Кванттық нүктелері бар кеуекті құрылымдар

Жұмыс түрі: Материал
Тегін: Антиплагиат
Көлемі: 33 бет
Таңдаулыға:

Қазақстан Республикасы Білім және ғылым Министрлігі

әл-Фараби атындағы Қазақ ұлттық университеті

Физика-техникалық факультеті

Қатты дене физикасы және бейсызық физика кафедрасы

ДИПЛОМДЫҚ ЖҰМЫС

Тақырыбы: Кеуектіліктің кремний қабыршағының жұтылу спектріне әсері

5B071900 - Радиотехника, электроника және телекоммуникациялар мамандығы бойынша

Орындаған:_________________________ ______________Шазат А.Е
(қолы)
Ғылыми жетекші: аға оқытушы__________________________Ик рамова С.Б
(қолы)

Қорғауға жіберілді:

Хаттама № ___,_________________ 2021ж.

Кафедра меңгерушісі________________________ _______Ибраимов М.К
(қолы және мөрі)
Норма бақылаушы__________________________ _______Бибатырова Л.Қ
(қолы)

Алматы, 2021 ж
РЕФЕРАТ

Мазмұны
Кіріспе
1.КЕУЕКТІ КРЕМНИЙГЕ НЕГІЗДЕЛГЕН НАНОҚҰРЫЛЫМДАРДЫҢ ҚАЛЫПТАСУ ЕРЕКШЕЛІКТЕРІ ЖӘНЕ НЕГІЗГІ ФУНКЦИОНАЛДЫҚ СИПАТТАМАЛАРЫ
1.1. Кеуекті кремний мен оған негізделген наноқұрылымдардың функционалдық сипаттамалары
1.2. Кеуекті кремний мен оған негізделген наноқұрылымдарды қалыптастыру әдістерінің физика-химиялық негіздері.
2. КЕУЕКТІ КРЕМНИЙ ҚҰРЫЛЫМЫН АЛУ ЖӘНЕ ЗЕРТТЕУ ӘДІСІНІҢ СИПАТТАМАСЫ
2.1. Модификацияланған кеуекті кремнийді алу
2.2.Кремний қосылыстары негізіндегі нано-қабатты құрылымдар
2.3. Кванттық нүктелері бар кеуекті құрылымдар
3. КЕУЕКТІ КРЕМНИЙДІҢ ОПТИКАЛЫҚ ҚАСИЕТТЕРІ
4. КЕУЕКТІЛІКТІҢ КРЕМНИЙ ҚАБЫРШАҒЫНЫҢ ЖҰТЫЛУ СПЕКТРІНЕ ӘСЕРІ
4.1. Тәжірибелік бөлім
ҚОРЫТЫНДЫ
ҚОЛДАНЫЛҒАН ӘДЕБИЕТТЕР ТІЗІМІ

1. КЕУЕКТІ КРЕМНИЙГЕ НЕГІЗДЕЛГЕН НАНОҚҰРЫЛЫМДАРДЫҢ ҚАЛЫПТАСУ ЕРЕКШЕЛІКТЕРІ ЖӘНЕ НЕГІЗГІ ФУНКЦИОНАЛДЫҚ СИПАТТАМАЛАРЫ
1.1. Кеуекті кремний мен оған негізделген наноқұрылымдардың функционалдық сипаттамалары.
Кремний-қазіргі микро және наноэлектроникадағы ең маңызды материал және оттегіден кейінгі жердегі екінші элемент болып табылады. Кремнийдің негізгі қасиеті-монокристалды, поликристалды, аморфты кремний сияқты көптеген сорттарында Si жартылай өткізгіш қасиеттерін көрсетеді. Оның таза түрінде кремний 1,5·1010 см-3 еркін тасымалдаушылардың салыстырмалы түрде төмен концентрациясына ие, бірақ қоспаларды енгізу арқылы бос тасымалдаушылардың концентрациясы кең ауқымда өзгеруі мүмкін (1021 см-3 дейін). Кремнийдегі допант қоспасының жақсы диффузиясы арқасында электрондық (n-Si) немесе тесік (p-Si) өткізгіштігі бар жергілікті аймақтарды құруға болады, бұл әдеттегі жартылай өткізгіш транзистордың негізі болып табылады. Кремний сонымен қатар жоғары температураға төтеп береді. Қалыңдығы 1-2 нм болатын с-Si плиталарының бетіндегі табиғи SiO2 оксиді оқшаулағыш және жабу қабаты ретінде жақсы жұмыс істейді. Микросхемалардың жылдамдығын арттыру және тұтынылатын қуатты азайту үшін оқшаулағыштағы кремний технологиясы қолданылады. Қазіргі уақытта кремнийдің жоғары фотосезімталдығы (жарықтандыру кезіндегі электр өткізгіштіктің өзгеруі) кеңінен қолданылады, бұл жарық энергиясын электр энергиясына айналдыруға мүмкіндік береді. Сонымен қатар, бұл фотодетекторларда және күн панельдерінде қолданылады.
Алайда, кремнийді интегралды оптоэлектрондық құрылғыларда қолдануға болмайды, өйткені ол өте төмен эмиссиялық тиімділігі бар жанама жартылай өткізгіш (Eg = 1.1 эВ), бұл үшін оптикалық кванттар шығаратын электронды процестер екіталай, ал сәулелену спектрдің инфрақызыл аймағында байқалады (λ = 1.3 мкм, тиімділігі жоғары 10-4 -10-5). Яғни, кері процесс, электр энергиясын кремний құрылғыларында көрінетін жарыққа тиімді түрлендіру мүмкін емес. Квази импульстің кеңістігіндегі валенттік аймақтың төбесі өткізгіштік аймағының түбімен сәйкес келмеген жағдайда заряд тасымалдаушылардың рекомбинациясы Импульстің сақталу заңына сәйкес бір немесе бірнеше фонондардың қатысуымен ғана жүруі мүмкін. Мұндай оқиғаның ықтималдығы өте аз, сондықтан ықтимал жылжымалы тасымалдаушылардың радиациялық емес рекомбинация процесі, мысалы, ақаулар немесе тұзақтар. Осындай процестердің нәтижесінде барлық энергия фонондардың пайда болуына жұмсалады.
Алайда, кремнийдің электронды қасиеттерін оның негізінде бірнеше нанометрдегі ең аз мөлшердегі кеңістіктік бөлінген кремний учаскелері бар наноқұрылымдарды қалыптастыру кезінде өзгертуге болады. Бұл жағдайда заряд тасымалдаушылар (электрондар мен тесіктер) кванттық өлшемді әсерге байланысты қосымша энергия алады. Бұл әсер осы материалдың көлемді монокристаллымен салыстырғанда наноқұрылымның тыйым салынған аймағының енінің ұлғаюына әкеледі.
Кремнийде наноқұрылымның мөлшері азайған кезде өткізгіштік аймағының абсолютті минимумы Бриллюэн аймағының ортасына ауысады, осылайша бастапқы және соңғы күйлердегі квази импульстердің айырмашылығы төмендейді. Сонымен қатар, наноқұрылымдар үшін Гейзенбергтің белгісіздік қатынасының көрінісі байқалады. Осы себептен оптикалық өтулердің ықтималдығын едәуір арттырады және фотолюминесценция спектрінің көрінетін аймаққа ауысуын анықтайды.
Әдетте наноқұрылымдарды кванттық шұңқырлар, жіптер және нүктелер (жұқа қабаттар, сымдар, ең кішкентай кристалдар) түрінде жасау технологиясы өте күрделі. Сонымен қатар, алынған нәтижелер жарық шығаратын кремний құрылымдарын практикалық қолдану туралы айтуға мүмкіндік бермейді
Балама-кеуекті кремнийді ( por-Si) алғаш рет 1956 жылы А.Улир алған. Бұл кремний кристалдарында электрохимиялық маринадтау нәтижесінде көптеген кішкентай тесіктер пайда болды.
Бастапқыда ол электр электроникасында қалың диэлектриктің қалыптасу кезеңі ретінде пайдаланылды. Por-Si әдетте HF ерітінділерінде монокристалды кремний субстраттарын электрохимиялық өңдеу арқылы қалыптасады. Осылайша алынған por-Si олардың арасындағы бос аралықтары (тесіктері) бар кванттық жіптер жүйесі ретінде сипатталады.
1990 жылы L. T. Canham, содан кейін бірқатар басқа авторлар бөлме температурасында кеуекті кремнийдің тиімді қызыл-қызғылт фотолюминесценциясы байқалғаны туралы хабарлады, ал біраз уақыттан кейін осы материалдың көрінетін электролюминесценциясы туралы мәліметтер алынды. тері тесігі морфологиясының әртүрлілігі сөзсіз оптикалық, электрлік, механикалық және басқа да функционалды әртүрлілікке әкеледі. Сонымен қатар, тері тесігінің қабырғалары электрохимиялық реакциялар өнімдерімен және адсорбцияланған атомдармен жабылған, олардың химиялық құрамы кеуекті кремнийдің қасиеттеріне айтарлықтай әсер етеді.
1.1-сурет. Кеуекті кремнийдің әртүрлі үлгілерінің бейнелері

Қазіргі уақытта IUPAC классификациясы бойынша (таза және қолданбалы химияның халықаралық одағы) радиусы 0,2 нм дейінгі тесіктерді субмикропорлар, радиусы 0,2 - 1,0 нм - микропоралар, радиусы 1-25 нм - мезопорлар, радиусы 25 нм - макропорлар деп атайды. Алайда, кеуекті құрылымдардың алуан түрлілігіне байланысты кеуекті денелер мен кеуектердің бірыңғай жіктелуі жоқ. Кеуекті материалдарды олардың құрылымы мен физика-химиялық қасиеттері бойынша жүйелеуге болады. Қазіргі уақытта кеуекті денелердің корпускулярлық және губкалы болып бөлінуі жиі кездеседі. Кеуекті кремнийдің күйі "кеуектілік" параметрімен сипатталады, яғни кеуектер көлемінің кеуекті қабатының жалпы көлеміне қатынасы. Кеуектердің кеуектілігі геометриясына байланысты ол 10-нан 800 м2 см3 дейін болуы мүмкін. Монокристалды кремнийдің нақты беті тек 0,1-0,3 м2 см3 құрайды. Кеуектілік көрсеткіші материалдың қанша бөлігі кеуектермен алынғанын анықтайды. Кеуекті кремний үшін кеуектілік мәндері ерекше кең аралықта 5-тен 95% - ға дейін өзгеруі мүмкін. Тері тесігін алатын көлем аз болған кезде (5%), мұндай материалдың қасиеттері кристалды кремнийдің қасиеттеріне жақын. Кеуектіліктің жоғары деңгейімен кристал айтарлықтай өзгереді және мұндай кеуекті кремний жаңа қасиеттерді көрсетеді.
Кеуекті кремний бастапқы материалға, кеуектілікке және қалыптасу жағдайларына байланысты меншікті кедергі шамаларының (10-2-1011 Ом·см), диэлектрлік тұрақтылықтың (1,75-12) және сыну көрсеткішінің (1,2-3,5) кең аралығына ие.
Сондықтан por-Si құрылғылар мен интегралды схемаларда жартылай өткізгіш және диэлектрлік қабаттар ретінде де қолданыла алады, мысалы, кеуекті қабаттарды қолдана отырып диэлектрлік қабықшаларды қалыптастыру кезінде "оқшаулағыштағы кремний"құрылымдарының оқшаулағыш негізі ретінде ала аламыз.
Дамыған химиялық белсенді беттің болуы сенсорлық құрылғыларда кеуекті кремнийдің практикалық қолданылуын анықтады. Сонымен қатар, режимдерді (Анодтау тогының тығыздығы, жарықтандыру) өзгерту арқылы бір процесінде көп қабатты құрылымдарды алуға болады, мұнда әр қабат кеуектердің кеуектілігі мен геометриясына ие болады. Бұл технология сонымен қатар интерференциялық сүзгілер сияқты әртүрлі құрылғыларды дамыту үшін үлкен мүмкіндіктерді қамтиды.
Өлшемдері 4 нм-ден аз нанокристалдар үшін кеуекті кремнийде басқа наноқұрылымды материалдардағыдай құбылыстар байқалады: энергетикалық спектрді кванттау, тыйым салынған аймақтың енінің 1,1-ден 1,8-2,9 эВ-ға дейін ұлғаюы, энергияның азаюы,диэлектрикалық өтімділік. Анодты өңдеу технологиясының мүмкіндіктері кремнийден кванттық нүктелерді, кванттық жіптерді, әртүрлі фракталдық өлшемдегі элементтерді алуға мүмкіндік береді. Сондықтан кеуектілігі 50% кеуекті кремнийді наноэлектроника материалдарының бірі ретінде қарастыруға болады.

1.2-сурет. Кремний монокристалы және кремний кванттық жіп үшін Eс(P), Ev(P) квази импульсіне электрон энергиясының тәуелділігі
Енді кеуекті кремнийдің қолданылуын түзілетін субстраттардың параметрлері тұрғысынан қарастыратын болсақ, онда жоғары қоспаланған кристалды кремний субстраттарында алынған por-Si оптикалық толқындар жарық диодтарын құруға перспективалы болады. Ал 1-5 Ом*см кедергісі бар субстраттарда алынған por-Si өздігінен жойылатын кремний чиптерін, әртүрлі кремний мембраналарын жасау үшін қолданыладв. Жоғарғы кедергісі бар бастапқы тақталарда микрореакторлар, микрорезонаторлар, Фотон кристалдары жасалады. Кеуекті кремнийді қолданудың перспективалы мүмкіндіктерінің бірі-оны әртүрлі сенсорларда сезімтал элемент ретінде пайдалану болып табылады. Өкінішке орай, Por-Si әрқашан жоғарыда аталған қосымшалар үшін ең жақсы материал бола бермейді, алайда бір құрылғыда электроника элементтерімен интеграциялау мүмкіндігі басқа тәсілдерге қарағанда айтарлықтай артықшылықтар береді. Сонымен қатар, электрохимиялық өңдеу параметрлерінің өзгеруі, өңдеу ерітіндісінің құрамы, органикалық және бейорганикалық қосылыстар мен металдарды енгізу және негізгі қабаттарын қолдану белгілі бір аймақта практикалық қолдануды оңтайландыру үшін кеуекті қабаттың функционалды сипаттамаларын басқаруға мүмкіндік береді.Сонымен қатар, іргелі зерттеулер мен практикалық қолдану үшін бөлек кең аймақ кеуекті кремнийге негізделген композициялық құрылымдарды қоса, күрделі болып табылады. Көп қабатты кеуекті құрылымдарды қолданудың жақсы мысалы-су элементтерін құру. Кеуектерді басқа химиялық қосылыстармен толтыру перспективалы болуы мүмкін, бұл кеуекті кремний көлемінде қосымша төмен өлшемді элементтерді құруға мүмкіндік береді.
Кеуекті кремнийдің фотолюминесценттік (ФЛ) қасиеттері ерекше назар аударуға тұрарлық. Сонымен қатар, төменде кремний наноқұрылымдарының люминесценциясының ең көп таралған модельдері келтіреміз. Әр модель аясында por-Si фотолюминесценциясының көрінетін әсерлерінің бүкіл кешенін толық сипаттау өте қиын екенін атап өткен жөн.
Люминесценцияның ең ерте және кеңінен қолданылатын модельдерінің бірі - L. T. Canham ұсынған кванттық өлшемді модель. L. T. Canham - қазіргі por-Si зерттеулерінің негізін қалаушы. C-Si-де люминесценция процесі "жанама" аймақтық құрылымға байланысты екіталай екені белгілі. Кеуекті кремнийде, осы модельге сәйкес, жеке кремний кристалдарының мөлшерін наноөлшемді масштабтарға дейін азайту кезінде, тыйым салынған аймақтың енінің ұлғаюына және оны түзу аймаққа айналдыруға әсер ететін өлшемді кванттау әсерлері байқала бастайды, сондықтан бөлме температурасында көрінуі керек спектрінің максималды ығысуы пайда болады.

1.3-сурет. Por-Si тыйым салынған аймақ енінің валенттік аймақтың изотропты моделі шеңберіндегі кремний үшін шаршы қиманың кванттық жіптерінің көлденең мөлшеріне тәуелділігі
Нанобөлшектер, сондай-ақ кеуекті кремний сияқты, мөлшеріне байланысты әр түрлі арақатынаста тотыққан және тотықтырмаған кристалды және аморфты кремний фазаларының көп фазалы жүйесі болып табылады. Нанобөлшектерде- бұл аморфты оксид қабығымен жабылған нанокристалды кремнийдің сфералық ядролары. Кейбір жағдайларда ядролар ішінара аморфты болуы мүмкін.
Жұмыста нанокристалдардың өлшемге тәуелді люминесценциясы өлшемдерінің кең диапазонында (3-тен 8 нм-ге дейін) кеуекті кремнийдегі теориялық модельмен салыстырылады. Люминесценция теориялық есептеулерге сәйкес келетін бөлшектердің мөлшерінің азаюымен ауысады.
Por-Si жағдайында, нанобөлшектер көптеген үзілген байланыстары бар қасиетке ие. Нанобөлшектердің тотығуы нанокристал бетіндегі радиациялық және спектрдің қызыл аймағында люминесценцияның өсуіне әкеледі. Біз фотолюминесценцияның бөлшектердің мөлшерінің азаюымен өсуі бұзылған беттің немесе ақаулы SiOх қабығының күй тығыздығының энергия деңгейінде түсірілген экситондардың рекомбинациясымен байланысты деп болжай аламыз. SiSiOх шекарасындағы күйлер арқылы рекомбинация нанокристалдардың өлшемдерінің аздығымен анықталады, мұнда бөлу шекарасы үлкен рөл атқарады. Үлкен нанокристалдар жағдайында рекомбинацияның кванттық өлшеу механизміне үлкен үлес қосады.
Рor-Si кеуектілігін және сәйкесінше кеуектердің орташа мөлшерін өзгерту арқылы спектрдің көрінетін аймағында қызылдан жасылға дейін сәуле алуға болатындығын көре аламыз(1.4-сурет).

1.4-сурет. Толқын ұзындығы λ= 488 нм сәулелену кезіндегі por-Si үшін фотолюминесценция спектрлері
Por-Si-де уақытын қзгерте отырып, демек, тері тесігінің мөлшерін өзгерте отырып, біз люминесценцияның шығуын және оның фотолюминесценция жолағының орнын басқара аламыз, сонымен бірге оның қарқындылығы да өзгереді. Бұл әсер por-Si-де кремний нанокристалдарын кванттық өлшемді шектеу негізінде түсіндіріледі.

1.5-сурет. HF ерітіндісінде өңдеу уақыты кезіндегі бөлме температурасында por-Si фотолюминесценциясы. Өңдеу уақыты: 1 - 1с, 2 - 2с, 3 - 6с.
Люминесценцияның интегралды қарқындылығының қоздырғыш сәулелену қуатына және экспоненциалды температураға сызықтық тәуелділігін анықтаймыз (1.7-сурет). Бос электрондар мен тесіктер үшін фотолюминесценцияның өсу заңы квадраттық болуы керек. Экситондар кремний нанокристалдарында локализацияланған және спектрдің көрінетін бөлігінде жарқын люминесценцияның себебі болып табылады деп тұжырымдай аламыз.

1.6-сурет. Por-Si фотолюминесценциясының интегралдық қарқындылығының температураға тәуелділігі.
Алайда, кеуектіліктің жоғарылауымен фотолюминесценция спектрінің ығысуы әрдайым бола бермейтіндігі көрінеді.. Мысалы, кеуектіліктің жоғарылауы фотолюминесценция максимумының жағдайына әсер етпеді және фотолюминесценция мен микродифракция жарқыраған аймақтардың аморфты құрылымға ие екенін көрсетеді.
A-Si:H негізіндегі фотолюминесценцияның тағы бір моделі Si-H байланыстарының болуы нәтижесінде люминесценцияны болжайды. Олар кеуекті кремний алу процесінде пайда болады, бұл тіректердің бетінде аморфты қабаттың пайда болуымен және оның гидрогенденуімен бірге жүреді. P 60% кеуектілігі кезінде por-Si-де аморфты фазаның едәуір мөлшері байқалады және кеуекті кремнийде a-Si:H спектрлеріне ұқсас фотолюминесценция спектрлері байқалады. Алайда, фотолюминесценция беретін кейбір үлгілерде аморфты фаза анықталмайды.
Нанокристалдардың кішкентай мөлшері жағдайында SiO2 байланыстарына сәйкес келетін күйлерде заряд тасымалдаушылардың рекомбинациясы болады. Бұл жағдайда заряд тасымалдаушылардың кванттық өлшемді шектелуіне және SiSiO2 интерфейсінің болуына байланысты екі люминесценция механизмі бар.
Фотолюминесценция спектрлерінің жаңадан дайындалған por-Si-дегі нанокристалдардың мөлшеріне тәуелділігіне салыстырмалы талдау жүргізейік. Кремний нанокристалдарының орташа мөлшерінің 5-тен 1 нм-ге дейін азаюымен фотолюминесценция шыңы толқын ұзындығының 800-ден 400 нм-ге дейінгі аралықта ауысатынын көреміз.
Фотолюминесценцияның көк аймаққа ауысуы заряд тасымалдаушылардың рекомбинациясының кванттық өлшемді механизміне сәйкес келеді. Алайда, нанокристалдардың мөлшері 2,5 нм-ге дейін азайған кезде, беттің рөлі артып, SiSiO2 шекарасында бос тасымалдаушыларды басып алу рекомбинацияның басым механизміне айналады. Бұл нанокристалдардың мөлшерін одан әрі азайту кезінде фотолюминесценция шыңының орнын ауыстыру арасындағы байланыстың бұзылуынан көрінеді.
Кремний наноқұрылымдарындағы фотолюминесценция механизмдерін нақтылау тұрғысынан белгілі бір қызығушылық аморфты матрицада (әдетте SiO2) кремний нанокристалдарын және диэлектрик қабаттары арасында орналасқан нанокристалды кремнийі бар көп қабатты құрылымдарды қалыптастыруға арналған жұмыстар болып табылады.
Сонымен, SiOx-тегі кремнийдің артық концентрациясы өзгереді, SiO2 матрицасындағы Si нанокристалдарының орташа мөлшерін реттейді. Сонымен қатар, Si нанокристалдарының орташа мөлшерінің 1,1-ден 2,1 нм-ге дейін жоғарылауымен бөлме температурасында люминесценция максимумы (1100 0С дейінгі температурада тазарту арқылы өзгерді) қызыл аймаққа 700 нм-ден 950 нм-ге дейін ауысады, бұл заряд тасымалдағыштың кванттық шектеу моделіне сәйкес келеді. Сонымен қатар, нақты құрылымдар жағдайында люминесценцияның максималды мөлшерінің өзгеруі теория болжағаннан едәуір баяу жүреді.
Нанокристалдардың шекарасындағы интерфейс күйлерінің фотолюминесценция спектріне қосқан үлесін ескере отырып, теорияға сәйкестік қалпына келтіріледі, бұл аймақта тыйым салынған кремний аймағында локализацияланған Si=O байланыстарында электрон немесе экситон алынады деп санаймыз.
Жоғарыда келтірілген талдаудан фотолюминесценцияның белгілі бір механизміне артықшылық бере отырып, әр т.рлі a-Si:H және por-Si фотолюминесценциясын алу мен зерттеудің қолданылатын әдістерінің барлық кешені маңызды екені байқалады.
Бірқатар жұмыстар фотолюминесценцияны кремний бар аймақтарда оксид қабаттарымен қысылған a-SiSiO2 көп қабатты құрылымдарында кремний нанокристалдарын қалыптастыру арқылы алуға болатындығын көрсетеді. Бұл көп қабатты құрылымдар аморфты кремний қабаттарының қалыңдығына, яғни кремний нанокристалдарының өлшемдеріне байланысты. SiOхSiO2 көп қабатты периодты құрылымдары толқын ұзындығының кең диапазонында айқын өлшемді тәуелді люминесценцияға ие.
Бұл термиялық тазарту процесінде SiOх қабатындағы құрылымдық-морфологиялық өзгерістерге байланысты. Күйдіру температурасының жоғарылауымен, яғни кремний нанокристалдарының мөлшерінің ұлғаюымен люминесценция спектрлерінде орналасуында да, қарқындылықта да айтарлықтай өзгерістер болады.
Осылайша, қазіргі уақытта SiO2 немесе SiOх матрицасындағы Si нанокристалл массивтері бар және кремнийдің аморфты фазалары бар кеуекті кремнийді қамтитын кремний негізіндегі төмен өлшемді жүйелер кеңінен зерттелген. Алайда, көптеген эксперименттік мәліметтердің сәйкес келмеуіне байланысты мұндай жүйелердің люминесценция механизмін түсіндіру мәселелері қиындық туғызады . Нәтижелердің бір бөлігі Si нанокристалдарының мөлшері мен көлемдік концентрациясына байланысты және жоғары температуралы күйдіруден кейін фотолюминесценция шыңының байқалған ығысуын көрсетеді. Нәтижелердің тағы бір бөлігі люминесценция шыңының осы параметрлерден тәуелсіздігін көрсетеді.
1.2. Кеуекті кремний мен оған негізделген наноқұрылымдарды қалыптастыру әдістерінің физика-химиялық негіздері.
Por-Si алу үшін монокристалды кремнийді (c-Si) өңдеудің әртүрлі әдістері бар, олардың екі негізгі түрін ажыратуға болады: электрохимиялық әдіс (ЭХС, Анодтау) және химиялық әдіс (HS). Вольфрам аноды мен катод арасында қолданылатын бірполярлы жоғары вольтты импульстарды қолданатын ұшқын эрозиясының басқа да аз кездесетін әдістері бар, мысалы, кремний плитасы. Ұшқынның эрозия әдісінен басқа, плазмохимиялық өңдеу әдісі және электрохимиялық өңдеу мен химиялық өңдеудің біріктірілген әдісі де белгілі, мысалы, электрохимиялық өңдеуден кейін кремний плиталары жұқа жіптер мен тұрақты кеуекті кремний сипаттамаларын алу үшін концентрацияланған HF балқытқышына немесе тұзды HCL қышқылына батырылады. Химиялық ерітуді химиялық тотығумен алмастыруға болады, бұл кванттық жіптердің көлденең өлшемдерін механикалық беріктігін сақтай отырып (беткі қабатты оксидке айналдыру арқылы) және беттік рекомбинацияның жылдамдығын төмендетеді.
Кеуекті кремнийдің қалыптасу режимдері көптеген параметрлерде әр түрлі болуы мүмкін, мысалы, шөп ерітіндісінің құрамы, өңдеу уақыты және т.б. мұнда кеуекті кремнийдің қасиеттері өндіріс әдісіне тікелей байланысты екенін атап өткен жөн.
Кеуекті кремний қабаты әдетте HF гидрофторлық қышқылына негізделген электролиттердегі анодты кремнийді электрохимиялық өңдеу арқылы қалыптасады. Бұрын органикалық ластанудан тазартылған кремний пластинасын электролиттік ваннаға орналастырады, онда алкоголь (этил немесе изопропил) қоспасында HF гидрофторлық қышқылының сулы ерітіндісі бар. Пластина (тор, спираль) гидрофтор қышқылымен, көбінесе платинамен әрекеттеспейтін кез-келген металдан жасалған қарсы электрод ретінде қолданылады.
Кремний пластинасы мен электрод арасында токтың белгілі бір тығыздығын 1 - 100мАсм2 шегінде ұстап тұру үшін жеткілікті сыртқы ток көзінен (кремний пластинасына плюс) кернеу қолданылады. Бұл жағдайда кремнийдің еруі por-Si пайда болады. Процестің схемасы төменде көрсетілген.

1.7-сурет. Кеуекті кремний үлгілерін алу үшін орнату схемасы.
Өңдеу процесінде келесі химиялық реакциялар жүреді:
xSi + 2xHF -- (SiF2)x + 2xH+ + 2xe- (1.1)
(SiF2)x + 2xH2O -- xSiO2 + 2xHF + xH2 (1.2)
Өңдеу аяқталғаннан кейін үлгілер жуылады және кептіріледі. Кеуекті қабаттың құрылымы тек ток тығыздығымен, электролиттегі HF концентрациясымен ғана емес, сонымен қатар кремний субстратының сипатымен де анықталады (p - немесе n-түрі). Сонымен қатар, кеуекті құрылымды алу әдістерінің бірі-екі платина электродтарының арасында кремний плитасы орнатылатын Унна-Имаи сұйық байланыс әдісі.
Барлық жағдайларда біз кремнийді ерітумен айналысамыз. Бұл жағдайда бастапқыда бейтарап беттік кремний атомдары ерітіндіге оң зарядталған иондар түрінде өтеді. Бұл еріту актісінде кремнийдің электрлік бейтараптығы бұзылады, теріс заряд пайда болады, бұл ерітіндіге кремний иондарының одан әрі шығуына жол бермейді және кремнийдің еруі тоқтайды. Сыртқы ток көзі бар электролиз жағдайында кристалдан ерітіндіге оң зарядтардың түсуі пластинаның артқы жағындағы байланыстан көлемді кремнийге зарядтардың түсуімен өтеледі. Нәтижесінде кремнийдің ерікті түрде ұзақ еруі қамтамасыз етіледі. "Химиялық" өңдеу жағдайында электрондарды жартылай өткізгіштен электронды акцептор рөлін атқаратын тотықтырғышпен алу бірдей нәтижеге әкеледі. Алайда, бұл процесс ерітіндінің ашық жанасу аймақтары сақталған кезде ғана орын алуы мүмкін.
Болашақта por-Si қабаты қалыңдатылған сайын, балама процесс - ықшам кремнийден емес, пайда болған por-Si-ден электрондарды алу ықтималдығы жоғары болады. Бұл жағдайда кеуекті кремний ериді. Кеуекті кремнийдің одан әрі өсуі тоқтайды. Кремнийдің еруінің келесі кезеңдері-Si2+ иондарының Si4 + дейін тотығуы, түзілген кремний иондарының суда еритін кешенге (H2SiF6) гидрофторлық қышқыл молекулаларымен байланыстырылуы және оның ерітінді көлеміне диффузиясы - барлық процестерде толығымен сәйкес келеді.
Электрохимиялық өңдеу әдісі жиі қолданылады, өйткені ол химиялық өңдеуге қарағанда көбірек басқарылады. Ағымдағы тығыздықты және анодтау уақытын өзгерту арқылы микроқұрылым элементтерінің сипаттамалық өлшемдерін, кеуекті қабаттың қалыңдығын және материалдың басқа сипаттамаларын өзгертуге болады. Анодтау процесі кеуекті кремнийдің тән қасиеттеріне жауап беретін бірнеше бірліктен жүздеген нм-ге дейінгі диаметрі бар кванттық "жіптердің" немесе "сымдардың" пайда болуына әкелетіні анықталды. Көптеген тәжірибелер анодтық өңдеу процесі кристаллографиялық бағытқа сезімтал екенін анықтайды. Алайда, маржан тәрізді құрылымы бар жіп жүйесі аз болуы мүмкін. Шағын және жоғары кеуектілігі бар кеуекті кремний құрылымдық жағынан ғана емес, сонымен қатар оптикалық және электрлік қасиеттерімен де бір-бірінен күрт ерекшеленетіні анық. Люминесцентті кеуекті кремнийдің кеуектілігі әдетте 50-ден 85% - ға дейін.
Көбіктің пайда болуының бастапқы кезеңіне келетін болсақ, тері тесігінің пайда болуы кристалдық құрылымның монокристалды кремнийдің бетіндегі бұзылыстарын (дислокацияның шығуы, қоспалардың қосылуы және т.б.) тегістеумен байланысты деген болжам бар. Мұндай беттердің химиялық немесе электролиттік маринадталуы кезінде оларда ою шұңқырлары оңай пайда болады. Сондай-ақ, кеуекті кремний р-және n-типтегі кремнийде әр түрлі деңгейлері өте оңай түзілетіні белгілі.
1990 жылы В. Леманн мен Ю. Гессель ұсынған кремний анодында электрохимиялық өңдеу жағдайында тері тесігінің пайда болуына әкелетін процестің сызбасы 1.8 суретте келтірілген.

1.8-сурет. Кеуекті кремнийдің қалыптасу процесінің схемасы.
Кеуекті кремнийдің пайда болу процесінде пайда болатын реакциялар туралы толығырақ айта кететін болсақ. Өңдеу процесінде көптеген үзілген Si байланыстары пайда болады және атом сутегі бөлінеді, сондықтан ол осы үзілген байланыстарға оңай қосылады. Нәтижесінде аморфты гидратталған кремний пайда болады (a-Si:h).
Химиялық өңдеу. Кеуекті кремнийді химиялық өңдеу арқылы алуға болады, бірақ реакция әлі де электрохимиялық болып қала береді. Химиялық өңдеу арқылы алынған por-Si фотолюминесценциясы ЭХС алған por-Si фотолюминесценциясынан әлсіз және толқын ұзындығы аз болады. Алайда, өңдеу уақытының жоғарылауымен фотолюминесценция қарқындылығының жоғарылауы және фотолюминесценция спектрінің шыңының үлкен энергияға ауысуы байқалады.
Кеуекті кремний қабаттарының әртүрлі қоспаларды, атап айтқанда металл қоспаларын енгізу арқылы модификациясы белгілі бір ғылыми және практикалық қызығушылық тудырады.
Por-Si қабаттарын металдармен алудың ең оңай жолы-оларды легирленген металл иондары бар ерітінділерде өңдеу. Моно немесе нанокремнийдің бетіне түскен кремнийге қарағанда оң электрохимиялық (стандартты) потенциалы бар металл иондары кремнийдің беткі атомдарынан электрондарды алу арқылы бейтараптандырылатыны және олардағы металл (нанокристалдардың) эмбриондары екендігі белгілі :
Ме2+ + 2е- -- Ме , (1.3)
сонымен қатар, әдетте, бұл процесс сутегі көпіршіктерінің шығарылуымен бірге жүреді:
2Н+ + 2е- -- Н2 (1.4)
Тотығу процесінің нәтижесінде кеуекті кремний қабаты оң стандартты потенциалы бар металмен легирленгеннен кейін құрамында тотыққан кремний нанокристалдары, сондай-ақ тотықпен қапталған металл нанокристалдар болады.
Электрохимиялық жауын-шашын басқа әдістермен салыстырғанда анағұрлым тартымды болып көрінеді, бірақ бұл жағдайда металдардың тері тесігіне таралуы айтарлықтай үлкен шашыраумен сипатталады. Бұл тері тесігінің пішіні мен мөлшерінің таралуына, сондай-ақ тұндыру кезінде байланысқан сутектің тері тесігінен шығуына, сондай-ақ кеуектердегі металдардың өлшемдеріне байланысты болуы мүмкін, бұл жауын-шашынның бітелуіне әкеледі.
Кеуекті кремнийге темірдің электрохимиялық тұнбасы көптеген жұмыстарда зерттелген. Бастапқы материал ретінде кеуекті қабаттың қалыңдығы шамамен 10 нм болатын n типті кремний қолданылады. Темір тері тесігінің бүкіл көлемін толығымен толтыратыны анықталды. Кобальт кеуекті кремнийге газ фазасынан химиялық тұндыру әдісімен енгізіледі. Электрохимиялық жұмыста кобальттың тұндырылуы және оның темірмен кеуекті кремнийге түсуі зерттелген. Кеуекті қабаттың қалыңдығы 10 нм-ден аспады. Аз мөлшерде кобальт сульфатын темір тұндыру ерітіндісіне қосу тері тесігін темірмен біркелкі толтыруға ықпал ететіні анықталған еді.
Кеуекті кремнийге металлдарды тұндыру процесі сөзсіз артықшылықтарға ие, өйткені ол салыстырмалы түрде арзан және кремний жартылай өткізгіш құрылымдарын өңдеудің дәстүрлі технологиясымен үйлеседі. Алайда, іс жүзінде бұл процесс өте күрделі міндет екендігі белгілі болды: оны бақылау қиын, ал кеуекті қабаттың өзі ерітінді компоненттерімен ластануы мүмкін. Еріткіш буланған кезде гельдер бастапқы кеуектілікті қалыптастырып, бос орындар пайда болады. Қоспаларды енгізу, гельдің пісіп жетілуінің белгілі бір сәтінде кеуектіліктің жоғарылауына ықпал етуі мүмкін, бұл қайталама кеуектіліктің пайда болуына әкеледі. Гельге жұқа пленкалардың пішінін беру үшін Центрифугалау әдісі қолданылады. Микро - және наноэлеткроника бұйымдарын өндіруде осы әдісті қолдану оның күрделілігі мен ұзақтығына байланысты шектеледі.
Алайда, бұл кеуектілігі 99% - ға дейін силикаттарды өндірудің жалғыз әдісі. Кеуекті материалдардың пайда болуы оларды газ фазасынан тұндыру кезінде мүмкін болады.
Жұқа диэлектрлік қабықшалар мен оларға негізделген композиттерді өндірудің ең танымал әдістері газ фазасынан химиялық және плазмохимиялық жауын-шашын, сондай-ақ реактивті ион-плазмалық бүрку болып табылады. Жауын-шашын процесінде технологиялық параметрлерді басқару: булану жылдамдығы, субстраттың температурасы, құрамы, ... жалғасы

Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.