки – состояние, локализованное на атоме кислорода [159].Разные зоны на рисунке 1.17 соответствуют разным механизмам рекомбинацииэкситонов.
Так, первой зоне соответствует механизм рекомбинации свободных экситонов. Приуменьшении размеров нанокристаллов начинает доминировать рекомбинация захваченногоэлектрона и свободной дырки. Третьей зоне соответствует рекомбинация захваченныхэкситонов.Таким образом, поверхностные состояния могут оказывать значительное влияние нетолько на интенсивность, но и на положение спектра ФЛ, а при малых размерахнанокристаллов предсказываемое КРЭ увеличение энергии квантов ФЛ перестает наблюдаться.Именно наличием поверхностных состояний было объяснено поведение спектров ФЛ в ПК приd < 2 нм [159].Что касается межзонной ФЛ в КНН, то она была обнаружена в работах [154,155].Усиление эффективности межзонной ФЛ похожих кремниевых щелевых микроструктур [115]было объяснено низкой поверхностной рекомбинацией носителей заряда.
Стоит отметить, чтовозможностьполучениянизкойскоростиповерхностнойрекомбинациябылапродемонстрирована на подложках кремния и германия в работе [160] за счёт обработкиповерхности и уменьшения толщины подложек. Однако в литературе отсутствуют данные оповерхностной рекомбинации в КНН, полученных методом МСХТ.411.4. Выводы из обзора литературы и постановка задачи исследованияКак следует из проведенного обзора литературы, получению и исследованию свойствКНН посвящено достаточно много работ. Из них большая часть связана с изучением КНН,полученных методом VLS, а также слоев ПК.
В то же время, гораздо меньше известно обособенностях КНН, изготовленных методом МСХТ. Установлено, что такие КНН проявляютФЛ в видимом и инфракрасном диапазонах спектра, а также низкое полное отражение света ввидимом диапазоне спектра, что представляется весьма перспективными для использования вфотонике и молекулярной сенсорике. Были также выявлены возможности применения КНН вфотовольтаике. Продемонстрирована эффективность использования нанонитей для доставкилекарств, в газовых сенсорах и литий-ионных батареях.
Однако на момент постановки задачибыло недостаточно изучено влияние условий приготовления КНН методом МСХТ на ихструктурные и оптические свойства, отсутствовало исследование нелинейно-оптическихсвойств нитевидных кремниевых наноструктур, а также не было исследовано влияниерассеяния света на оптические свойства КНН.Исходя из вышесказанного, в данной диссертационной работы были поставлена задачаисследовать линейные и нелинейные оптические свойства ансамблей кремниевых нанонитей,формируемых методом МСХТ на подложках c-Si c различными структурными и электроннымихарактеристиками, с учетом явлений рассеяния света, для чего были измерены спектрыотражения и пропускания в видимом и инфракрасном диапазонах спектра, индикатрисыупругого рассеяния света, КРС, исследованы нелинейно-оптические процессы такие, как КАРСи генерация ТГ, а также ФЛ в видимом и ближнем ИК диапазонах спектра.422. Методика эксперимента2.1.
Получение кремниевых нанонитей и исследование их структурных свойствИсследуемые образцы представляли собой ансамбли КНН, выращенные на подложкахc-Si c разным типом и уровнем легирования и различной кристаллографической ориентацией.Использовалиськакодно-такидвухступенчатыйвариантыметодаМСХТ(см. раздел 1.2.2) [44].
В последнем на первом этапе использовался раствор, представляющийсобой смесь 0,02 М AgNO3 и 5 М HF в соотношении 1:1, в который помещались образцы на 3060 секунд. На этой стадии происходил процесс нанесения серебра на поверхность кремниевойпластины, причём от времени нанесения серебра зависела толщина серебряной плёнки и,следовательно, дальнейшая скорость роста КНН. На втором этапе в растворе смеси 5 М HF и30% H2O2 в соотношении 10:1 происходил процесс химического травления кремниевойпластины в местах, покрытых серебром. Время травления определяло толщину слоя КНН,образовавшихся на поверхности. После этого образцы промывались дистиллированной водой.Для того, чтобы избавиться от частиц серебра, образцы погружались в концентрированнуюазотную кислоту (HNO3) на 15 минут.
Схема травления представлена на рис. 2.1.c-Sic-Sic-SiРис 2.1. Схема травления кремниевой пластины, используя двухступенчатый метод МСХТ дляпоследующего изучения оптических свойств КНН.В одноступенчатом методе МСХТ кремниевая пластина погружалась в смесьAgNO3/HF/H2O, взятых в соотношении 0,67 г:35 мл:182 мл.Структурные свойства КНН были исследованы с помощью сканирующего электронногомикроскопа Lyra Tescan, оснащённого стандартным детектором вторичных электронов,который позволяет получать изображения с топографическим контрастом, а также детекторомобратно отраженных электронов, предназначенный для получения изображения с информациейо вариациях состава на основе контраста по среднему атомному номеру, с помощью которого43очень удобно наблюдать наночастицы металла в КНН. Для изучения структуры одиночныхнанонитей был использован просвечивающий электронный микроскоп LEO912 AB OMEGA сускоряющим напряжением 120 кВ.Было изготовлено несколько серий образцов двухступенчатым методом МСХТ, каждаяиз которых предназначалась для определённых экспериментов.
Серии А, В, С и D отличалисьтипом проводимости, кристаллографической ориентацией и удельным сопротивлениемисходных пластин c-Si (табл. 2.1) и предназначались для получения КНН с различнойморфологией (рис. 2.2).Табл. 2.1. Характеристики серий A-D образцов КНН с различной морфологией.НомерсерииАВСDТиппроводимостии легирующейпримесиподложкиn-Si:Asp-Si:Bp-Si:Bp-Si:BУдельноесопротивлениеподложки, Ом·смКристаллографическаяориентацияподложкиТолщина слояКНН, мкмКем и гдеприготовлены0,001-0,0050,7-1,51-205-71111001111102540303В.
Сиваков, IPHT,Йена, ГерманияА.В. Нескоромная,МГУИз рисунка 2.2. видно, что образцы КНН, выращенные на подложках с-Si с разнойкристаллографическойориентациейиудельнымсопротивлениемотличаютсясвоейморфологией и внешним видом. Так, для серии А, выращенной на сильно легированнойподложке c-Si n-типа проводимости с кристаллографической ориентацией (111), достаточнотрудно различить отдельные нанонити на СЭМ. Получившаяся структура представляет собойразупорядоченные ансамбли КНН (рис. 2.2а). В серии В, полученной на слабо легированнойподложке c-Si p-типа проводимости с кристаллографической ориентацией (100), ансамбли КННимеют вертикальное расположение и хорошо упорядочены (рис.
2.2б). Серия С характеризуетсянаклонным расположением КНН и чуть менее упорядоченным чем в серии B, так как выращенана слабо легированной подложке c-Si p-типа проводимости с кристаллографическойориентацией (111) (рис. 2.2в). Что же касается серии D, то, как видно из рис 2.2г и 2.2д,получившиеся КНН являются наклонными. Угол наклона по отношению к подложке c-Siсоставляет 450.44(а)(б)(г)(в)(д)Рис. 2.2. СЭМ изображения бокового скола образца КНН (а) серии А, (б) серии В, (в) серии С,(д) серии D; (е) поверхности образца КНН серии D.Полученные изображения КНН всех четырёх серий подтверждают тот факт, чтоформируемые нанонити сохраняют кристаллографическую ориентацию исходной подложкиc-Si, и их можно использовать для изучения оптической анизотропии формы.Образцы серии В имели наиболее упорядоченный и однородный слой КНН, чтоопределило выбор дальнейшего использования подложки с кристаллографической ориентации(100) для исследований оптических свойств КНН.
Так, серия E была приготовлена наподложкахc-Sip-типапроводимостисудельнымсопротивлением1-20Ом·смикристаллографической ориентацией (100). Для различных экспериментов были выращеныразные серии образцов. Так серия Е1 предназначалась для исследования влияния частицсеребра на оптические свойства КНН (табл. 2.2). СЭМ изображения КНН серии Е1 до удалениясеребряных наночастиц представлены на рис.
2.3 и 2.4. Длина КНН составляла 2,5 мкм.Табл. 2.2. Характеристики образцов КНН серии Е1.НомерсерииЕ1ТипУдельноепроводимостисопротивлениеи легирующей подложки, Ом·смпримесиподложкиp-Si:B1-10КристаллографическаяориентацияподложкиТолщина слояКНН, мкмКем и гдеприготовлены100От 1 до 3Автор, МГУ45AgРис. 2.3. СЭМ изображения поверхности образца КНН серии Е1 с Ag: слева - от вторичныхэлектронов, справа - от обратно рассеянных электронов.Рис. 2.4. СЭМ изображения бокового скола образца КНН серии Е1 с Ag: слева - от вторичныхэлектронов, справа - от обратно рассеянных электронов.Более светлые места на правой половине рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
