Исследование фотосенсибилизированной генерации синглетного кислорода в ансамблях кремниевых нанокристаллов

• Автор: Демин, Вячеслав Александрович
• Шифр специальности: 01.04.10
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2008
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 164 с. : ил.

Содержание
Содержание
Введение
Глава 1. Обзор литературы
1.1 Основные свойства н методы получения молекулярного кислорода в различных энергетических состояниях
1.1.1 Квантовомеханическое строение и свойства молекулярного кислорода
1.1.2 Способы получения молекул кислорода в синглетном состоянии
1.2 Ансамбли нанокристаллов кремния. Структура и методы получения
1.2.1 Формирование кремниевых нанокристаллов
1.2.2 Структурные свойства нанокристаплов в слоях пористого кремния
1.3 ЭПР-спектроскопия пористого кремнии
1.3.1 Исследование природы и основных свойств спиновых центров в кремниевых нанокристаллах
1.3.2 Явление спиновых эхо как способ определения времен парамагнитной релаксации
1.4 Люминесценция образцов пористого кремния
1.4.1 Природа ФЛ пористого кремния
1.4.2 Экситоны в полупроводниковых квантовых нитях
1.4.3 Особенности релаксации оптического возбуждения в кремниевых нанокристаллах
1.5 Исследование генерации синглетного кислорода методом фотолгоминесцснтной спектроскопии
1.5.1 Взаимодействие экситонов в кремниевых нанокристаллах с молекулами кислорода на их поверхности при низких температурах
1.5.2 Механизм передачи энергии
1.5.3 Генерация синглетного кислорода в растворах
1.6 Выводы из обзора литературы и постановка задачи исследования
Глава 2. Методика эксперимента
2.1. Приготовление образцов пористого кремния
2.2. Исследования методом ЭПР
2.3. Методика измерения фотолюминесценции
Глава 3. ЭПР-диагностика фотосснсибилизированнон генерации синглетного кислорода на поверхности нанокристаллов кремния
3.1. Влияние окисления поверхности пористого кремния на концентрацию спиновых центров

3.1.1. Естественное окисление кремниевых нанокристаллов при выдержке на воздухе
3.1.2. Фотостимулированное окисление нанокристаллов 5І на воздухе
3.2. Изучение пористого кремния методом ЭПР непрерывного воздействия
3.2.1. Влияние адсорбции молекул кислорода на спектры ЭПР пористого кремния при различных уровнях мощности СВЧ-излучения
3.2.2. ЭПР-диагностика генерации синглетного кислорода при фотовозбуждении нанокристаллов кремния
3.2.3. Исследование влияния освещения на спектры ЭПР молекулярного кислорода в слоях микропористого кремния
3.3. Исследование фотосснсибилизацин синглетного кислорода в пористом кремнии методом импульсного ЭПР
3.3.1. Измерение времен парамагнитной релаксации Рі-центров методом «спинового эхо»
3.3.2. Исследование магнитного диполь-диполыюго взаимодействия молекул кислорода со спиновыми центрами пористого кремния
3.4. Основные результаты и выводы из главы
Глава 4. Влияние размеров гранул и степени окисления пористого кремния на его люминесцентные и фотосенсибилизационные свойства
4.1. Размер гранул измельченных образцов пористого кремния
4.1.1. Измерения удельной поверхности
4.1.2. Спектры комбинационного рассеяния света исследуемых образцов
4.2. Исследование методом фотолюминесценции влияния размера гранул пористого кремния на эффективность генерации синглетного кислорода
4.3. ЭПР-диагностика порошков пористого кремния с различным размером гранул
4.4. Теоретический анализ фотолюминесценции пористого кремния в рамках модели экситонной миграции
4.4.1. Кинетические уравнения релаксационных процессов в ансамблях пс-8і
4.4.2. Фотолюминесценция пористого кремния в условиях стационарного фотовозбуждения
4.4.3. Теоретический анализ эффективности генерации синглетного кислорода
4.5. Влияние степени окисления на фотосенсибилизационную активность пористого кремния
4.6. Основные результаты и выводы из главы
Заключение и основные выводы
Список использованной литературы
Введение
В последние десятилетия со все более возрастающей скоростью и, соответственно, объемами финансирования стала развиваться инновационная технология с приставкой нано-, специализирующаяся на разработке и развитии прогрессивных методов диагностики и манипулирования веществом на молекулярном уровне. Наноматериалы обладают уникальными физико-химическими свойствами, перспективными для многочисленных применений. Например, углеродные нанотрубки обладают высокой электрической проводимостью и при этом на порядок прочнее стали (имея в шесть раз меньший удельный вес), определенные типы наноструктур могут обладать априорно заданными оптическими свойствами, в миллионы раз повышать быстродействие компьютеров и т.д. Особое внимание исследователи в области физики ианосистем уделяют полупроводниковым нанокристаллам и, в частности, нанокристаллам кремния (пс-БО [1,2], поскольку Б1 является основным элементом современной планарной технологии и обладает рядом преимуществ перед другими полупроводниковыми материалами.
Одним из наиболее простых и распространенных методов формирования пс-81 является электрохимическое травление пластин монокристаллического 81, в результате которого получается материал с уникальными свойствами — пористый кремний (ПК) [1]. Данный материал, представляющий собой сеть пересекающихся кремниевых нитей переменного сечения, впервые был получен в 1956 г. группой ученых под руководством А. иЬНг [3]. Однако, настоящий бум в изучении ПК начался в 1990 г. после открытия доктором Сапйаш из Британского агентства оборонных исследований эффективной фотолюминесценции (ФЛ) данного объекта при комнатной температуре [4]. Несмотря на опубликованные несколько тысяч работ, посвященных ФЛ пористого кремния, быстрых практических результатов в этой области достичь не удалось. В то же время, актуальность исследования ПК обуславливается 1) возможностью контролируемой вариации его свойств в широком диапазоне за счет изменения параметров травления (состава электролита, плотности тока и т.п.), 2) наличием у ПК чрезвычайно развитой удельной поверхности, которая может достигать -1000 м7г [1]. Последнее, по-видимому, создает определенные трудности в создании светоизлучающих устройств па основе ПК из-за присутствия на его поверхности большого числа дефектов типа ненасыщенных химических связей, которые являются центрами рекомбинации и захвата неравновесных носителей заряда, что оказывает существенное влияние на фотоэлектронные свойства ПК.
С другой стороны, огромная удельная поверхность ПК делает его хорошим модельным объектом для исследования фундаментальных закономерностей

Изучению природы точечных дефектов в ПК методом ЭПР посвящен ряд работ [90,91,92,93,94], согласно которым основным типом СЦ в ПК являются типа ОС кремния на границе раздела двух твердых фаз с различными параметрами структуры Si / Si()2, так называемые Д-центры. Впервые они были обнаружены Nishi [95], а затем детально исследованы Poindexter [96,97]. На Рис. 1.7 а показано схематичное изображение Д-центров, возникающих на границе раздела c-Si/Si02 при окислении c-Si с различной ориентацией кристаллографических плоскостей [96]. При формировании оксида на поверхности пластин Si(100) различают две разновидности Д-центров: Рм и Ры (Рис. 1.7 а). До-центр представляет собой конфигурацию типа Sh-Si», в ближайшее окружение ОС Si входит атом кислорода (Рис. 1.7 а). Однако, атомная модель Ры -центра, предложенная Poindexter (типа OSi2-Si», Рис. 1.7 а), была отвергнута после опубликования выполненных Edwards расчетов электронной структуры и константы сверхтонкого расщепления Ры -центра [98]. Результаты последних оказались не совместимы со свойствами предложенной модели [96]. В этой же работе Edwards выдвинул свою модель
В tGautt)
Рис. 1.8. Сигналы ЭПР от Д-центров для различных ориентаций плоскости образца ПК по отношению к направлению магнитного поля [97].
Д/ -центра, согласно которой ОС Si локализована на так называемом «димере» -напряженной связи Si-Si (Рис. 1.7 6) [98]. Результаты расчетов хорошо согласуются с экспериментальными данными по исследованию электронных свойств Ры -центра, исключение составило лишь значение константы сверхтонкого расщепления: