Влияние адсорбционного покрытия поверхности кремниевых нанокристаллов на электронные и оптические свойства их ансамблей

• Автор: Осминкина, Любовь Андреевна
• Шифр специальности: 01.04.10
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2004
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 144 с. : ил.

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1. Способы получения кремниевых наноструктур и

1.2. Структурные свойства пористого кремния

1.3 Инфракрасная спектроскопия пористого кремния

1.3.1 Поверхностное покрытие свежеприготовленных образцов

1.3.2 Наличие свободных носителей заряда в мезопористом кремнии

1.3.3 Модификация спектров ИК-поглощения слоев ПК при адсорбции активных молекул

1.4 ЭЛР-СПЕКТРОСКОПИЯ ПОРИСТОГО КРЕМНИЯ

1.4.1 Природа и основные свойства дефектов в ПК

1.4.2 Влияние окисления и термообработок поверхности нанокристаллов кремния на концентрацию в них спиновых центров 3
1.4.3 Воздействие активных молекул на основные параметры дефектов в кремниевых нанокристаллах
1.5 ФОТОЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ ПОРИСТОГО КРЕМНИЯ
1.5.1 Природа фотолюминесценции пористого кремния
1.5.2 Экситонные эффекты в фотолюминесценции
1.5.3 Влияние температурных прогревов и молекулярного окружения на фотолюминесценцию кремниевых нанокристаллов
1.6 ВЫВОДЫ ИЗ ОБЗОРА ЛИТЕРАТУРЫ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ
ГЛАВА 2 МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
2.1 Приготовление образцов ПК
2.2 Получение и очистка адсорбатов
2.3. Регистрация ИК- и ЭПР-спектров
2.4 Регистрация фотолюминесценции
ГЛАВА 3 ПОВЕРХНОСТНОЕ ПОКРЫТИЕ КРЕМНИЕВЫХ НАНОКРИСТАЛЛОВ. СВОБОДНЫЕ НОСИТЕЛИ ЗАРЯДА И СПИНОВЫЕ ЦЕНТРЫ В ПК
3.1 Свободные носители заряда в свежеприготовленном и окисленном ПК
3.1.1 Свободные носители заряда в мезопористом кремнии. Зависимость их концентрации от пористости образцов
з. 1.2 Метод расчета концентрации свободных носителей заряда с помощью теоретического моделирования спектров отражения и поглощения слоев мезо-ПК
3.1.3 Зависимость концентрации свободных носителей заряда в ПК от степени
ЛЕГИРОВАНИЯ ПОДЛОЖКИ, НА КОТОРОЙ ОНИ БЫЛИ ВЫРАЩЕНЫ. РАСЧЕТ КОНЦЕНТРАЦИИ РАВНОВЕСНЫХ НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА ПО СПЕКТРАМ ПРОПУСКАНИЯ ПК
3.2 Дефекты в свежеприготовленном и окисленном ПК. Анизотропия д-ФАкторд
3.2.1 Исследование методом ЭПР свежеприготовленных образцов микро- и МЕЗОПОРИСТОГО КРЕМНИЯ
3.2.2 Анизотропия д-ФАкторд. Модель Р„, центров для мезопористого кремния с ориентацией поверхности (Ю0)и (110)

3.2.3 Расчет времен спин-решеточной релаксации для мезо-ПК с ориентацией
ПОВЕРХНОСТИ (100) И (110)
3.3 Основные результаты и выводы из главы 3
ГЛАВА 4 ВЛИЯНИЕ АДСОРБЦИИ АКЦЕПТОРНЫХ И ДОНОРНЫХ МОЛЕКУЛ НА ЭЛЕКТРОННЫЕ И ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОРИСТОГО КРЕМНИЯ
4.1 влияние адсорбции молекул диоксида азота N02 на электронные и оптические
СВОЙСТВА АНСАМБЛЕЙ КРЕМНИЕВЫХ НАНОКРИСТАЛЛОВ
4.1.1 Увеличение концентрации СНЗ в кремниевых нанокристаллах при адсорбции молекул Ш2
4.1.2 Влияние адсорбции молекул Ы02 на спиновые центры в пористом кремнии
4.1.3 Модель взаимодействия молекул диоксида азота с поверхностью кремниевых нанокристаллов
4.1.4 Фотолюминесценция кремниевых нанокристаллов при адсорбции молекул Ы02
4.2 Влияние адсорбции молекул парабензохинона С6Н402на электронные и ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА АНСАМБЛЕЙ КРЕМНИЕВЫХ НАНОКРИСТАЛЛОВ
4.2.1 ИЗМЕНЕНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ СВОБОДНЫХ НОСИТЕЛЕЙ ПРИ АДСОРБЦИИ МОЛЕКУЛ СбНіОї НА ПОВЕРХНОСТИ ПОРИСТОГО КРЕМНИЯ
4.2.2 Влияние адсорбции молекул С6Н,02 на спектры ЭПР образцов ПК
4.2.3 Модель взаимодействия молекул парабензохинона с поверхностью кремниевых нанокристаллов
4.2.4 Фотолюминесценция кремниевых нанокристаллов при адсорбции молекул С6Н402111
4.3 Модификация свойств ПК при взаимодействии с донорными молекулами пиридина (С5Н5Ы)
4.3.1 Вариации концентрации свободных дырок в нанокристаллах пористого кремния при адсорбции молекул С5Н5М '
4.3.2 влияние адсорбции молекул С5Н5Н на спиновые центры в пористом кремнии
4.3.3 Фотолюминесценция пористого кремния при адсорбции молекул пиридина
4.3.4 МОДЕЛЬ взаимодействия молекул пиридина с поверхностью кремниевых нанокристаллов
4.4 Основные результаты и выводы из главы 4
ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ
ЛИТЕРАТУРА

Актуальность проблемы.
Пористый кремний (ПК) был впервые получен еще в 1956 году группой ученых под руководством А. иЬНг [1]. Было обнаружено, что в процессе электрохимической обработки монокристаллического кремния может быть достигнут режим, когда плотность пор становится большой, происходит их перекрытие, и непротравленные участки кремния представляют собой нанокристаллы с размерами порядка нескольких нанометров. В 1984 году яркое свечение ПК в видимой части спектра при температуре жидкого гелия наблюдали исследователи Британского королевского института радиолокации и связи [2]. Однако, настоящий бум в изучении физических свойств ПК начался в 1990 г. после открытия доктором СапЬат из Британского агентства оборонных исследований эффективной фотолюминесценции данного объекта при комнатной температуре [3]. Он предложил возможную физическую модель объяснения данного явления, основанную на эффекте квантового ограничения носителей заряда, и указал на возможность получения электролюминесценции в структурах на базе ПК. Таким образом, возникла перспектива использования ПК в качестве базового элемента полупроводниковой оптоэлектроники. За последние десять лет опубликовано несколько тысяч научных статей, проведено большое число специальных конференций и симпозиумов, посвященных данной проблеме. К настоящему моменту стало ясно, что быстро достичь успеха в практическом применении светоизлучающих свойств ПК не удается. Поэтому ученые работают над решением проблемы увеличения квантового выхода люминесценции ПК путем модификации структуры энергетических зон кремния при уменьшении размеров кристаллов до единиц нанометров, а также при введении в кремниевую матрицу активаторов люминесценции (например, ионов редкоземельных элементов) [4-6].

ГЛАВА 2 МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
2.1 Приготовление образцов ПК
Образцы пористого кремния формировались на монокристаллических пластинах с-8і путем электрохимического травления в растворе НР(48%):С2Н5ОН, взятом в пропорции 1:1, при различных плотностях тока].
Рис. 2.1 Схема ячейки для формирования образцов ПК.
В зависимости от метода исследования использовались следующие типы образцов:
1) Свободные пленки мезо- и микро-ПК, полученные травлением подложек с-81 различной степени легирования бором при разных плотностях тока; а также ПК, полученный на подложках с-Б1 п-типа (см. таблицу 2.1) (измерения оптического пропускания, отражения, а также ЭПР);
2) Микро-ПК на монокристаллической подложке, полученный травлением р-81 10-20 Ом-см в течение 5 минут (измерения ФЛ).
раствор

с-ві