Фотопроцессы на поверхности нанопористого кремния

• Автор: Кузнецов, Михаил Борисович
• Шифр специальности: 01.04.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2001
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 135 с. : ил

ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
1Л. Методы получения и последующей обработки ПК, его структура
1.2. Фотофизические свойства ПК
1.2.1. Фотолюминесценция ПК
1.2.2. Модели фотолюминесценции ПК
1.2.3. Люминесцентные свойства ПК при высоком уровне возбуждения
1.3. Фотопроцессы на поверхности
1.3.1. Общий анализ фотопроцессов протекающих на поверхности объёмных и нанопористых сред
1.3.2. Фотопроцессы протекающие на поверхности ПК
1.4. Возможности и перспективы применения нанопористого кремния в науке и
технике
Постановка задачи
ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА И МЕТОДИКА
ИССЛЕДОВАНИЙ
2.1. Глубоковакуумная масс-спектрометрическая установка для исследования процессов лазерной десорбции и абляции с поверхности нанопористого кремния
2.1.1. Масс-спектрометрическая установка
2.1.2. Мощная лазерная система с генерацией гармоник
2.1.3. Режим лазерного воздействия и особенности регистрации масс-спектров
2.3. Лазерно-люминесцентная методика и спектроскопия с временным разрешением для исследования фотопроцессов на поверхности нанопористого кремния
2.5. Образцы
2.5.1. Используемые образцы нанопористого кремния, их свойства
2.5.2. Сорбция молекул йода на поверхность ПК

ГЛАВА 3. ФОТОЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
НАНОПОРИСТОГО КРЕМНИЯ
ЗЛ. Фотолгоминесцентные исследования тонких плёнок нанопористого кремния, приготовленных методом анодирования в электролите
3.2. Влияние плотности мощности возбуждающего излучения на поведение фотолюминесценции тонких пленок нанопористого кремния
3.2.1. Поведение интенсивности фотолюминесценции при изменении плотности мощности возбуждающего излучения в широком диапазоне
3.2.2. Сдвиг спектров фотолюминесценции при увеличении плотности мощности возбуждающего излучения в образцах ПК приготовленного различными методами
3.3. Изменение фотолюминесцентных свойств нанопористого кремния при сорбции в поры молекулярного йода. Эффект резонансного безызлучательного переноса
ГЛАВА 4. МАСС-СПЕКТРОМЕТРИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
ФОТОПРОЦЕССОВ НА ПОВЕРХНОСТИ НАНОПОРИСТОГО КРЕМНИЯ

4.1. Масс-спектрометрические исследования воздействия на поверхность нанопористого кремния лазерного излучения в широком диапазоне плотностей
мощности
4.1.1. Абляция на поверхности нанопористого кремния
4.1.2. Доабляционный режим воздействия. Фото десорбция
4.2. Доказательства нетепловой природы десорбции водорода и кремния
4.3. Общая картина и физические механизмы наблюдаемых фотопроцессов на поверхности нанопористого кремния
4.4. Фотодесорбция молекулярного йода с поверхности ПК при его непрямом возбуждении
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ РАБОТЫ
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА

ВВЕДЕНИЕ
Начиная с 1990 года, когда Кэнхэм впервые обнаружил фотолюминесценцию нанопористого кремния [1], интерес, как с прикладной, так и с фундаментальной точек зрения к нанопористым и наноструктурированным полупроводникам и, в особенности к кремнию, стремительно растёт. Фундаментальный интерес к ПК основан на том, что его свойства сильно отличаются от свойств объёмного (непористого) кремния. В частности, наличие фотолюминесценции у ПК (объёмный кремний - непрямозонный полупроводник и излучательные переходы в нём сильно подавлены) позволяет сделать вывод о том, что изменения, произошедшие в результате наноструктурирования поверхности, затронули энергетическую структуру полупроводника. Это может быть связано как с изменением формы зон вызванным квантово-размерными эффектами, так и с резко возросшим влиянием поверхности. Вследствие этого важную роль в формировании свойств ПК начинают играть поверхностные состояния. Сорбция и десорбция различных веществ на поверхности может резко изменять свойства ПК, при этом степень и характер влияния физ- и хемо-сорбированных атомов и молекул могут оказаться различными. Поэтому исследования поверхностных и сорбционных состояний для выяснения природы и механизма люминесценции и возможности изменения фотофизических свойств ПК оказываются приоритетными.
К настоящему времени фактически доказано, что поверхностные силоксены не являются люминесцентными центрами в ПК [2]; в общих чертах выяснена роль пассивации поверхности водородом и кислородом [91-93]; определены основные особенности фотофизических свойств ПК [2,24]. Однако, несмотря на множество проведённых работ ответа на вопрос, почему ПК обладает интенсивной фотолюминесценцией в видимом диапазоне спектра, пока нет.
Сложность ответа на такой вопрос заключается, по-видимому, в том, что в ПК существует множество каналов релаксации возбуждения, начиная от безызлучательной колебательной релаксации в объёме нанокристаллов и заканчивая такими процессами, как туннелирование или захват носителей на поверхностные состояния с последующей как излучательной, так и

ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ.
Во второй главе описывается экспериментальная методика, применявшаяся для исследования фотопроцессов на поверхности нанопористого кремния, включающая в себя глубоковакуумную времяпролётную масс-спектрометрию, лазерно-индуцированную люминесценцию и люминесценцию с временным разрешением.
Приводится описание высокочувствительной глубоковакуумной масс-спектрометрической установки [82,90,118] с мощной лазерной системой 182,90,118,119], применявшейся для исследования фотодесорбции и абляции с поверхности нанопористого кремния.
Приводится блок-схема и описание лазерного люминесцентного спектрометра ]82,118,120] для регистрации спектров люминесценции ПК, применявшегося также для получения зависимостей интенсивности люминесценции от мощности возбуждающего лазерного излучения. Приводится описание специально созданного на базе спектрометра блока спектроскопии с временным разрешением для исследования влияния высокого уровня возбуждения и сорбции молекул йода на фотопроцессы в ПК.
Отдельно описывается методика приготовления образцов нанопористого кремния, методика исследования сорбции йода на фотолюминесцентные свойства ПК, приводятся спектральные и фотофизические данные для молекулы йода сорбированной в нанопористом кварце.
2.1. Глубоковакуумная масс-спектрометрическая установка для исследования процессов лазерной десорбции и абляции с поверхности нанопористого кремния. Для изучения фотопроцессов протекающих на поверхности нанопористого кремния использовалась методика лазерной динамической времяпролётной масс-спектрометрии, подробно описанной в [82]. В качестве источника лазерного