КЕУЕКТІ КРЕМНИЙДІҢ ҚҰРЫЛЫМЫ, ҚҰРАМЫ ЖӘНЕ ҚАСИЕТТЕРІ
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: Кеуекті шалаөткізгіштегіEgшамасының өзгеруі
5B071900 - Радиотехника, электроника және телекоммуникациялар мамандығы бойынша
Орындаған:_________________________ ______________Саттарқұл 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
Дипломдық жұмыстың көлемі 72 бет, соның ішінде 37 сурет,8 формула,4 кесте. Пайдаланылған әдебиеттер саны 50 .
Кеуекті шалаөткізгіштегі Eg шамасының өзгеруі
Мақсаты: Кеуекті кремний наноқұрылымының тыйым салу аймағы мәндерін анықтап, өзара толқын ұзындығы мен жеміру уақыты арасындағы тәуелділікті анықтау.
Нысан - Eg шамасының өзгеруін анықтау.
Тақырып - тыйым салу аймағын электрохимиялық анодтау әдісімен алу. Қазіргі кезде кеуекті кремнийдің алу жолдары көптеп кездеседі. Соның бірі ретінде НF ерітінді қоспасымен кремнийдің беткі қабатын еріту болып табылады. Бұл әдіс кең тараған және осы жолмен кеуекті кремнийді алу тиімдірек. Әдетте электрохимиялық өңдеу арқылы кеуекті кремнийді алуды базалық әрі стандартты түрі деп атайды. Кеуекті кремнийдің алыну пайдалану тарихына шамалы көз жүгіртсек.
Кеуекті кремнийді өндіруде ең алғаш 1956 жылы кремнийдің беткі қабатын HF-тің су ерітіндісімен электрохимиялық өңдеу кезінде А. Улир (A. Uhlir) қол жеткізген болатын. Кеуекті кремний қабыршағын көптеген уақыттар бойы лабораториялық тәжірибе кезінде қате ретінде санап, оны егжей-тегжейлі зерттемеген. Дегенмен, бұл материал біршама зертеушілердің қызығушылығын арттырды, себебі кремний кеуектілігінің қалыптасу механизмі түсініксіз болатын.
Нәтижелері:
Кеуекті кремний наноқұрылымының тыйым салу аймағының өлшемдерін алу арқылы өзара салыстыру.
Жемірілу уақытымен кеуектілік пайызының тікелей корреляциясын көрсетету.
РЕФЕРАТ
Диссертационная работа содержит 72 страниц, в том числе 37 рисунков, 8 формул, 4 таблиц. Список литературы состоит из 50 источников.
Изменение величины Eg в пористом полупроводнике
Цель: определить значения запретной зоны пористой Кремниевой наноструктуры и определить зависимость между взаимной длиной волны и временем спекания.
Объект-определение изменения величины Eg.
Тема-получение запретной зоны методом электрохимического анодирования. В настоящее время существует множество способов получения пористого кремния. Одним из них является растворение поверхностного слоя кремния растворной смесью НF. Этот метод является распространенным, и таким образом более эффективно получать пористый кремний. Обычно получение пористого кремния электрохимической обработкой называют базовым и стандартным типом. Немного взглянем на историю использования получения пористого кремния.
Впервые в производстве пористого кремния в 1956 г. при электрохимической обработке поверхности кремния водным раствором HF А. Улир (A.Uhlir). Пористая Кремниевая пленка долгое время считалась ошибочной во время лабораторных экспериментов и не изучалась подробно. Однако этот материал вызвал некоторый интерес у исследователей, так как механизм образования пористости кремния был неясен.
Результаты:
- Взаимное сравнение с получением размеров запретной зоны пористой Кремниевой наноструктуры.
- Показать прямую корреляцию процента пористости со временем поглощения.
ABSTRACT
The dissertation work consists of 72 pages, 8 formulas, 37 pictures,4 tables. List of literature consists 50 sources.
Change in the Eg value in a porous semiconductor
Purpose: to determine the values of the forbidden zone of a porous Silicon nanostructure and to determine the relationship between the mutual wavelength and the sintering time.
Object-definition of the change in the value of Eg.
Subject-extraction of the prohibition zone by electrochemical anodization method. Currently, there are many ways to obtain porous silicon. One of them is the dissolution of the surface layer of silicon with a solution mixture of HF. This method is more common, and it is more effective to obtain porous silicon in this way. Usually, the extraction of porous silicon by electrochemical processing is called the basic and standard type. Let's take a little look at the history of the extraction of porous silicon.
For the first time in the production of porous silicon in 1956, during electrochemical treatment of the surface layer of silicon with an aqueous solution of HF, A. Ulir (A. Uhlir) was achieved. For many years, porous silicon flakes were considered a mistake during laboratory experiments, and they were not studied in detail. However, this material aroused the interest of some researchers, because the mechanism of formation of Silicon porosity was unclear.
Results:
- Mutual comparison with obtaining the size of the forbidden zone of a porous silicon nanostructure.
- Show a direct correlation of the porosity percentage with the absorption time.
Мазмұны
Қысқартулар мен шартты белгіленулер
Кіріспе
1
КЕУЕКТІ КРЕМНИЙДІҢ ҚҰРЫЛЫМЫ, ҚҰРАМЫ ЖӘНЕ ҚАСИЕТТЕРІ
1.1
Кеуекті кремний алу әдістері
1.2
Кремнийді электрохимиялық өңдеу механизмдері
1.3
Кремнийдің электрохимиялық өңдеу механизмдері
1.4
Кеуекті кремнийдің қолдану аймағы
2
КЕУЕКТІ КРЕМНИЙ МЕН ОҒАН НЕГІЗДЕЛГЕН НАНОҚҰРЫЛЫМДАРДЫҢ ФУНКЦИОНАЛДЫҚ СИПАТТАМАЛАРЫ
2.1
Аймақтық теориядағы өткізгіштер, Жартылай өткізгіштер және диэлектриктер
3
ЭКСПЕРИМЕНТТІК БӨЛІМ
Қорытынды
Пайдаланылған әдебиеттер тізімі
Қысқартулар мен шартты белгіленулер
HF - (Hydrogen Fluoride) фторсутектің сулы ерітіндісі
ФЛ - Фотолюминесценция
КК -Кеуекті кремний, ПК - Пористый кремний
SE - stain etching ( химимялықжемірілу )
Кіріспе
Кеуекті кремний бірегей қасиеттердің кең спектріне ие және күн батареяларының жаңа буыны үшін фотосезімтал құрылымдар құрудың жақсы перспективаларына ие. Дамыған тері тесігі жүйесінің арқасында сіңіргіш бетінің ауданы ұлғаяды, сондай-ақ кеуек қабырғаларында кремний нанобөлшектері мен кремний нанотүтіктерінің энергетикалық тыйым салынған аймағының ұлғаюы есебінен жоғары сезімталдық қысқа толқынды аймаққа кеңейеді. Кеуекті кремнийдің беткі қабатын карбонизациялау сіңіруді одан да тиімді етеді. Бұл жағдайда күн элементінің спектрі кең саңылаулы материалда (SiC) жоғары энергиялы фотондарды сіңіру арқылы қысқа толқындық аймаққа кеңейеді.
Диплом жұмысының басты мақсаты - кеуекті кремний наноқұрылымының тыйым салу аймағын фотолюминесценция арқылы анықтап , алынған өлшемдердің тәуелділіктерін тұрғызу. Осығанбайланыстымынадайміндеттерқой ылады:
- әртүрліжемірууақытындағыкеуектілікт ің 3 түрліүлгісіналу;
- алынғанүлгілердіңфотолюминесценцияс ынөлшеу;
- өлшенгенүлгілердіңфотолюминесценция арқылы (Eg) тыйымсалуаймағынесептеу;
- есептелген Eg мәніментолқынұзындығыарасындағытәуе лділікграфигінтұрғызу;
- есептелген Eg мәніменжемірууақытыарасындағытәуелд ілікграфигінтұрғызу;
КЕУЕКТІ КРЕМНИЙДІҢ ҚҰРЫЛЫМЫ, ҚҰРАМЫ ЖӘНЕ ҚАСИЕТТЕРІ
Кеуекті кремний - HF негізіндегі ерітінділерде химиялық немесе электрохимиялық өңдеу нәтижесінде монокристалды Si-пластиналардың бетінде пайда болатын материал . КК алғаш рет 1956 жылы HF негізіндегі электролитті қолдана отырып, Si тақталарын электролизациялау эксперименттерін жүргізу кезінде табылды. Берілген ток пен ерітіндінің құрамының кейбір мәндерінде Si біркелкі ерімейтіні анықталды, бірақ негізінен 100бағытында орналасқан ұсақ тесіктердің пайда болуы басталды. Электролиз режимдерінің сипаттамасы, оның барысында анодтағы HF жергілікті концентрациясы төмендейді және Si тетравалентті түрде ериді.
1970-1980 жылдарыКК-гедегенқызығушылықартты, ККбетініңжоғарыауданыспектроскопиял ықзерттеулердекристалды Si бетініңмоделіретінде Si-деқалың SiO2 қабаттарынқалыптастыруүшінбуферлікқ абатретіндежәнесыйымдылықхимиялықсе нсорлардағыдиэлектрлікқабатретіндеп айдалыболды.
90-жылдардыңбасындаЛ. Канхэмкөрінетінаймақтананопорлы Si (NPK) жарықшығаратынқасиеттерінкөрсетті.Ф отолюминесценция (ФЛ) бөлметемпературасында si анодтыпластинасындабайқалды, ККөндірутехнологиясыныңқазіргідамуд еңгейіндегікванттықшығушамасы 23% - ғажетуімүмкін. ФЛқасиеттеріненбасқа, ККдеэлектролюминесценттікқасиеттерг еие. Қазіргіуақыттазерттеушілерментехнол огтардыңосыматериалғажәнебасқакеуек тіжартылайөткізгіштергедегенқызығуш ылығыүнеміартыпкеледіжәнеосыматериа лдаркласынаарналғанжарияланымдарсан ыжылсайынартыпкеледі.
IUPAC халықаралықтеориялықжәнеқолданбалых имияодағықабылдағанқолданыстағыноме нклатураолардыңдиаметрінебайланысты терітесігімөлшерініңүшсанатынанықта йды: микропориялы 2 нм, мезопорлы 2-50 нмжәнемакропорлы 50 нм (1-сурет). Мұндайжіктеутектерітесігініңдиаметр іменбайланыстыжәнетерітесігініңморф ологиясытуралыақпаратжоқ. Терітесігініңморфологиясытерминіпіш ін (бағаналы, тармақталған, жіңішкежәнет. б.), бағдарлау, терітесігініңөзарабайланысыжәнет. б. сияқтысипаттамаларүшінқолданылады.
1 сурет .КК-діңкеуекөлшемібойыншажіктелуі
Морфология-бұл КК-дің ең аз сандық аспектісі. Тері тесігін, пішінін және кеңістіктік таралуын өзгертуге қатысты өте дамыған құрылымы бар КК морфологиясын сипаттау өте қиын. Қазіргі уақытта микропорлы және мезопорлы Si морфологиясы толық сипатталған (2-сурет). КК-дің бұл түрлері нақты бағыты жоқ тығыз және кездейсоқ тармақталған тесіктері бар губка тәрізді құрылым болып табылады. Тармақталу тенденциясы тері тесігінің диаметрінің төмендеуімен артады. Керісінше, макропорт Si-де қысқа немесе дендриттік бұтақтары бар тегіс қабырғалары бар дискретті тесіктер болуы мүмкін .
2 сурет.Макро-және мезопорлы Si морфологиясы
КК-дің пайда болуы субстраттың допингіне қатысты таңдамалы болып табылады. Морфологияның бірдей түрін бастапқы Si тақталарының әртүрлі түрлері үшін алуға болады. Допинг қоспасының концентрациясы жоғарылаған сайын тері тесігінің мөлшері мен олардың арасындағы қашықтық артады, ал бетінің нақты ауданы азаяды. КК құрылымы анизотропты болады, бетіне перпендикуляр тік тесіктер арқылы өтеді, бұл p-Si-де айқын көрінеді, допинг деңгейі төмен ρ = 80-100 кОм см. К
N-Si субстраттары үшін жағдай күрделірек. Әдетте, n-Si-дегі тері тесігі pSi-ге қарағанда әлдеқайда үлкен, ал тері тесігі мен олардың арасындағы интервал допинг қоспасының концентрациясының жоғарылауымен азаяды. Қараңғыда анодталған төмен легірленген n-Si субстраттарының кеуектілігі төмен (1-10%), микрометр диапазонында кеуек диаметрі бар (3-сурет). Жарықтандыру кезінде кеуектіліктің жоғары мәндеріне қол жеткізуге болады, ал мезопорлар макропорлармен бірге пайда болады .
3сурет. n-Si-де тері тесігін қалыптастыру [48]
Соңғы құрылым Анодтау жағдайларына, әсіресе жарықтың қарқындылығы мен ток тығыздығына байланысты. N-Si-де тері тесігі кездейсоқ бағытталған жіп тәрізді құрылым түзеді .
p-Si-нің маңызды сипаттамасы оның кеуектілігі p дәрежесі болып табылады:
Р=1-ρПКρSi (1)
Мұндағы: ρПК - КК тығыздығы,
ρSi - монокристалды Si тығыздығы .
Негізінен, P-бұл маринадтау процесі кезінде алынған заттың массалық үлесі. Кеуектіліктің типтік мәні 40-70% аралығында болады, ал NPC үлгілері максималды кеуектілікпен сипатталады. Әдебиетте жоғары кеуектілігі бар үлгілерде жеке нанокристалдар мен жіптер si қаңқасының ұсақталуы мен фрагментациясы нәтижесінде кеңістіктік бағдарды өзгерте алатындығы атап өтілген.КК қабатын ұсақтау дайындалғаннан кейін электролит құрғаған кезде беттік керілу күштерінің нәтижесі болып табылады. Осыған байланысты кейде өте критикалық кептіру әдісі қолданылады , бұл өте жоғары кеуектілігі бар үлгілерді алуға мүмкіндік береді, 95% жетеді.
Жалпы жағдайда еріту реакциясы үшін Si-ден келетін h+ тесік зарядының тасымалдаушылары қажет. Егер жұптар арасындағы өлшемдер экситонның Бор радиусынан төмен болса, онда h+ бос тесіктердің концентрациясы кванттық ұстап қалу салдарынан Si пластинасының допинг дәрежесіне қарамастан төмендейді , бұл микропоралардың пайда болуына әкеледі. Бұл жағдайда тері тесігінің диаметрі, сондай-ақ тіректер арасындағы қашықтық өзін-өзі реттейді.
Мезопорлар көшкіннің бұзылуына байланысты жоғары ток тығыздығының пайда болуына байланысты n-Si және pSi маринадтау арқылы қалыптасады. Жалпы жағдайда, булар дендриттер сияқты қалыптасады, ал әртүрлі өңдеу жылдамдығына байланысты тері тесігі негізінен бағыт бойынша (100) және бүйір бойымен (111) бағытталған. Макропордың түзілуін, егер тесіктердің жоспарланбаған шекарасы қарастырылса, Schottki siэлектролит тосқауылы арқылы зарядтың өтуімен түсіндіруге болады. N-Si-дегі макропорлар Днепрге h+ тесіктерін шығару үшін пластинаның артқы жағын жарықтандыру арқылы қалыптасады. Мұндай тері тесігі бағаналы типтегі морфологияға ие және тері тесігінің тереңдігі бойынша тұрақты диаметрге ие. Қазіргі уақытта литография (4-сурет) көмегімен мінсіз реттелген макропорлы құрылымдар жасауға болады.
4сурет. Реттелген макропорлы құрылымдар [49]
Жұмыста су, су емес немесе органикалық электролиттерді және Анодтау кезінде жарықтандырудың әртүрлі түрлерін, сондай-ақ өсудің кейбір тиісті модельдерін пайдалану кезінде КК қалыптастырудың көптеген әдістерін егжей-тегжейлі сипаттайды.
Пластинаның бүкіл бетінде анодтық маринадтау нәтижесінде si селективті маринадтау және бір-бірінен қаңқаның бір түрін құрайтын монокристалдың қабырғаларымен бөлінген каналдар немесе тесіктер пайда болады. Арналардың көлденең қимасы, сондай-ақ кеуектер арасындағы қабырғалардың өлшемдері мен пішіні бірнеше ангстромнан бірнеше ондаған микрометрге дейін өзгеруі мүмкін және бастапқы Si сипаттамаларына, электролит құрамына және процестің жағдайларына байланысты әртүрлі конфигурацияға және өзара орналасуға ие болады. Сонымен қатар, тері тесігін қалыптастыру процесінде жүретін диспропорцияның химиялық реакциясы тері тесігінің қабырғаларында Si атомдарының ішінара тұндыруымен сипатталады. Осылайша, si бетінде әртүрлі наноқұрылымды қабаттар пайда болады, олар кеуекті құрылымдардың қасиеттеріне айтарлықтай әсер етуі мүмкін.
Кеуекті кремнийдің негізгі қасиеттері монокристалды Si-мен салыстырғанда 1-кестеде келтірілген.
Физикалық сипаттамасы
с-Si
КК (кеуектілігі, %)
1. Юнг модулі EY, ГПa
160
83 (20 %) - 0,87 (90 %)
2. Меншікті кедергіρ, Ом·cм
0,011000
10[10]-10[12] - НПК
3. Тыйым салынған аймақтың ені Eg, эВ
1,12
1,4 (70%) - 2 (90%)
4. Меншікті беті,м[2]cм[3]
0,2
1000 - НПК
5. Сыну коэффициенті n
3,94
1,2-2,87 - НПК
6. Протон өткізгіштігіσ, Смсм
-
10[-3]-10[-4] - НПК
7. Жылуөткізгіштігі ӕ, Вт(мK)
157
1,2
8. Ерітінділірге рН=7,5
тұрақты
ериді
1.2 Кеуекті кремний алу жолдары
Кеуекті кремнийді алудың көптеген жолдары бар. Көбінесе микроэлектрондық процестер технологиясында реактивті ионды өңдеу әдісі қолданылады. Бұл технология бақыланатын параметрлері бар реттелген кеуекті құрылымдарды алуға мүмкіндік береді, алайда әдіс күрделі техникалық орындауды қажет етеді. Сондай-ақ, плазмохимиялық өңдеу әдістері және электрохимиялық және химиялық өңдеудің аралас әдісі белгілі, бұл электрохимиялық өңдеуден кейін si тақталары ең тұрақты сипаттамалары бар КК алу үшін HF немесе HCl концентрацияланған ерітінділеріне батырылады. Ең көп тарағандары-si монокристалды тақталарын электрохимиялық және химиялық өңдеу.
Әдебиетте HF және тотықтырғыш негізінде ерітіндіде КК алудың химиялық әдісі гетерогенді химиялық жемірілу (NHT, stain etching - SE) деп аталады. Бетті жақсы ылғалдандыру және бүкіл аймақтағы тегістеу біркелкілігі үшін CH3COOH көбінесе осы ерітінділерге қосылады. Бұл әдіс арзан және технологиялық қарапайымдылығына байланысты кеңінен қолданылады. HF және HNO3 пайыздық концентрациясының оңтайлы қатынасын таңдағанда, әр түрлі морфологиясы бар кеуекті құрылымдарды алуға болады [55-58]. Басты артықшылығы мүмкіндігі болып табылады қалыптастыру субмикронных топологиялық мөлшерін НХТ-құрылымдар [59]. Кемшіліктерге осы әдіспен алынған кеуекті қабаттардың аз қалыңдығы (1 мкм-ге дейін), сондай-ақ қалыптасқан құрылымдардың қалыңдығы мен морфологиясы бойынша гетерогенділік жатады.
Шектеу факторы-Si иондарының диффузиясы ФИК Заңына сәйкес кеуекті қабат қалыңдығының ұлғаюымен шектеледі. Сонымен қатар, бастапқы субстраттың допинг деңгейінің жоғарылауымен қалың кеуекті қабаттар жасауға болады, бұл ақаулардың болуымен байланысты, олардың болуы маринадтау жылдамдығын арттырады . Әр түрлі ерітінділердегі химиялық өңдеудің толық сипаттамасы [35,62-66] жұмыстарда берілген.
Осы жағымсыз факторлардың әсерін азайту үшін қазіргі уақытта металл нанобөлшектерді қолдана отырып, химиялық өңдеу үшін жаңа шешімдер әзірленуде. Металл нанобөлшектерді қолдану әр түрлі морфологиясы бар микро және наноқұрылымды беттердің пайда болуына әкеледі (5-сурет) . Әдістің ерекшеліктері жұмыста егжей-тегжейлі сипатталған [30].
Ең көп қолданылатын металдар-бұл Au және Ag, олардың өңделуіне байланысты. Металдар si субстратына вакуумдық қолдану процестерін және ерітінділерден химиялық тұндыру әдістерін қолдана отырып қолданылуы мүмкін. Вакуумдық бүрку тапсырыс берілген құрылымдарды қалыптастыруға мүмкіндік береді, ал химиялық қолдану әдісі технологиялық тұрғыдан қарапайым және арзан, қалыптасқан субстраттың морфологиясы маңызды болмаған кезде қолданылады.
5сурет. AU және Pt нанобөлшектерін қолдану арқылы тері тесігін қалыптастыру
Металл бөлшектердің мөлшері мен пішіні кеуекті қабаттың морфологиясына айтарлықтай әсер етеді. Тері тесігінің диаметрі металл бөлшектердің диаметрімен өлшенеді. Сонымен, өлшемі 1-ден 10 нм-ге дейінгі бөлшектерді қолданған кезде НПК пайда болады, диаметрі одан әрі ұлғайған кезде KК пайда болады [68].
Қалыптасқан құрылымдардың қалыңдығы маринадтау уақытына пропорционал [71]. Қажетті қалыңдығы мен морфологиясының қабатын қалыптастырғаннан кейін металл нанобөлшектері субстратты HNO3-те жуу арқылы алынып тасталады, содан кейін тазарту процесі жүреді [72].
Химиялық маринадтауды нанобөлшектермен және онсыз біріктірген кезде қалыңдығы өзгеретін қасиеттері бар градиент құрылымдарын қалыптастыру мүмкіндігі пайда болады [73-76], осылайша қажетті оптикалық [74], электрлік [77] және алынған құрылымдардың механикалық қасиеттерін жасайды.
Осылайша, металл жабыны бар химиялық өңдеу қарапайым, жылдам және әмбебап әдіс болып табылады, ол ең аз жабдыққа қойылатын талаптармен наноқұрылымдардың кең спектрін жасайды [78]. Өңдеу әдісі монокристалды (cSi), мультикристалды (mcse) және аморфты Si (a-Si) [79], сондай-ақ GaAs, GaN және SiC [30] сияқты басқа материалдарға қолданылуы мүмкін. Алайда, КК-дің металдармен ластануы осы құрылымдарды одан әрі қолдануда қиындықтар туғызады, сонымен бірге қымбат металдарды пайдалану салдарынан электрохимиялық өңдеумен салыстырғанда технологиялық процесс қымбат болып келеді.
Қазіргі уақытта кеуекті құрылымдарды өндірудің ең өзекті әдісі-Si пластинасын әртүрлі концентрациясы бар HF негізіндегі электролит ерітінділерінде Анодтау [42,80,81]. Анодты өңдеу үшін электрохимиялық жасушалардың негізгі түрлері 6-суретте көрсетілген [82].
a) b)
6сурет.HF ерітінділеріндегі (a) p-Si және (b) n-Si электрохимиялықөңдеугеарналғанэкспе рименттікқондырғылардыңсхемасы [82]
Екі жақты кеуекті кремнийдің үлгілерін жасау қос резервуары бар электролиттік жасушада жүзеге асырылады, онда пластинаның екі жағы да электролитпен суланған. Бұлжағдайдаэлектрохимиялықөңдеупроц есіжиілігіәдетте 0,1 Гцболатынимпульстіктокберуарқылыжүз егеасырылады [83]. Түзілетінкеуектіқабаттардыңморфолог иясы, кеуектілігіжәнеқалыңдығыбірдей.Қаба ттардыңқалыңдығы 50 мкм-гежетеді, соданкейінтерітесігінде F иондарыныңболмауынабайланыстымарина дтаупроцесіжоғалады.
Солсияқты, ультражұқатақталардықолданаотырып, екіжақтыүлгілерқалдықкөлемді Si өтежұқақабатыбарқұрылымдаралуүшінжа салады. Si маринадтаубосзарядтасымалдаушыларбо лғанкездепайдаболады.Осылайша, жоғарықосындыланған Si жағдайындакөлемдіқабаттыңқалыңдығыб ірнешеондағаннанометрболуымүмкін.
Тұрақтыкеуектіқұрылымдардықалыптаст ырудыңбірәдісі-анодтыөңдеупроцесінд есыртқымагнитөрісінқолдану [84,85]. Магнитөрісініңәсерінентерітесігінің диаметріазаяды, соныменқатартерітесігініңкеуектіөсу ібасылады, нәтижесіндетерітесігініңбіркелкіліг іартады.
ККнегізіндеәртүрлікеуектілігіменқаб аттарыныңқалыңдығыбарқабаттықұрылым дықалыптастыруғаболады. МұндайәсергеАнодтаутогыныңтығыздығы нөзгертуарқылынемесетереңдігібойынш амезгіл-мезгілқоспаланған si субстраттарынқолдануарқылықолжеткіз угеболады. Қабаттықұрылымдардыңқалыптасуыеріту реакциясынегізінентерітесігініңтүбі ндежүретіндіктенжәнебұрыннанқалыпта сқанКК-діісжүзіндеқолжетімсізқалдыр ғандықтанмүмкінболады (7-сурет).
7сурет.Қабатты құрылымды қалыптастыру процесі
Өңдеу уақытының өзгеруі қалыптасқан қабаттың қалыңдығын бақылауға мүмкіндік береді. КК кеуекті қабатының қалыңдығы іс жүзінде сызықтық түрде өседі, өйткені өңдеу уақыты артады. Сонымен қатар, маринадтау процесі кезінде ток тығыздығының мезгіл-мезгіл өзгеруі кеуектілікті тереңдікте модуляциялауға мүмкіндік береді [86], бұл сыну көрсеткішінің кез-келген профилін алуға мүмкіндік береді.
Кеуекті кремнийдің реттелген қабаттарын қалыптастыру үшін si бетін құрылымдау жүзеге асырылады. Атап айтқанда, макропорлы Si көбінесе пластинаны алдын-ала құрылымдау арқылы жасалады. Бірінші кезеңде фотолитографиялық маска жасалады, содан кейін үлгі инверттелген пирамидалар түрінде ою шұңқырларын қалыптастыру үшін KOH ерітіндісінде анизотропты түрде шығарылады. Келесі кезеңде анодты өңдеу HF ерітінділерінде жүзеге асырылады, онда маринадтау шұңқырларда селективті түрде өтеді. Нәтижесінде фотонды кристалдар ретінде қолдануға болатын мінсіз қалыптасқан микропористалық құрылымдар пайда болады (8-сурет) [89].
8сурет.Қалыптасқан фотонды кристалдың мысалы [89]
Тері тесігін тазарту-бұл анод тогының тұрақты белгіленген мәні бар электролит пен Si өзара әрекеттесуінің күрделі гетерогенді процесі. КК қалыптастыру процесін жүзеге асыру үшін анод материалында бос заряд тасымалдаушылардың болуы қажет, өйткені химиялық түрленулер олардағы тесік-электронды (h+ - E-) алмасудың болуын болжайды. Анодтық өңдеу процесінің сызбасы 9-суретте көрсетілген [90].
9 сурет.КК анодтық өңдеу механизмінің сызбасы [90]
Көші-қону процесі h+ тесіктерінің Si бетіне қоныс аударуымен байланысты болғандықтан, улау жылдамдығы мен кеуектілігі үлгінің допинг дәрежесіне байланысты. Жалпы жағдайда улау жылдамдығы улау тогының тығыздығы жоғарылаған сайын артады [50,51].
Улау тогының тығыздығына байланысты 10-суретте айқын көрсетілген реакция ағымының 3 механизмі мүмкін [46].
10 сурет.P-Si үшін электролитжартылай өткізгіштің Байланыс сипаттамасы [46]
Si-ді өңдеу бірнеше кезеңнен тұрады, процестің сызбасы 11-суретте көрсетілген.
Сурет 11 - Улау процесінің ағысының сызбасы [46]
Жергілікті анодты өңдеу процесінің бірінші кезеңі si бетінің тотығуы болып табылады, SiF2 ток тығыздығының j,режимінде JPS белгілі бір критикалық мәнінен төмен болады (10-сурет):
Si + 2HF + 2h+-- SiF2 + 2Н+ (2)
Токтың критикалық тығыздығының жоғарылауымен (3-аймақ графигінде) кеуекті кремний пленкасы пайда болмайды, реакцияларға сәйкес электрмен Жылтырату процесі жүреді:
Si+4HF+4h+--SiF4+4H+ (3)
SiF4+2HF--H2SiF6 (4)
Жылтырататқыш шамамен 2-3 В анодтық потенциалда жүреді. Одан әрі SiF2 түрлендіру (аморфты Si-ді H2O-ға тотықтырумен диспропорциялау):
2SiF2--a-Si+SiF4 (5)
a-Si + 2 H2O -- SiO2 + 2Н2↑ (6) SiO2+6HF=H2SiF6 +H2O (7)
Si2 + иондарының диспропорция реакциясы нәтижесінде екінші атомдық Si осы реакцияға қатысатын Si иондарының жартысына тең мөлшерде түзіледі, екінші жартысы ерітіндідегі F-иондарымен байланысады, күшті күрделі иондар түзеді [SiF6]2 - және осы формада ерітіндіге өтеді. Іс жүзінде екі қайталама реакция параллель жүреді, олардың әрқайсысының үлесі эксперименттің нақты шарттарымен анықталады.
Өңдеу процесінде Si-де көптеген үзілген байланыстар пайда болғандықтан және атомдық h шығарылатындықтан, si - H байланыстарының пайда болуы ықтималдығы жоғары, нәтижесінде аморфты гидратталған Si (a-Si:h Және a-Si:H2) пайда болады.
HF концентрациясы мен ток тығыздығын бекіту арқылы кеуекті қабаттың қалыңдығының жоғарылауымен кеуектілік жоғарылайды, бұл КК қабатының HF-де қосымша химиялық еруімен түсіндіріледі. Сондай-ақ, HF концентрациясы ток тығыздығы мәндерінің жоғарғы шегін анықтайды. HF бекітілген және төмен концентрациясында ток тығыздығы өзгеруі мүмкін диапазон тар болады және HF концентрациясының жоғарылауына байланысты кеңейеді [91.92].
Бастапқы материалдың допинг дәрежесі мен ток тығыздығы тері тесігінің мөлшеріне негізгі әсер етеді [52-54], әдетте жоғары легирленген Si және 100-500 мАсм2 диапазонындағы ток тығыздығы Макропорлы Si құру үшін қолданылады. Мезопорлы Si қабаттарын өндіруде орташа допинг дәрежесі бар Si (ρ = 1-2 Ом см) және j = 20-100 мА см2 қолданылады. NPC 10 мАсм2 дейін J = 5-10 Ом см пластиналардан алынады (12-сурет). Макропорист Si - дегі тері тесігінің құрылымы бұзылған, ал мезо-және, әсіресе, НКК-де тері тесігінің өсуінің кристаллографиялық бағытқа сәйкес келетін нақты бағытын анықтауға болады 〈100〉 [81,93].
12сурет.Эксперимент жүргізу параметрлеріне байланысты қалыптасатын кеуекті құрылым түрі [81]
Тері тесігін ретке келтіру дәрежесі допинг дәрежесі жоғарылаған сайын жоғарылайды және жоғары қоспаланған p-Si субстраттары үшін максималды болады. Айта кету керек, бұл оның фотофизикалық және оптикалық қасиеттерінің көпшілігін анықтайтын ДК құрылымы, бұл олардың құрылымы мен физикалық қасиеттерінің байланыс нано-объектілеріне тән растау болып табылады.
Субстраттың кристаллографиялық бағыты морфологияға және улау жылдамдығына әсер етеді. (100) бағытта өңдеу жылдамдығы (111) қарағанда шамамен үш есе жоғары [94]. Бір бағытта бөлінген тесіктерді алу үшін олардың арасындағы қашықтық жартылай өткізгіштегі кеңістіктік заряд аймағының енінен 2 есе көп болуы керек. Мысалы, жоғары легирленген пластина жағдайында, кернеуі 1 В-қа тең болса, ОПЗ ені 10 нм диапазонында болады.
Квази-тұрақты поляризация тері тесігіне дейінгі қашықтықтың ұлғаюымен азаяды, бұл тері тесігінің диаметрінің төмендеуімен бірге жүреді. Белгілі бір диаметрден (~30 нм) төмен квадраттық ұқсас тәртіпті енді байқауға болмайды және арналар кездейсоқ орналасады.
Бірнеше нанометрден ондаған микрометрге дейінгі морфология мен құрылым өлшемдерінің әртүрлілігіне әкелетін ДК-нің өзін-өзі қалыптастыру процесі әлі толық зерттелген жоқ, атап айтқанда кеуектердің квази-тұрақты қалыптасуы.
Кеуекті матрицаның жүйелілігі токтың тығыздығына, электролит концентрациясына, сондай-ақ қолданылатын жасуша конфигурациясына байланысты. Үлкен диаметрі бар тері тесігінің тұрақты орналасуын жоғары ток тығыздығымен алуға болады, бұл тері тесігінің түбінде электр өрісінің жоғары кернеуіне әкеледі. Диаметрдің төмендеуімен тіректер арасындағы қашықтықтың артуы олардың дендриттік өсуімен бүйір тесіктерінің ұзындығының ұлғаюына әкеледі.
Тері тесігінің диаметрі 55-100 нм болған кезде бүйір тері тесігінің ұзындығы бір тері тесігінің диаметрінен аспайды, тері тесігі арасындағы қашықтық артады (тері тесігінің диаметрі 20-40 нм), дендриттің ұзындығы шамамен бес тері тесігінің диаметріне дейін артады. Бұл мінез-құлықты интерстициальды қашықтық кеуек пен ОПЗ арасындағы қажетті арақатынастан екі Деби ұзындығына тең немесе одан аз болуымен түсіндіруге болады. СЭМ-микрофотографияны қарастырғанда, тері тесігі негізінен (100) бағытта пайда болады, ал бүйірлік тесіктер негізінен (113) бағытта өседі, дендриттер арасындағы бұрыш 54° (13-сурет) [94].
13 сурет.Дендриттік құрылымды қалыптастыру [94]
Кеуекті кремнийдегі электролит концентрациясын өзгерту арқылы кеуектердің диаметрі мен олардың арасындағы қашықтықты өзгертуге болады. HF концентрациясының жоғарылауымен тұрақты ток тығыздығы сақталған кезде кеуектердің диаметрі азаяды және кеуектер арасындағы қашықтық артады, бұл кеуектіліктің төмендеуін білдіреді [95].
Квази-тұрақты поризацияға тек жоғары сұйылтылған ерітінділерде қол жеткізуге болады, ал HF концентрациясы массаның 5% - ынан аспауы керек., ал ток тығыздығы тұрақты болуы керек.
Жаңа дайындалған кеуекті кремнийдің беті h [81] пассивті қабатымен жабылғандықтан, анодты өңдеу процесін жүргізгеннен кейін ауадағы тотығу нәтижесінде ДК өзінің қасиеттерін өзгерте алады. Анодтық өңдеу процесінен кейін оның қасиеттерін тұрақтандыру үшін жылдам термиялық тотығу немесе (400-1200 ºC) температурада күйдіру қажет [96,97].
Кеуекті кремнийдің қасиеттеріне электрохимиялық реакциялардан басқа жүйенің басқа компоненттері де әсер етеді, si субстратының бастапқы параметрлері, электролит құрамы және т.б. өтпелі процестерді сипаттау үшін кеуекті кремнийдің пайда болу модельдері жасалды, олар нақты механизмді анықтауға мүмкіндік береді, физикалық немесе химиялық, кеуектердің белгілі бір бөлінуімен кеуекті кремнийдің пайда болуына үлкен әсер етеді, олардың мөлшері мен олардың арасындағы қашықтық.
1.3 Кремнийдің электрохимиялық өңдеу механизмдері
Кеуекті кремнийдің пайда болу механизмдерін зерттеуге арналған көптеген теориялық жұмыстар бар. Әр түрлі өткізгіштіктің Si-де пайда болу идеяларына сәйкес баспа қызметін, теориялық жұмыстарды қорытындылай отырып, жұмыстарды сипатталған эффекттер түріне сәйкес 3 топқа бөлуге болады:
- Сипатталған құрылымдардың химиялық қасиеттерін талдау және олардың негізінде модельдер құру,
- Физикалық модельдер,
- Математикалық модельдер
Түрлендіруге байланысты мәселелер ағымдағы процестерді сипаттау мен түсіндіруде үлкен әртүрлілікке ие. Бұл процестердің сипаттамасы бастапқы монокристалды Si-нің Нақты химиялық қасиеттеріне тікелей байланысты болатыны анық, бұған басқа материалдардағы кеуекті құрылымдарды алу әрекеттерін және оларда кванттық өлшемді әсердің болмауын сипаттайтын жұмыстар дәлел бола алады [98,99].
Допант қоспасының концентрациясына, электролит концентрациясына, ток тығыздығына, қолданылатын потенциалға, Жарық қарқындылығына, беттік энергияға байланысты тері тесігін нуклеациялаудың теориялық сипаттамасы, сонымен қатар Si пластинасындағы h+ тесіктерін және диффузиялық қабатқа иондық тасымалдауды қарастыру кезінде [100].
Кеуектіліктің сандық бағасын [101] жұмыста ұсынылған модельден алуға болады, онда siэлектролит интерфейсінде Шоттки тосқауылының пайда болуы беттік күйлердің болуына байланысты қарастырылады. Токты кедергі арқылы беру электронды туннельдеу (күшті легирленген Si) немесе Шоттки шығару (әлсіз легирленген Si) және кеуектердің түбінде si-нің басым еруі арқылы жүзеге асырылады, бұл қалыптасатын тері тесігінің түбіндегі электр өрісінің кернеуінің жоғарылауынан болады. Нәтижесінде Шоттка тосқауылының биіктігі төмендейді.
Басқа модельдер, мысалы, кеуектердің түбіндегі электр өрісінің таралуына негізделген [102], кванттық ұстап қалу әсері [103] немесе нуклеация мен кейінгі тері тесігінің өсуі [104,105] сонымен қатар кеуекті кремнийдің пайда болуының қанағаттанарлық сипаттамасын бере алмайды, оның көптеген ерекшеліктері бар.
1.4 Кеуекті кремнийдің қолдану аймағы
КК жоғары механикалық және жылу қасиеттеріне, оның кремний микроэлектроникасымен айқын үйлесімділігіне және өзіндік құнының төмен болуына байланысты перспективалы материал болып табылады. КК негізінде қысқа толқынды оптикалық сүзгілер, рентген спектрінде жұмыс істейтін матрицалар, микрон сорғылар, микроканалды құрылымдар, күн элементтері үшін текстураланған жарқылға қарсы жабындар және т.б. Si-де жарық шығаратын диодтар технологиясының дамуына байланысты жақын арада толық кремнийлі оптоэлектроникаға көшуге болады [14].
1.4.1 Микроотын элементтері
Соңғы уақытта шағын көлемді электронды құрылғылардың саны артып келе жатқандығына байланысты, осы құрылғыларды қуаттандыру үшін портативті отын элементтерін (ОЭ) дамыту өзекті болып табылады. Типтік микротопливный элемент (МТЭ) электролит ретінде пайдаланылады твердополимерную мембрана, ал электродтар әзірлейді негізінде кеуекті көміртекті немесе кремний материалдар [106].
14суретте көрсетілгендей сутегі-оттегі ОЭ құрылымына кіретін функционалды элементтердің типтік схемасы көрсетілген. Бір құрылымға біріктіру түйіндерді болтты байланыстырғыштардың көмегімен механикалық басу арқылы жүзеге асырылады. Сенімділік 150 Н::см-2 кем емес қысу күшімен қамтамасыз етіледі.
1-Протон алмасу мембранасы; 2-каталитикалық қабат; 3-газдыдиффузиялық қабат; 4-биполярлы пластина; 5-ток көтергіш пластина; 6-газ тарату жүйесі
14 сурет.Полимерлі протон алмасу мембранасы бар оттегі-сутегі Отын элементі [27]
Өндірілген электродтар мен мембраналар ОЭ мөлшерінің едәуір төмендеуін және қажетті нақты тиімділігін қамтамасыз етеді. Сонымен қатар, NPK негізіндегі мембраналар ең жоғары Протон өткізгіштікке және ең аз газ өткізгіштікке ие [107]. Отын элементінің компоненттерін енгізу мысалы 15-суретте көрсетілген [29].
Электродқа Рt катализатор қабаты (1), газдыдиффузия қабаты (2), газды жеткізу арнасы (3) және PDAg байланыс қабаты (4) кіреді. Газ диффузиялық қабаттың ішкі бетінде H2 электрохимиялық диссоциациясы жүретін шекаралардың тығыздығын арттыру үшін көміртекті нанофилдер қабаты қолданылады. PdAg байланыс қабатының пленкасы H2 селективті сүзілуін қамтамасыз етуі керек, осылайша катализатордың pt улану ықтималдығын азайтады. Осылайша, монолитті дизайнда функционалды түйіндер біріктірілген, олар көміртекті материалдар негізінде ОЭ дәстүрлі өндірісінде дискретті түрде болады.
1-Pt негізіндегі катализатор қабаты; 2-газдыдиффузиялық қабат; 3-газдарды жеткізу арнасы; 4-істікшелі PDAg қабаты
15 сурет. Кеуекті кремний негізіндегі MTE үшін көп функциялы анод [29]
Мұндай электрод құрылымының кемшілігі-si макропористі үшін шамамен 100-150 м2см3 болатын газдыдиффузиялық қабаттың нақты бетінің жеткіліксіз ауданы.
1.4.2 Суперкапакаторларды жасау үшін кеуекті кремнийді қолдану
Қазіргі уақытта кеңінен зерттелген перспективалы бағыттардың бірі-графенмен өзгертілген Si матрицасы негізінде композициялық материалдарды жасау технологиясы.
Графен (жиі қолданылатын қысқарту - G) - бір қабатты екі өлшемді көміртегі құрылымы, оның беті тұрақты түрде тұрақты алтыбұрыштармен қапталған, жағы 0,142 нм және С атомдары шыңдарда. Ұқсас құрылым-бұл кристалдық графиттің құрамдас элементі, онда графен жазықтықтары бір-бірінен шамамен 3,4 нм қашықтықта орналасқан.
Қазіргі уақытта графен жоғары электрлік (Cu - дан миллион есе жоғары) және жылу өткізгіштік (3000 ВтмК) сияқты ерекше қасиеттердің жиынтығына байланысты ең көп зерттелген және перспективалы материалдардың бірі болып табылады), электрондық сипаттамалардың графен бетінде әртүрлі сипаттағы қосылған радикалдардың болуына тәуелділігі, тыйым салынған аймақтың реттелетін ені, холлдың кванттық әсері, тасымалдаушылардың өте жоғары қозғалғыштығы (2,5∙105 см2в∙с), жоғары Серпімділік және электромеханикалық сипаттамалар (Юнг модулі 1 ТПа ретті) [108]. Бұл қасиеттердің жиынтығы графенді және графен тәрізді қабаттарды механикалық, электрлік және термофизикалық сипаттамалары жақсартылған жаңа наноматериалдардың негізі ретінде, сондай-ақ наноэлектрондық құрылғылардың элементі ретінде қолдану тұрғысынан өте тартымды [109].
КК-ны субстрат ретінде пайдалану қасиеттер мен технологиялардың үйлесімділігіне байланысты кремний электроникасында графен тәрізді қабаттарды қолдануға мүмкіндік береді.
КК негізіндегі композициялық құрылымдар мен графен тәрізді қабаттардың ең перспективті практикалық қолданыстарының бірі-оларды суперкапакаторлар мен литий ток көздерінде пайдалану үшін олардың негізінде мембраналар құру мүмкіндігі [110,111].
1.4.3 Кеуекті кремнийді медицинада қолдану
Қазіргі уақытта КК-ны биомедицинада практикалық қолдану мүмкіндігіне үлкен қызығушылық артып келеді. 1995 жылы кеуектілігі жоғары дәрежеде наноқұрылымды Si биоактивті күйге ауыстырылуы мүмкін екендігі көрсетілді [112]. Сонымен қатар, КК ерітіндінің қышқылдығына, бөлшектердің морфологиясы мен кеуектілігіне, сондай-ақ олардың бастапқы бетінің химиялық сипатына байланысты физиологиялық ортада биодеградация қабілеті анықталды [113], бұл КК-ны аурулардың кең спектрін диагностикалау және емдеу үшін пайдалану мүмкіндігіне негіз болды.
НаноКК биодеградацияға да, биотұрақтылыққа да бейімділік танытады [114], бұл ретте организмде НКК әдетте тағам құрамында болатын және метаболизмге бейім H4SiO4-ке айналады, осыған байланысты ол уытты болып табылмайды, бұл бірқатар еңбектерде зерттеулермен расталады [116-118].
Si монокристалдарынан айырмашылығы, КК-нің Физикалық және химиялық қасиеттері айтарлықтай өзгерістерге ұшырайды. Кванттық өлшемдік әсерлермен қатар, бұл көбінесе қаңқа құрылымының бүкіл көлеміне бір-біріне жақын беттерден таралатын Химиялық байланыстардың деформациясына байланысты. Басқаша айтқанда, еркін беттік энергияның компьютердің еркін энергиясына қосқан үлесі оның химиялық әлеуетін едәуір арттыруға жеткілікті. Нәтижесінде тотығу реакцияларындағы КК-дің химиялық белсенділігі күрт артады [119].
Салыстырмалы түрде қарапайым өндіріс технологиясы, үлкен беткей және мезопорлы Si кеуектерінің диаметрі оны дәрі-дәрмектерді мақсатты түрде жеткізу үшін өте тартымды етеді. Si контейнеріне салынған дәрі физика-химиялық әсерлерден аулақ болады және бақыланатын түрде шығарылады. Кеуекті контейнерлерді гидрофильді және гидрофобты молекулаларды жүктеу үшін пайдалануға болады. Дәрі-дәрмектердің шығарылу кинетикасы контейнердің физика-химиялық қасиеттерінің өзгеруімен басқарылады.
Контейнер бетінің қасиеттерін өзгерту арқылы дәрі-дәрмектің бақыланатын шығарылуын жүзеге асыруға болады, оны тиімді пайдалану мерзімін апта, ай және жылға дейін ұзартады. Компьютердің ерекше оптикалық және электрлік қасиеттері оны ауруларды диагностикалау және емдеу үшін, сондай-ақ дәрілік скрининг үшін сенсор ретінде пайдалануға мүмкіндік береді. Материалдың беріктігі мен биожетімділігі ортопедия мен мата инженериясында кеуекті кремнийдің кең қолданылуына ықпал етеді.
Наноматериалдарды қолдану нанобөлшектердің (тіндерге еркін ене алатын, бірақ метаболизмге ұшырамайтын) немесе олардың құрамына кіретін элементтердің жоғары уыттылығына байланысты үлкен қауіппен байланысты. Басқа наноқұрылымды материалдардан айырмашылығы, кеуекті кремний үшін уыттылықтың толық болмауы, сондай-ақ биодеградация қабілетінің болуы көрсетілген. Мұның бәрі әртүрлі ауруларды емдеуде және диагностикалауда кеуекті Si қолдану перспективаларын ашады. Медицина саласындағы әзірлемелерде ең өзекті қолдану 2-кестеде көрсетілген.
2-кесте- НКК медицинада қолдану салалары
Қолдану аймағы
Әдебиет
Дәрілік препараттарға арналған биосәйкес контейнерлік материалдардың наноқұрылымды контейнерлері
[120-126]
Онкологиялық ауруларды емдеу
[127-132]
Ортопедия және тіндік инженерия
[133-135]
Офтальмология
[136-138]
Қант диабетін емдеу
[139-143]
Тасымалданатын диализ үшін ультра жұқа si мембраналар
[144-146]
1.4.4 Мембраналар жасау үшін кеуекті кремнийді қолдану
Молекулалардың мөлшері бойынша бөлінуіне қабілетті, сипаттамалары бойынша тұрақты және қайталанатын мембраналардың дамуы мен зерттелуіне үлкен қызығушылық бар [22]. Кеуекті кремнийдің бос тұрған немесе өзін-өзі қамтамасыз ететін (freestanding немесе self-supporting) мембраналарын жасау процесі, әдетте, бірнеше кезеңнен тұрады.
Ең алдымен, si пластинасында тері тесігінің бақыланатын морфологиясы бар КК қабаты пайда болады. Тесіктердің диаметрі мен тереңдігі бойынша өлшемдері сүзу үшін қажетті молекулалардың өлшемдеріне сәйкес келуі керек. Жұмыста [22] авторлар диаметрі 2-ден 20 нм-ге дейін, орташа мәні ~ 12 нм болатын тері тесігін шашырататын қабаттарды көрсетті.
Екінші кезеңде кеуекті қабат si субстратынан бөлінеді. Бұл үшін кеуек диаметрінің электролиттің ингредиент құрамына тәуелділігі немесе маринадтау процесінде анод тогының тығыздығының өзгеруі қолданылуы мүмкін [23,24]. Іргелес тесіктердің үздіксіз қабаттасуы үшін тері тесігінің түбіндегі диаметрді ұлғайту арқылы кеуекті қабатты субстраттан бөлуге болады [24].
Осы әдістерді қолдана отырып, диаметрі 1,5 см және қалыңдығы 75 мкм дейін мембраналар пайда болды [22]. Айта кету керек, осылайша пайда болған мембраналар кеуекті кремнийдің беріктік сипаттамаларына байланысты жоғары сынғыштықпен сипатталады.
Юнг Модулінің мөлшері кеуекті кремнийдің EY кеуектілігі жоғарылаған сайын күрт төмендейді.
Сонымен, егер монокристалды Si EY = 160 ГПа болса, онда кеуектілігі 90% ДК үшін оның мәні 0,87 Кпа дейін төмендейді [14,25]. Осыған байланысты, жеке тұрған нанопорлы мембраналарды арнайы ұстағышқа бекіту қажет, бұл ретте олардың жұмыс алаңы айтарлықтай азаяды. Жұмыста [22] Слюда ұстағыш қолданылды, оған эпоксидті желімнің көмегімен нанопорлы мембрана бекітілді. Бұл жағдайда мембрананың жұмыс аймағы 1,767-ден 0,05 см2-ге дейін қысқарды, бұл диаметрі ~ 0,25 мм ұстағышта жасалған тесікке сәйкес келді.
Кремнийдің наноқұрылымды пленкаларының морфологиясы бойынша жаңғыртылатын қалыптасу мәселелері
Механикалық кернеулердің маринадтау процесінің кинетикасына әсері 1989 жылы үлкен интегралды схемаларды (ҮИС ) жасау технологиясында анықталды және сипатталды. Шын мәнінде, ҮИС өндіру технологиясында si штамм немесе қысу әсерінен пайда болады.
Кеуекті кремнийге негізделген наноқұрылымдардың қалыптасу ерекшеліктері, негізгі функционалдық сипаттамалары және оларды қолдану салалары.
2.1. Кеуекті кремний мен оған негізделген наноқұрылымдардың функционалдық сипаттамалары
Кремний-қазіргі микро және наноэлектроникадағы ең маңызды материал және оттегіден кейінгі жердегі екінші элемент. 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 диффузиясының арқасында электронды (n-Si) немесе тесік (p-Si) өткізгіштігі бар жергілікті аймақтарды құруға болады,бұл әдеттегі жартылай өткізгіш транзистордың негізі. Кремний сонымен қатар жоғары температураға төтеп береді, бұл чиптер өндірісінде маңызды. Қалыңдығы 1-2 нм болатын C-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 (kni, SOI) қолданылады. Қазіргі уақытта кремнийдің жоғары фотосезімталдығы (жарықтандыру кезіндегі электр өткізгіштіктің өзгеруі) кеңінен қолданылады, бұл жарық энергиясын электр энергиясына айналдыруға мүмкіндік береді, 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, Тапсырыс 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 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 [1,2].
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 және квази Импульстің сақталу заңы енді қатаң емес. Бұл себептер оптикалық өтулердің ықтималдығын едәуір арттырады және ФЛ спектрінің көрінетін аймаққа ауысуын анықтайды.
Әдетте наноқұрылымдарды кванттық шұңқырлар, жіптер және нүктелер (жұқа қабаттар, сымдар, басқа затқа енгізілген ең кішкентай кристалдар) түрінде жасау технологиясы өте күрделі. Сонымен қатар, алынған нәтижелер жарық шығаратын жартылай өткізгіш құрылғыларда осындай кремний құрылымдарын практикалық қолдану туралы айтуға мүмкіндік бермейді.
Балама-кеуекті кремний (КК, por-Si) алғаш рет 1956 жылы А.Улир шығарған. Бұл материал кремний кристалдары болды, онда 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 [1]. Осылайша алынған por-Si олардың арасындағы бос аралықтары (тесіктері) бар кванттық жіптер жүйесі ретінде сипатталады. 1990 жылы L. T. Canham [2], содан кейін бірқатар басқа авторлар бөлме температурасында кеуекті кремнийдің тиімді қызыл-қызғылт фотолюминесценциясы (fl) байқалғанын хабарлады, ал біраз уақыттан кейін осы материалдың көрінетін электролюминесценциясы туралы мәліметтер алынды.
Мамандар "кеуекті кремний" терминін қолданған кезде, олар міндетті түрде осы материалға бекітілген параметрлерсіз, бірақ кеуектердің кеуектілігі мен экологиялық тазалығына байланысты емес әртүрлі қасиеттерді өзгерте бастайды. Анодтау режиміне және бастапқы материалдың параметрлеріне байланысты жіп жүйесі бір бағытта созылған жіптер жиынтығын еске түсіре отырып, аз немесе аз тұрақты болуы мүмкін (сурет.2.1), ал Маржан немесе губка құрылымы. PC тері тесігі морфологиясының әртүрлілігі оптикалық, электрлік, механикалық және басқа да материалдық функционалдық сипаттамалардың әртүрлілігіне әкеледі [3]. Сонымен қатар, тері тесігінің қабырғалары электрохимиялық реакциялар өнімдерімен және адсорбцияланған атомдармен жабылған, олардың химиялық құрамы кеуекті ... жалғасы
Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.
әл-Фараби атындағы Қазақ ұлттық университеті
Физика-техникалық факультеті
Қатты дене физикасы және бейсызық физика кафедрасы
ДИПЛОМДЫҚ ЖҰМЫС
Тақырыбы: Кеуекті шалаөткізгіштегіEgшамасының өзгеруі
5B071900 - Радиотехника, электроника және телекоммуникациялар мамандығы бойынша
Орындаған:_________________________ ______________Саттарқұл 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
Дипломдық жұмыстың көлемі 72 бет, соның ішінде 37 сурет,8 формула,4 кесте. Пайдаланылған әдебиеттер саны 50 .
Кеуекті шалаөткізгіштегі Eg шамасының өзгеруі
Мақсаты: Кеуекті кремний наноқұрылымының тыйым салу аймағы мәндерін анықтап, өзара толқын ұзындығы мен жеміру уақыты арасындағы тәуелділікті анықтау.
Нысан - Eg шамасының өзгеруін анықтау.
Тақырып - тыйым салу аймағын электрохимиялық анодтау әдісімен алу. Қазіргі кезде кеуекті кремнийдің алу жолдары көптеп кездеседі. Соның бірі ретінде НF ерітінді қоспасымен кремнийдің беткі қабатын еріту болып табылады. Бұл әдіс кең тараған және осы жолмен кеуекті кремнийді алу тиімдірек. Әдетте электрохимиялық өңдеу арқылы кеуекті кремнийді алуды базалық әрі стандартты түрі деп атайды. Кеуекті кремнийдің алыну пайдалану тарихына шамалы көз жүгіртсек.
Кеуекті кремнийді өндіруде ең алғаш 1956 жылы кремнийдің беткі қабатын HF-тің су ерітіндісімен электрохимиялық өңдеу кезінде А. Улир (A. Uhlir) қол жеткізген болатын. Кеуекті кремний қабыршағын көптеген уақыттар бойы лабораториялық тәжірибе кезінде қате ретінде санап, оны егжей-тегжейлі зерттемеген. Дегенмен, бұл материал біршама зертеушілердің қызығушылығын арттырды, себебі кремний кеуектілігінің қалыптасу механизмі түсініксіз болатын.
Нәтижелері:
Кеуекті кремний наноқұрылымының тыйым салу аймағының өлшемдерін алу арқылы өзара салыстыру.
Жемірілу уақытымен кеуектілік пайызының тікелей корреляциясын көрсетету.
РЕФЕРАТ
Диссертационная работа содержит 72 страниц, в том числе 37 рисунков, 8 формул, 4 таблиц. Список литературы состоит из 50 источников.
Изменение величины Eg в пористом полупроводнике
Цель: определить значения запретной зоны пористой Кремниевой наноструктуры и определить зависимость между взаимной длиной волны и временем спекания.
Объект-определение изменения величины Eg.
Тема-получение запретной зоны методом электрохимического анодирования. В настоящее время существует множество способов получения пористого кремния. Одним из них является растворение поверхностного слоя кремния растворной смесью НF. Этот метод является распространенным, и таким образом более эффективно получать пористый кремний. Обычно получение пористого кремния электрохимической обработкой называют базовым и стандартным типом. Немного взглянем на историю использования получения пористого кремния.
Впервые в производстве пористого кремния в 1956 г. при электрохимической обработке поверхности кремния водным раствором HF А. Улир (A.Uhlir). Пористая Кремниевая пленка долгое время считалась ошибочной во время лабораторных экспериментов и не изучалась подробно. Однако этот материал вызвал некоторый интерес у исследователей, так как механизм образования пористости кремния был неясен.
Результаты:
- Взаимное сравнение с получением размеров запретной зоны пористой Кремниевой наноструктуры.
- Показать прямую корреляцию процента пористости со временем поглощения.
ABSTRACT
The dissertation work consists of 72 pages, 8 formulas, 37 pictures,4 tables. List of literature consists 50 sources.
Change in the Eg value in a porous semiconductor
Purpose: to determine the values of the forbidden zone of a porous Silicon nanostructure and to determine the relationship between the mutual wavelength and the sintering time.
Object-definition of the change in the value of Eg.
Subject-extraction of the prohibition zone by electrochemical anodization method. Currently, there are many ways to obtain porous silicon. One of them is the dissolution of the surface layer of silicon with a solution mixture of HF. This method is more common, and it is more effective to obtain porous silicon in this way. Usually, the extraction of porous silicon by electrochemical processing is called the basic and standard type. Let's take a little look at the history of the extraction of porous silicon.
For the first time in the production of porous silicon in 1956, during electrochemical treatment of the surface layer of silicon with an aqueous solution of HF, A. Ulir (A. Uhlir) was achieved. For many years, porous silicon flakes were considered a mistake during laboratory experiments, and they were not studied in detail. However, this material aroused the interest of some researchers, because the mechanism of formation of Silicon porosity was unclear.
Results:
- Mutual comparison with obtaining the size of the forbidden zone of a porous silicon nanostructure.
- Show a direct correlation of the porosity percentage with the absorption time.
Мазмұны
Қысқартулар мен шартты белгіленулер
Кіріспе
1
КЕУЕКТІ КРЕМНИЙДІҢ ҚҰРЫЛЫМЫ, ҚҰРАМЫ ЖӘНЕ ҚАСИЕТТЕРІ
1.1
Кеуекті кремний алу әдістері
1.2
Кремнийді электрохимиялық өңдеу механизмдері
1.3
Кремнийдің электрохимиялық өңдеу механизмдері
1.4
Кеуекті кремнийдің қолдану аймағы
2
КЕУЕКТІ КРЕМНИЙ МЕН ОҒАН НЕГІЗДЕЛГЕН НАНОҚҰРЫЛЫМДАРДЫҢ ФУНКЦИОНАЛДЫҚ СИПАТТАМАЛАРЫ
2.1
Аймақтық теориядағы өткізгіштер, Жартылай өткізгіштер және диэлектриктер
3
ЭКСПЕРИМЕНТТІК БӨЛІМ
Қорытынды
Пайдаланылған әдебиеттер тізімі
Қысқартулар мен шартты белгіленулер
HF - (Hydrogen Fluoride) фторсутектің сулы ерітіндісі
ФЛ - Фотолюминесценция
КК -Кеуекті кремний, ПК - Пористый кремний
SE - stain etching ( химимялықжемірілу )
Кіріспе
Кеуекті кремний бірегей қасиеттердің кең спектріне ие және күн батареяларының жаңа буыны үшін фотосезімтал құрылымдар құрудың жақсы перспективаларына ие. Дамыған тері тесігі жүйесінің арқасында сіңіргіш бетінің ауданы ұлғаяды, сондай-ақ кеуек қабырғаларында кремний нанобөлшектері мен кремний нанотүтіктерінің энергетикалық тыйым салынған аймағының ұлғаюы есебінен жоғары сезімталдық қысқа толқынды аймаққа кеңейеді. Кеуекті кремнийдің беткі қабатын карбонизациялау сіңіруді одан да тиімді етеді. Бұл жағдайда күн элементінің спектрі кең саңылаулы материалда (SiC) жоғары энергиялы фотондарды сіңіру арқылы қысқа толқындық аймаққа кеңейеді.
Диплом жұмысының басты мақсаты - кеуекті кремний наноқұрылымының тыйым салу аймағын фотолюминесценция арқылы анықтап , алынған өлшемдердің тәуелділіктерін тұрғызу. Осығанбайланыстымынадайміндеттерқой ылады:
- әртүрліжемірууақытындағыкеуектілікт ің 3 түрліүлгісіналу;
- алынғанүлгілердіңфотолюминесценцияс ынөлшеу;
- өлшенгенүлгілердіңфотолюминесценция арқылы (Eg) тыйымсалуаймағынесептеу;
- есептелген Eg мәніментолқынұзындығыарасындағытәуе лділікграфигінтұрғызу;
- есептелген Eg мәніменжемірууақытыарасындағытәуелд ілікграфигінтұрғызу;
КЕУЕКТІ КРЕМНИЙДІҢ ҚҰРЫЛЫМЫ, ҚҰРАМЫ ЖӘНЕ ҚАСИЕТТЕРІ
Кеуекті кремний - HF негізіндегі ерітінділерде химиялық немесе электрохимиялық өңдеу нәтижесінде монокристалды Si-пластиналардың бетінде пайда болатын материал . КК алғаш рет 1956 жылы HF негізіндегі электролитті қолдана отырып, Si тақталарын электролизациялау эксперименттерін жүргізу кезінде табылды. Берілген ток пен ерітіндінің құрамының кейбір мәндерінде Si біркелкі ерімейтіні анықталды, бірақ негізінен 100бағытында орналасқан ұсақ тесіктердің пайда болуы басталды. Электролиз режимдерінің сипаттамасы, оның барысында анодтағы HF жергілікті концентрациясы төмендейді және Si тетравалентті түрде ериді.
1970-1980 жылдарыКК-гедегенқызығушылықартты, ККбетініңжоғарыауданыспектроскопиял ықзерттеулердекристалды Si бетініңмоделіретінде Si-деқалың SiO2 қабаттарынқалыптастыруүшінбуферлікқ абатретіндежәнесыйымдылықхимиялықсе нсорлардағыдиэлектрлікқабатретіндеп айдалыболды.
90-жылдардыңбасындаЛ. Канхэмкөрінетінаймақтананопорлы Si (NPK) жарықшығаратынқасиеттерінкөрсетті.Ф отолюминесценция (ФЛ) бөлметемпературасында si анодтыпластинасындабайқалды, ККөндірутехнологиясыныңқазіргідамуд еңгейіндегікванттықшығушамасы 23% - ғажетуімүмкін. ФЛқасиеттеріненбасқа, ККдеэлектролюминесценттікқасиеттерг еие. Қазіргіуақыттазерттеушілерментехнол огтардыңосыматериалғажәнебасқакеуек тіжартылайөткізгіштергедегенқызығуш ылығыүнеміартыпкеледіжәнеосыматериа лдаркласынаарналғанжарияланымдарсан ыжылсайынартыпкеледі.
IUPAC халықаралықтеориялықжәнеқолданбалых имияодағықабылдағанқолданыстағыноме нклатураолардыңдиаметрінебайланысты терітесігімөлшерініңүшсанатынанықта йды: микропориялы 2 нм, мезопорлы 2-50 нмжәнемакропорлы 50 нм (1-сурет). Мұндайжіктеутектерітесігініңдиаметр іменбайланыстыжәнетерітесігініңморф ологиясытуралыақпаратжоқ. Терітесігініңморфологиясытерминіпіш ін (бағаналы, тармақталған, жіңішкежәнет. б.), бағдарлау, терітесігініңөзарабайланысыжәнет. б. сияқтысипаттамаларүшінқолданылады.
1 сурет .КК-діңкеуекөлшемібойыншажіктелуі
Морфология-бұл КК-дің ең аз сандық аспектісі. Тері тесігін, пішінін және кеңістіктік таралуын өзгертуге қатысты өте дамыған құрылымы бар КК морфологиясын сипаттау өте қиын. Қазіргі уақытта микропорлы және мезопорлы Si морфологиясы толық сипатталған (2-сурет). КК-дің бұл түрлері нақты бағыты жоқ тығыз және кездейсоқ тармақталған тесіктері бар губка тәрізді құрылым болып табылады. Тармақталу тенденциясы тері тесігінің диаметрінің төмендеуімен артады. Керісінше, макропорт Si-де қысқа немесе дендриттік бұтақтары бар тегіс қабырғалары бар дискретті тесіктер болуы мүмкін .
2 сурет.Макро-және мезопорлы Si морфологиясы
КК-дің пайда болуы субстраттың допингіне қатысты таңдамалы болып табылады. Морфологияның бірдей түрін бастапқы Si тақталарының әртүрлі түрлері үшін алуға болады. Допинг қоспасының концентрациясы жоғарылаған сайын тері тесігінің мөлшері мен олардың арасындағы қашықтық артады, ал бетінің нақты ауданы азаяды. КК құрылымы анизотропты болады, бетіне перпендикуляр тік тесіктер арқылы өтеді, бұл p-Si-де айқын көрінеді, допинг деңгейі төмен ρ = 80-100 кОм см. К
N-Si субстраттары үшін жағдай күрделірек. Әдетте, n-Si-дегі тері тесігі pSi-ге қарағанда әлдеқайда үлкен, ал тері тесігі мен олардың арасындағы интервал допинг қоспасының концентрациясының жоғарылауымен азаяды. Қараңғыда анодталған төмен легірленген n-Si субстраттарының кеуектілігі төмен (1-10%), микрометр диапазонында кеуек диаметрі бар (3-сурет). Жарықтандыру кезінде кеуектіліктің жоғары мәндеріне қол жеткізуге болады, ал мезопорлар макропорлармен бірге пайда болады .
3сурет. n-Si-де тері тесігін қалыптастыру [48]
Соңғы құрылым Анодтау жағдайларына, әсіресе жарықтың қарқындылығы мен ток тығыздығына байланысты. N-Si-де тері тесігі кездейсоқ бағытталған жіп тәрізді құрылым түзеді .
p-Si-нің маңызды сипаттамасы оның кеуектілігі p дәрежесі болып табылады:
Р=1-ρПКρSi (1)
Мұндағы: ρПК - КК тығыздығы,
ρSi - монокристалды Si тығыздығы .
Негізінен, P-бұл маринадтау процесі кезінде алынған заттың массалық үлесі. Кеуектіліктің типтік мәні 40-70% аралығында болады, ал NPC үлгілері максималды кеуектілікпен сипатталады. Әдебиетте жоғары кеуектілігі бар үлгілерде жеке нанокристалдар мен жіптер si қаңқасының ұсақталуы мен фрагментациясы нәтижесінде кеңістіктік бағдарды өзгерте алатындығы атап өтілген.КК қабатын ұсақтау дайындалғаннан кейін электролит құрғаған кезде беттік керілу күштерінің нәтижесі болып табылады. Осыған байланысты кейде өте критикалық кептіру әдісі қолданылады , бұл өте жоғары кеуектілігі бар үлгілерді алуға мүмкіндік береді, 95% жетеді.
Жалпы жағдайда еріту реакциясы үшін Si-ден келетін h+ тесік зарядының тасымалдаушылары қажет. Егер жұптар арасындағы өлшемдер экситонның Бор радиусынан төмен болса, онда h+ бос тесіктердің концентрациясы кванттық ұстап қалу салдарынан Si пластинасының допинг дәрежесіне қарамастан төмендейді , бұл микропоралардың пайда болуына әкеледі. Бұл жағдайда тері тесігінің диаметрі, сондай-ақ тіректер арасындағы қашықтық өзін-өзі реттейді.
Мезопорлар көшкіннің бұзылуына байланысты жоғары ток тығыздығының пайда болуына байланысты n-Si және pSi маринадтау арқылы қалыптасады. Жалпы жағдайда, булар дендриттер сияқты қалыптасады, ал әртүрлі өңдеу жылдамдығына байланысты тері тесігі негізінен бағыт бойынша (100) және бүйір бойымен (111) бағытталған. Макропордың түзілуін, егер тесіктердің жоспарланбаған шекарасы қарастырылса, Schottki siэлектролит тосқауылы арқылы зарядтың өтуімен түсіндіруге болады. N-Si-дегі макропорлар Днепрге h+ тесіктерін шығару үшін пластинаның артқы жағын жарықтандыру арқылы қалыптасады. Мұндай тері тесігі бағаналы типтегі морфологияға ие және тері тесігінің тереңдігі бойынша тұрақты диаметрге ие. Қазіргі уақытта литография (4-сурет) көмегімен мінсіз реттелген макропорлы құрылымдар жасауға болады.
4сурет. Реттелген макропорлы құрылымдар [49]
Жұмыста су, су емес немесе органикалық электролиттерді және Анодтау кезінде жарықтандырудың әртүрлі түрлерін, сондай-ақ өсудің кейбір тиісті модельдерін пайдалану кезінде КК қалыптастырудың көптеген әдістерін егжей-тегжейлі сипаттайды.
Пластинаның бүкіл бетінде анодтық маринадтау нәтижесінде si селективті маринадтау және бір-бірінен қаңқаның бір түрін құрайтын монокристалдың қабырғаларымен бөлінген каналдар немесе тесіктер пайда болады. Арналардың көлденең қимасы, сондай-ақ кеуектер арасындағы қабырғалардың өлшемдері мен пішіні бірнеше ангстромнан бірнеше ондаған микрометрге дейін өзгеруі мүмкін және бастапқы Si сипаттамаларына, электролит құрамына және процестің жағдайларына байланысты әртүрлі конфигурацияға және өзара орналасуға ие болады. Сонымен қатар, тері тесігін қалыптастыру процесінде жүретін диспропорцияның химиялық реакциясы тері тесігінің қабырғаларында Si атомдарының ішінара тұндыруымен сипатталады. Осылайша, si бетінде әртүрлі наноқұрылымды қабаттар пайда болады, олар кеуекті құрылымдардың қасиеттеріне айтарлықтай әсер етуі мүмкін.
Кеуекті кремнийдің негізгі қасиеттері монокристалды Si-мен салыстырғанда 1-кестеде келтірілген.
Физикалық сипаттамасы
с-Si
КК (кеуектілігі, %)
1. Юнг модулі EY, ГПa
160
83 (20 %) - 0,87 (90 %)
2. Меншікті кедергіρ, Ом·cм
0,011000
10[10]-10[12] - НПК
3. Тыйым салынған аймақтың ені Eg, эВ
1,12
1,4 (70%) - 2 (90%)
4. Меншікті беті,м[2]cм[3]
0,2
1000 - НПК
5. Сыну коэффициенті n
3,94
1,2-2,87 - НПК
6. Протон өткізгіштігіσ, Смсм
-
10[-3]-10[-4] - НПК
7. Жылуөткізгіштігі ӕ, Вт(мK)
157
1,2
8. Ерітінділірге рН=7,5
тұрақты
ериді
1.2 Кеуекті кремний алу жолдары
Кеуекті кремнийді алудың көптеген жолдары бар. Көбінесе микроэлектрондық процестер технологиясында реактивті ионды өңдеу әдісі қолданылады. Бұл технология бақыланатын параметрлері бар реттелген кеуекті құрылымдарды алуға мүмкіндік береді, алайда әдіс күрделі техникалық орындауды қажет етеді. Сондай-ақ, плазмохимиялық өңдеу әдістері және электрохимиялық және химиялық өңдеудің аралас әдісі белгілі, бұл электрохимиялық өңдеуден кейін si тақталары ең тұрақты сипаттамалары бар КК алу үшін HF немесе HCl концентрацияланған ерітінділеріне батырылады. Ең көп тарағандары-si монокристалды тақталарын электрохимиялық және химиялық өңдеу.
Әдебиетте HF және тотықтырғыш негізінде ерітіндіде КК алудың химиялық әдісі гетерогенді химиялық жемірілу (NHT, stain etching - SE) деп аталады. Бетті жақсы ылғалдандыру және бүкіл аймақтағы тегістеу біркелкілігі үшін CH3COOH көбінесе осы ерітінділерге қосылады. Бұл әдіс арзан және технологиялық қарапайымдылығына байланысты кеңінен қолданылады. HF және HNO3 пайыздық концентрациясының оңтайлы қатынасын таңдағанда, әр түрлі морфологиясы бар кеуекті құрылымдарды алуға болады [55-58]. Басты артықшылығы мүмкіндігі болып табылады қалыптастыру субмикронных топологиялық мөлшерін НХТ-құрылымдар [59]. Кемшіліктерге осы әдіспен алынған кеуекті қабаттардың аз қалыңдығы (1 мкм-ге дейін), сондай-ақ қалыптасқан құрылымдардың қалыңдығы мен морфологиясы бойынша гетерогенділік жатады.
Шектеу факторы-Si иондарының диффузиясы ФИК Заңына сәйкес кеуекті қабат қалыңдығының ұлғаюымен шектеледі. Сонымен қатар, бастапқы субстраттың допинг деңгейінің жоғарылауымен қалың кеуекті қабаттар жасауға болады, бұл ақаулардың болуымен байланысты, олардың болуы маринадтау жылдамдығын арттырады . Әр түрлі ерітінділердегі химиялық өңдеудің толық сипаттамасы [35,62-66] жұмыстарда берілген.
Осы жағымсыз факторлардың әсерін азайту үшін қазіргі уақытта металл нанобөлшектерді қолдана отырып, химиялық өңдеу үшін жаңа шешімдер әзірленуде. Металл нанобөлшектерді қолдану әр түрлі морфологиясы бар микро және наноқұрылымды беттердің пайда болуына әкеледі (5-сурет) . Әдістің ерекшеліктері жұмыста егжей-тегжейлі сипатталған [30].
Ең көп қолданылатын металдар-бұл Au және Ag, олардың өңделуіне байланысты. Металдар si субстратына вакуумдық қолдану процестерін және ерітінділерден химиялық тұндыру әдістерін қолдана отырып қолданылуы мүмкін. Вакуумдық бүрку тапсырыс берілген құрылымдарды қалыптастыруға мүмкіндік береді, ал химиялық қолдану әдісі технологиялық тұрғыдан қарапайым және арзан, қалыптасқан субстраттың морфологиясы маңызды болмаған кезде қолданылады.
5сурет. AU және Pt нанобөлшектерін қолдану арқылы тері тесігін қалыптастыру
Металл бөлшектердің мөлшері мен пішіні кеуекті қабаттың морфологиясына айтарлықтай әсер етеді. Тері тесігінің диаметрі металл бөлшектердің диаметрімен өлшенеді. Сонымен, өлшемі 1-ден 10 нм-ге дейінгі бөлшектерді қолданған кезде НПК пайда болады, диаметрі одан әрі ұлғайған кезде KК пайда болады [68].
Қалыптасқан құрылымдардың қалыңдығы маринадтау уақытына пропорционал [71]. Қажетті қалыңдығы мен морфологиясының қабатын қалыптастырғаннан кейін металл нанобөлшектері субстратты HNO3-те жуу арқылы алынып тасталады, содан кейін тазарту процесі жүреді [72].
Химиялық маринадтауды нанобөлшектермен және онсыз біріктірген кезде қалыңдығы өзгеретін қасиеттері бар градиент құрылымдарын қалыптастыру мүмкіндігі пайда болады [73-76], осылайша қажетті оптикалық [74], электрлік [77] және алынған құрылымдардың механикалық қасиеттерін жасайды.
Осылайша, металл жабыны бар химиялық өңдеу қарапайым, жылдам және әмбебап әдіс болып табылады, ол ең аз жабдыққа қойылатын талаптармен наноқұрылымдардың кең спектрін жасайды [78]. Өңдеу әдісі монокристалды (cSi), мультикристалды (mcse) және аморфты Si (a-Si) [79], сондай-ақ GaAs, GaN және SiC [30] сияқты басқа материалдарға қолданылуы мүмкін. Алайда, КК-дің металдармен ластануы осы құрылымдарды одан әрі қолдануда қиындықтар туғызады, сонымен бірге қымбат металдарды пайдалану салдарынан электрохимиялық өңдеумен салыстырғанда технологиялық процесс қымбат болып келеді.
Қазіргі уақытта кеуекті құрылымдарды өндірудің ең өзекті әдісі-Si пластинасын әртүрлі концентрациясы бар HF негізіндегі электролит ерітінділерінде Анодтау [42,80,81]. Анодты өңдеу үшін электрохимиялық жасушалардың негізгі түрлері 6-суретте көрсетілген [82].
a) b)
6сурет.HF ерітінділеріндегі (a) p-Si және (b) n-Si электрохимиялықөңдеугеарналғанэкспе рименттікқондырғылардыңсхемасы [82]
Екі жақты кеуекті кремнийдің үлгілерін жасау қос резервуары бар электролиттік жасушада жүзеге асырылады, онда пластинаның екі жағы да электролитпен суланған. Бұлжағдайдаэлектрохимиялықөңдеупроц есіжиілігіәдетте 0,1 Гцболатынимпульстіктокберуарқылыжүз егеасырылады [83]. Түзілетінкеуектіқабаттардыңморфолог иясы, кеуектілігіжәнеқалыңдығыбірдей.Қаба ттардыңқалыңдығы 50 мкм-гежетеді, соданкейінтерітесігінде F иондарыныңболмауынабайланыстымарина дтаупроцесіжоғалады.
Солсияқты, ультражұқатақталардықолданаотырып, екіжақтыүлгілерқалдықкөлемді Si өтежұқақабатыбарқұрылымдаралуүшінжа салады. Si маринадтаубосзарядтасымалдаушыларбо лғанкездепайдаболады.Осылайша, жоғарықосындыланған Si жағдайындакөлемдіқабаттыңқалыңдығыб ірнешеондағаннанометрболуымүмкін.
Тұрақтыкеуектіқұрылымдардықалыптаст ырудыңбірәдісі-анодтыөңдеупроцесінд есыртқымагнитөрісінқолдану [84,85]. Магнитөрісініңәсерінентерітесігінің диаметріазаяды, соныменқатартерітесігініңкеуектіөсу ібасылады, нәтижесіндетерітесігініңбіркелкіліг іартады.
ККнегізіндеәртүрлікеуектілігіменқаб аттарыныңқалыңдығыбарқабаттықұрылым дықалыптастыруғаболады. МұндайәсергеАнодтаутогыныңтығыздығы нөзгертуарқылынемесетереңдігібойынш амезгіл-мезгілқоспаланған si субстраттарынқолдануарқылықолжеткіз угеболады. Қабаттықұрылымдардыңқалыптасуыеріту реакциясынегізінентерітесігініңтүбі ндежүретіндіктенжәнебұрыннанқалыпта сқанКК-діісжүзіндеқолжетімсізқалдыр ғандықтанмүмкінболады (7-сурет).
7сурет.Қабатты құрылымды қалыптастыру процесі
Өңдеу уақытының өзгеруі қалыптасқан қабаттың қалыңдығын бақылауға мүмкіндік береді. КК кеуекті қабатының қалыңдығы іс жүзінде сызықтық түрде өседі, өйткені өңдеу уақыты артады. Сонымен қатар, маринадтау процесі кезінде ток тығыздығының мезгіл-мезгіл өзгеруі кеуектілікті тереңдікте модуляциялауға мүмкіндік береді [86], бұл сыну көрсеткішінің кез-келген профилін алуға мүмкіндік береді.
Кеуекті кремнийдің реттелген қабаттарын қалыптастыру үшін si бетін құрылымдау жүзеге асырылады. Атап айтқанда, макропорлы Si көбінесе пластинаны алдын-ала құрылымдау арқылы жасалады. Бірінші кезеңде фотолитографиялық маска жасалады, содан кейін үлгі инверттелген пирамидалар түрінде ою шұңқырларын қалыптастыру үшін KOH ерітіндісінде анизотропты түрде шығарылады. Келесі кезеңде анодты өңдеу HF ерітінділерінде жүзеге асырылады, онда маринадтау шұңқырларда селективті түрде өтеді. Нәтижесінде фотонды кристалдар ретінде қолдануға болатын мінсіз қалыптасқан микропористалық құрылымдар пайда болады (8-сурет) [89].
8сурет.Қалыптасқан фотонды кристалдың мысалы [89]
Тері тесігін тазарту-бұл анод тогының тұрақты белгіленген мәні бар электролит пен Si өзара әрекеттесуінің күрделі гетерогенді процесі. КК қалыптастыру процесін жүзеге асыру үшін анод материалында бос заряд тасымалдаушылардың болуы қажет, өйткені химиялық түрленулер олардағы тесік-электронды (h+ - E-) алмасудың болуын болжайды. Анодтық өңдеу процесінің сызбасы 9-суретте көрсетілген [90].
9 сурет.КК анодтық өңдеу механизмінің сызбасы [90]
Көші-қону процесі h+ тесіктерінің Si бетіне қоныс аударуымен байланысты болғандықтан, улау жылдамдығы мен кеуектілігі үлгінің допинг дәрежесіне байланысты. Жалпы жағдайда улау жылдамдығы улау тогының тығыздығы жоғарылаған сайын артады [50,51].
Улау тогының тығыздығына байланысты 10-суретте айқын көрсетілген реакция ағымының 3 механизмі мүмкін [46].
10 сурет.P-Si үшін электролитжартылай өткізгіштің Байланыс сипаттамасы [46]
Si-ді өңдеу бірнеше кезеңнен тұрады, процестің сызбасы 11-суретте көрсетілген.
Сурет 11 - Улау процесінің ағысының сызбасы [46]
Жергілікті анодты өңдеу процесінің бірінші кезеңі si бетінің тотығуы болып табылады, SiF2 ток тығыздығының j,режимінде JPS белгілі бір критикалық мәнінен төмен болады (10-сурет):
Si + 2HF + 2h+-- SiF2 + 2Н+ (2)
Токтың критикалық тығыздығының жоғарылауымен (3-аймақ графигінде) кеуекті кремний пленкасы пайда болмайды, реакцияларға сәйкес электрмен Жылтырату процесі жүреді:
Si+4HF+4h+--SiF4+4H+ (3)
SiF4+2HF--H2SiF6 (4)
Жылтырататқыш шамамен 2-3 В анодтық потенциалда жүреді. Одан әрі SiF2 түрлендіру (аморфты Si-ді H2O-ға тотықтырумен диспропорциялау):
2SiF2--a-Si+SiF4 (5)
a-Si + 2 H2O -- SiO2 + 2Н2↑ (6) SiO2+6HF=H2SiF6 +H2O (7)
Si2 + иондарының диспропорция реакциясы нәтижесінде екінші атомдық Si осы реакцияға қатысатын Si иондарының жартысына тең мөлшерде түзіледі, екінші жартысы ерітіндідегі F-иондарымен байланысады, күшті күрделі иондар түзеді [SiF6]2 - және осы формада ерітіндіге өтеді. Іс жүзінде екі қайталама реакция параллель жүреді, олардың әрқайсысының үлесі эксперименттің нақты шарттарымен анықталады.
Өңдеу процесінде Si-де көптеген үзілген байланыстар пайда болғандықтан және атомдық h шығарылатындықтан, si - H байланыстарының пайда болуы ықтималдығы жоғары, нәтижесінде аморфты гидратталған Si (a-Si:h Және a-Si:H2) пайда болады.
HF концентрациясы мен ток тығыздығын бекіту арқылы кеуекті қабаттың қалыңдығының жоғарылауымен кеуектілік жоғарылайды, бұл КК қабатының HF-де қосымша химиялық еруімен түсіндіріледі. Сондай-ақ, HF концентрациясы ток тығыздығы мәндерінің жоғарғы шегін анықтайды. HF бекітілген және төмен концентрациясында ток тығыздығы өзгеруі мүмкін диапазон тар болады және HF концентрациясының жоғарылауына байланысты кеңейеді [91.92].
Бастапқы материалдың допинг дәрежесі мен ток тығыздығы тері тесігінің мөлшеріне негізгі әсер етеді [52-54], әдетте жоғары легирленген Si және 100-500 мАсм2 диапазонындағы ток тығыздығы Макропорлы Si құру үшін қолданылады. Мезопорлы Si қабаттарын өндіруде орташа допинг дәрежесі бар Si (ρ = 1-2 Ом см) және j = 20-100 мА см2 қолданылады. NPC 10 мАсм2 дейін J = 5-10 Ом см пластиналардан алынады (12-сурет). Макропорист Si - дегі тері тесігінің құрылымы бұзылған, ал мезо-және, әсіресе, НКК-де тері тесігінің өсуінің кристаллографиялық бағытқа сәйкес келетін нақты бағытын анықтауға болады 〈100〉 [81,93].
12сурет.Эксперимент жүргізу параметрлеріне байланысты қалыптасатын кеуекті құрылым түрі [81]
Тері тесігін ретке келтіру дәрежесі допинг дәрежесі жоғарылаған сайын жоғарылайды және жоғары қоспаланған p-Si субстраттары үшін максималды болады. Айта кету керек, бұл оның фотофизикалық және оптикалық қасиеттерінің көпшілігін анықтайтын ДК құрылымы, бұл олардың құрылымы мен физикалық қасиеттерінің байланыс нано-объектілеріне тән растау болып табылады.
Субстраттың кристаллографиялық бағыты морфологияға және улау жылдамдығына әсер етеді. (100) бағытта өңдеу жылдамдығы (111) қарағанда шамамен үш есе жоғары [94]. Бір бағытта бөлінген тесіктерді алу үшін олардың арасындағы қашықтық жартылай өткізгіштегі кеңістіктік заряд аймағының енінен 2 есе көп болуы керек. Мысалы, жоғары легирленген пластина жағдайында, кернеуі 1 В-қа тең болса, ОПЗ ені 10 нм диапазонында болады.
Квази-тұрақты поляризация тері тесігіне дейінгі қашықтықтың ұлғаюымен азаяды, бұл тері тесігінің диаметрінің төмендеуімен бірге жүреді. Белгілі бір диаметрден (~30 нм) төмен квадраттық ұқсас тәртіпті енді байқауға болмайды және арналар кездейсоқ орналасады.
Бірнеше нанометрден ондаған микрометрге дейінгі морфология мен құрылым өлшемдерінің әртүрлілігіне әкелетін ДК-нің өзін-өзі қалыптастыру процесі әлі толық зерттелген жоқ, атап айтқанда кеуектердің квази-тұрақты қалыптасуы.
Кеуекті матрицаның жүйелілігі токтың тығыздығына, электролит концентрациясына, сондай-ақ қолданылатын жасуша конфигурациясына байланысты. Үлкен диаметрі бар тері тесігінің тұрақты орналасуын жоғары ток тығыздығымен алуға болады, бұл тері тесігінің түбінде электр өрісінің жоғары кернеуіне әкеледі. Диаметрдің төмендеуімен тіректер арасындағы қашықтықтың артуы олардың дендриттік өсуімен бүйір тесіктерінің ұзындығының ұлғаюына әкеледі.
Тері тесігінің диаметрі 55-100 нм болған кезде бүйір тері тесігінің ұзындығы бір тері тесігінің диаметрінен аспайды, тері тесігі арасындағы қашықтық артады (тері тесігінің диаметрі 20-40 нм), дендриттің ұзындығы шамамен бес тері тесігінің диаметріне дейін артады. Бұл мінез-құлықты интерстициальды қашықтық кеуек пен ОПЗ арасындағы қажетті арақатынастан екі Деби ұзындығына тең немесе одан аз болуымен түсіндіруге болады. СЭМ-микрофотографияны қарастырғанда, тері тесігі негізінен (100) бағытта пайда болады, ал бүйірлік тесіктер негізінен (113) бағытта өседі, дендриттер арасындағы бұрыш 54° (13-сурет) [94].
13 сурет.Дендриттік құрылымды қалыптастыру [94]
Кеуекті кремнийдегі электролит концентрациясын өзгерту арқылы кеуектердің диаметрі мен олардың арасындағы қашықтықты өзгертуге болады. HF концентрациясының жоғарылауымен тұрақты ток тығыздығы сақталған кезде кеуектердің диаметрі азаяды және кеуектер арасындағы қашықтық артады, бұл кеуектіліктің төмендеуін білдіреді [95].
Квази-тұрақты поризацияға тек жоғары сұйылтылған ерітінділерде қол жеткізуге болады, ал HF концентрациясы массаның 5% - ынан аспауы керек., ал ток тығыздығы тұрақты болуы керек.
Жаңа дайындалған кеуекті кремнийдің беті h [81] пассивті қабатымен жабылғандықтан, анодты өңдеу процесін жүргізгеннен кейін ауадағы тотығу нәтижесінде ДК өзінің қасиеттерін өзгерте алады. Анодтық өңдеу процесінен кейін оның қасиеттерін тұрақтандыру үшін жылдам термиялық тотығу немесе (400-1200 ºC) температурада күйдіру қажет [96,97].
Кеуекті кремнийдің қасиеттеріне электрохимиялық реакциялардан басқа жүйенің басқа компоненттері де әсер етеді, si субстратының бастапқы параметрлері, электролит құрамы және т.б. өтпелі процестерді сипаттау үшін кеуекті кремнийдің пайда болу модельдері жасалды, олар нақты механизмді анықтауға мүмкіндік береді, физикалық немесе химиялық, кеуектердің белгілі бір бөлінуімен кеуекті кремнийдің пайда болуына үлкен әсер етеді, олардың мөлшері мен олардың арасындағы қашықтық.
1.3 Кремнийдің электрохимиялық өңдеу механизмдері
Кеуекті кремнийдің пайда болу механизмдерін зерттеуге арналған көптеген теориялық жұмыстар бар. Әр түрлі өткізгіштіктің Si-де пайда болу идеяларына сәйкес баспа қызметін, теориялық жұмыстарды қорытындылай отырып, жұмыстарды сипатталған эффекттер түріне сәйкес 3 топқа бөлуге болады:
- Сипатталған құрылымдардың химиялық қасиеттерін талдау және олардың негізінде модельдер құру,
- Физикалық модельдер,
- Математикалық модельдер
Түрлендіруге байланысты мәселелер ағымдағы процестерді сипаттау мен түсіндіруде үлкен әртүрлілікке ие. Бұл процестердің сипаттамасы бастапқы монокристалды Si-нің Нақты химиялық қасиеттеріне тікелей байланысты болатыны анық, бұған басқа материалдардағы кеуекті құрылымдарды алу әрекеттерін және оларда кванттық өлшемді әсердің болмауын сипаттайтын жұмыстар дәлел бола алады [98,99].
Допант қоспасының концентрациясына, электролит концентрациясына, ток тығыздығына, қолданылатын потенциалға, Жарық қарқындылығына, беттік энергияға байланысты тері тесігін нуклеациялаудың теориялық сипаттамасы, сонымен қатар Si пластинасындағы h+ тесіктерін және диффузиялық қабатқа иондық тасымалдауды қарастыру кезінде [100].
Кеуектіліктің сандық бағасын [101] жұмыста ұсынылған модельден алуға болады, онда siэлектролит интерфейсінде Шоттки тосқауылының пайда болуы беттік күйлердің болуына байланысты қарастырылады. Токты кедергі арқылы беру электронды туннельдеу (күшті легирленген Si) немесе Шоттки шығару (әлсіз легирленген Si) және кеуектердің түбінде si-нің басым еруі арқылы жүзеге асырылады, бұл қалыптасатын тері тесігінің түбіндегі электр өрісінің кернеуінің жоғарылауынан болады. Нәтижесінде Шоттка тосқауылының биіктігі төмендейді.
Басқа модельдер, мысалы, кеуектердің түбіндегі электр өрісінің таралуына негізделген [102], кванттық ұстап қалу әсері [103] немесе нуклеация мен кейінгі тері тесігінің өсуі [104,105] сонымен қатар кеуекті кремнийдің пайда болуының қанағаттанарлық сипаттамасын бере алмайды, оның көптеген ерекшеліктері бар.
1.4 Кеуекті кремнийдің қолдану аймағы
КК жоғары механикалық және жылу қасиеттеріне, оның кремний микроэлектроникасымен айқын үйлесімділігіне және өзіндік құнының төмен болуына байланысты перспективалы материал болып табылады. КК негізінде қысқа толқынды оптикалық сүзгілер, рентген спектрінде жұмыс істейтін матрицалар, микрон сорғылар, микроканалды құрылымдар, күн элементтері үшін текстураланған жарқылға қарсы жабындар және т.б. Si-де жарық шығаратын диодтар технологиясының дамуына байланысты жақын арада толық кремнийлі оптоэлектроникаға көшуге болады [14].
1.4.1 Микроотын элементтері
Соңғы уақытта шағын көлемді электронды құрылғылардың саны артып келе жатқандығына байланысты, осы құрылғыларды қуаттандыру үшін портативті отын элементтерін (ОЭ) дамыту өзекті болып табылады. Типтік микротопливный элемент (МТЭ) электролит ретінде пайдаланылады твердополимерную мембрана, ал электродтар әзірлейді негізінде кеуекті көміртекті немесе кремний материалдар [106].
14суретте көрсетілгендей сутегі-оттегі ОЭ құрылымына кіретін функционалды элементтердің типтік схемасы көрсетілген. Бір құрылымға біріктіру түйіндерді болтты байланыстырғыштардың көмегімен механикалық басу арқылы жүзеге асырылады. Сенімділік 150 Н::см-2 кем емес қысу күшімен қамтамасыз етіледі.
1-Протон алмасу мембранасы; 2-каталитикалық қабат; 3-газдыдиффузиялық қабат; 4-биполярлы пластина; 5-ток көтергіш пластина; 6-газ тарату жүйесі
14 сурет.Полимерлі протон алмасу мембранасы бар оттегі-сутегі Отын элементі [27]
Өндірілген электродтар мен мембраналар ОЭ мөлшерінің едәуір төмендеуін және қажетті нақты тиімділігін қамтамасыз етеді. Сонымен қатар, NPK негізіндегі мембраналар ең жоғары Протон өткізгіштікке және ең аз газ өткізгіштікке ие [107]. Отын элементінің компоненттерін енгізу мысалы 15-суретте көрсетілген [29].
Электродқа Рt катализатор қабаты (1), газдыдиффузия қабаты (2), газды жеткізу арнасы (3) және PDAg байланыс қабаты (4) кіреді. Газ диффузиялық қабаттың ішкі бетінде H2 электрохимиялық диссоциациясы жүретін шекаралардың тығыздығын арттыру үшін көміртекті нанофилдер қабаты қолданылады. PdAg байланыс қабатының пленкасы H2 селективті сүзілуін қамтамасыз етуі керек, осылайша катализатордың pt улану ықтималдығын азайтады. Осылайша, монолитті дизайнда функционалды түйіндер біріктірілген, олар көміртекті материалдар негізінде ОЭ дәстүрлі өндірісінде дискретті түрде болады.
1-Pt негізіндегі катализатор қабаты; 2-газдыдиффузиялық қабат; 3-газдарды жеткізу арнасы; 4-істікшелі PDAg қабаты
15 сурет. Кеуекті кремний негізіндегі MTE үшін көп функциялы анод [29]
Мұндай электрод құрылымының кемшілігі-si макропористі үшін шамамен 100-150 м2см3 болатын газдыдиффузиялық қабаттың нақты бетінің жеткіліксіз ауданы.
1.4.2 Суперкапакаторларды жасау үшін кеуекті кремнийді қолдану
Қазіргі уақытта кеңінен зерттелген перспективалы бағыттардың бірі-графенмен өзгертілген Si матрицасы негізінде композициялық материалдарды жасау технологиясы.
Графен (жиі қолданылатын қысқарту - G) - бір қабатты екі өлшемді көміртегі құрылымы, оның беті тұрақты түрде тұрақты алтыбұрыштармен қапталған, жағы 0,142 нм және С атомдары шыңдарда. Ұқсас құрылым-бұл кристалдық графиттің құрамдас элементі, онда графен жазықтықтары бір-бірінен шамамен 3,4 нм қашықтықта орналасқан.
Қазіргі уақытта графен жоғары электрлік (Cu - дан миллион есе жоғары) және жылу өткізгіштік (3000 ВтмК) сияқты ерекше қасиеттердің жиынтығына байланысты ең көп зерттелген және перспективалы материалдардың бірі болып табылады), электрондық сипаттамалардың графен бетінде әртүрлі сипаттағы қосылған радикалдардың болуына тәуелділігі, тыйым салынған аймақтың реттелетін ені, холлдың кванттық әсері, тасымалдаушылардың өте жоғары қозғалғыштығы (2,5∙105 см2в∙с), жоғары Серпімділік және электромеханикалық сипаттамалар (Юнг модулі 1 ТПа ретті) [108]. Бұл қасиеттердің жиынтығы графенді және графен тәрізді қабаттарды механикалық, электрлік және термофизикалық сипаттамалары жақсартылған жаңа наноматериалдардың негізі ретінде, сондай-ақ наноэлектрондық құрылғылардың элементі ретінде қолдану тұрғысынан өте тартымды [109].
КК-ны субстрат ретінде пайдалану қасиеттер мен технологиялардың үйлесімділігіне байланысты кремний электроникасында графен тәрізді қабаттарды қолдануға мүмкіндік береді.
КК негізіндегі композициялық құрылымдар мен графен тәрізді қабаттардың ең перспективті практикалық қолданыстарының бірі-оларды суперкапакаторлар мен литий ток көздерінде пайдалану үшін олардың негізінде мембраналар құру мүмкіндігі [110,111].
1.4.3 Кеуекті кремнийді медицинада қолдану
Қазіргі уақытта КК-ны биомедицинада практикалық қолдану мүмкіндігіне үлкен қызығушылық артып келеді. 1995 жылы кеуектілігі жоғары дәрежеде наноқұрылымды Si биоактивті күйге ауыстырылуы мүмкін екендігі көрсетілді [112]. Сонымен қатар, КК ерітіндінің қышқылдығына, бөлшектердің морфологиясы мен кеуектілігіне, сондай-ақ олардың бастапқы бетінің химиялық сипатына байланысты физиологиялық ортада биодеградация қабілеті анықталды [113], бұл КК-ны аурулардың кең спектрін диагностикалау және емдеу үшін пайдалану мүмкіндігіне негіз болды.
НаноКК биодеградацияға да, биотұрақтылыққа да бейімділік танытады [114], бұл ретте организмде НКК әдетте тағам құрамында болатын және метаболизмге бейім H4SiO4-ке айналады, осыған байланысты ол уытты болып табылмайды, бұл бірқатар еңбектерде зерттеулермен расталады [116-118].
Si монокристалдарынан айырмашылығы, КК-нің Физикалық және химиялық қасиеттері айтарлықтай өзгерістерге ұшырайды. Кванттық өлшемдік әсерлермен қатар, бұл көбінесе қаңқа құрылымының бүкіл көлеміне бір-біріне жақын беттерден таралатын Химиялық байланыстардың деформациясына байланысты. Басқаша айтқанда, еркін беттік энергияның компьютердің еркін энергиясына қосқан үлесі оның химиялық әлеуетін едәуір арттыруға жеткілікті. Нәтижесінде тотығу реакцияларындағы КК-дің химиялық белсенділігі күрт артады [119].
Салыстырмалы түрде қарапайым өндіріс технологиясы, үлкен беткей және мезопорлы Si кеуектерінің диаметрі оны дәрі-дәрмектерді мақсатты түрде жеткізу үшін өте тартымды етеді. Si контейнеріне салынған дәрі физика-химиялық әсерлерден аулақ болады және бақыланатын түрде шығарылады. Кеуекті контейнерлерді гидрофильді және гидрофобты молекулаларды жүктеу үшін пайдалануға болады. Дәрі-дәрмектердің шығарылу кинетикасы контейнердің физика-химиялық қасиеттерінің өзгеруімен басқарылады.
Контейнер бетінің қасиеттерін өзгерту арқылы дәрі-дәрмектің бақыланатын шығарылуын жүзеге асыруға болады, оны тиімді пайдалану мерзімін апта, ай және жылға дейін ұзартады. Компьютердің ерекше оптикалық және электрлік қасиеттері оны ауруларды диагностикалау және емдеу үшін, сондай-ақ дәрілік скрининг үшін сенсор ретінде пайдалануға мүмкіндік береді. Материалдың беріктігі мен биожетімділігі ортопедия мен мата инженериясында кеуекті кремнийдің кең қолданылуына ықпал етеді.
Наноматериалдарды қолдану нанобөлшектердің (тіндерге еркін ене алатын, бірақ метаболизмге ұшырамайтын) немесе олардың құрамына кіретін элементтердің жоғары уыттылығына байланысты үлкен қауіппен байланысты. Басқа наноқұрылымды материалдардан айырмашылығы, кеуекті кремний үшін уыттылықтың толық болмауы, сондай-ақ биодеградация қабілетінің болуы көрсетілген. Мұның бәрі әртүрлі ауруларды емдеуде және диагностикалауда кеуекті Si қолдану перспективаларын ашады. Медицина саласындағы әзірлемелерде ең өзекті қолдану 2-кестеде көрсетілген.
2-кесте- НКК медицинада қолдану салалары
Қолдану аймағы
Әдебиет
Дәрілік препараттарға арналған биосәйкес контейнерлік материалдардың наноқұрылымды контейнерлері
[120-126]
Онкологиялық ауруларды емдеу
[127-132]
Ортопедия және тіндік инженерия
[133-135]
Офтальмология
[136-138]
Қант диабетін емдеу
[139-143]
Тасымалданатын диализ үшін ультра жұқа si мембраналар
[144-146]
1.4.4 Мембраналар жасау үшін кеуекті кремнийді қолдану
Молекулалардың мөлшері бойынша бөлінуіне қабілетті, сипаттамалары бойынша тұрақты және қайталанатын мембраналардың дамуы мен зерттелуіне үлкен қызығушылық бар [22]. Кеуекті кремнийдің бос тұрған немесе өзін-өзі қамтамасыз ететін (freestanding немесе self-supporting) мембраналарын жасау процесі, әдетте, бірнеше кезеңнен тұрады.
Ең алдымен, si пластинасында тері тесігінің бақыланатын морфологиясы бар КК қабаты пайда болады. Тесіктердің диаметрі мен тереңдігі бойынша өлшемдері сүзу үшін қажетті молекулалардың өлшемдеріне сәйкес келуі керек. Жұмыста [22] авторлар диаметрі 2-ден 20 нм-ге дейін, орташа мәні ~ 12 нм болатын тері тесігін шашырататын қабаттарды көрсетті.
Екінші кезеңде кеуекті қабат si субстратынан бөлінеді. Бұл үшін кеуек диаметрінің электролиттің ингредиент құрамына тәуелділігі немесе маринадтау процесінде анод тогының тығыздығының өзгеруі қолданылуы мүмкін [23,24]. Іргелес тесіктердің үздіксіз қабаттасуы үшін тері тесігінің түбіндегі диаметрді ұлғайту арқылы кеуекті қабатты субстраттан бөлуге болады [24].
Осы әдістерді қолдана отырып, диаметрі 1,5 см және қалыңдығы 75 мкм дейін мембраналар пайда болды [22]. Айта кету керек, осылайша пайда болған мембраналар кеуекті кремнийдің беріктік сипаттамаларына байланысты жоғары сынғыштықпен сипатталады.
Юнг Модулінің мөлшері кеуекті кремнийдің EY кеуектілігі жоғарылаған сайын күрт төмендейді.
Сонымен, егер монокристалды Si EY = 160 ГПа болса, онда кеуектілігі 90% ДК үшін оның мәні 0,87 Кпа дейін төмендейді [14,25]. Осыған байланысты, жеке тұрған нанопорлы мембраналарды арнайы ұстағышқа бекіту қажет, бұл ретте олардың жұмыс алаңы айтарлықтай азаяды. Жұмыста [22] Слюда ұстағыш қолданылды, оған эпоксидті желімнің көмегімен нанопорлы мембрана бекітілді. Бұл жағдайда мембрананың жұмыс аймағы 1,767-ден 0,05 см2-ге дейін қысқарды, бұл диаметрі ~ 0,25 мм ұстағышта жасалған тесікке сәйкес келді.
Кремнийдің наноқұрылымды пленкаларының морфологиясы бойынша жаңғыртылатын қалыптасу мәселелері
Механикалық кернеулердің маринадтау процесінің кинетикасына әсері 1989 жылы үлкен интегралды схемаларды (ҮИС ) жасау технологиясында анықталды және сипатталды. Шын мәнінде, ҮИС өндіру технологиясында si штамм немесе қысу әсерінен пайда болады.
Кеуекті кремнийге негізделген наноқұрылымдардың қалыптасу ерекшеліктері, негізгі функционалдық сипаттамалары және оларды қолдану салалары.
2.1. Кеуекті кремний мен оған негізделген наноқұрылымдардың функционалдық сипаттамалары
Кремний-қазіргі микро және наноэлектроникадағы ең маңызды материал және оттегіден кейінгі жердегі екінші элемент. 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 диффузиясының арқасында электронды (n-Si) немесе тесік (p-Si) өткізгіштігі бар жергілікті аймақтарды құруға болады,бұл әдеттегі жартылай өткізгіш транзистордың негізі. Кремний сонымен қатар жоғары температураға төтеп береді, бұл чиптер өндірісінде маңызды. Қалыңдығы 1-2 нм болатын C-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 (kni, SOI) қолданылады. Қазіргі уақытта кремнийдің жоғары фотосезімталдығы (жарықтандыру кезіндегі электр өткізгіштіктің өзгеруі) кеңінен қолданылады, бұл жарық энергиясын электр энергиясына айналдыруға мүмкіндік береді, 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, Тапсырыс 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 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 [1,2].
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 және квази Импульстің сақталу заңы енді қатаң емес. Бұл себептер оптикалық өтулердің ықтималдығын едәуір арттырады және ФЛ спектрінің көрінетін аймаққа ауысуын анықтайды.
Әдетте наноқұрылымдарды кванттық шұңқырлар, жіптер және нүктелер (жұқа қабаттар, сымдар, басқа затқа енгізілген ең кішкентай кристалдар) түрінде жасау технологиясы өте күрделі. Сонымен қатар, алынған нәтижелер жарық шығаратын жартылай өткізгіш құрылғыларда осындай кремний құрылымдарын практикалық қолдану туралы айтуға мүмкіндік бермейді.
Балама-кеуекті кремний (КК, por-Si) алғаш рет 1956 жылы А.Улир шығарған. Бұл материал кремний кристалдары болды, онда 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 [1]. Осылайша алынған por-Si олардың арасындағы бос аралықтары (тесіктері) бар кванттық жіптер жүйесі ретінде сипатталады. 1990 жылы L. T. Canham [2], содан кейін бірқатар басқа авторлар бөлме температурасында кеуекті кремнийдің тиімді қызыл-қызғылт фотолюминесценциясы (fl) байқалғанын хабарлады, ал біраз уақыттан кейін осы материалдың көрінетін электролюминесценциясы туралы мәліметтер алынды.
Мамандар "кеуекті кремний" терминін қолданған кезде, олар міндетті түрде осы материалға бекітілген параметрлерсіз, бірақ кеуектердің кеуектілігі мен экологиялық тазалығына байланысты емес әртүрлі қасиеттерді өзгерте бастайды. Анодтау режиміне және бастапқы материалдың параметрлеріне байланысты жіп жүйесі бір бағытта созылған жіптер жиынтығын еске түсіре отырып, аз немесе аз тұрақты болуы мүмкін (сурет.2.1), ал Маржан немесе губка құрылымы. PC тері тесігі морфологиясының әртүрлілігі оптикалық, электрлік, механикалық және басқа да материалдық функционалдық сипаттамалардың әртүрлілігіне әкеледі [3]. Сонымен қатар, тері тесігінің қабырғалары электрохимиялық реакциялар өнімдерімен және адсорбцияланған атомдармен жабылған, олардың химиялық құрамы кеуекті ... жалғасы
Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.
Ұқсас жұмыстар
Пәндер
- Іс жүргізу
- Автоматтандыру, Техника
- Алғашқы әскери дайындық
- Астрономия
- Ауыл шаруашылығы
- Банк ісі
- Бизнесті бағалау
- Биология
- Бухгалтерлік іс
- Валеология
- Ветеринария
- География
- Геология, Геофизика, Геодезия
- Дін
- Ет, сүт, шарап өнімдері
- Жалпы тарих
- Жер кадастрі, Жылжымайтын мүлік
- Журналистика
- Информатика
- Кеден ісі
- Маркетинг
- Математика, Геометрия
- Медицина
- Мемлекеттік басқару
- Менеджмент
- Мұнай, Газ
- Мұрағат ісі
- Мәдениеттану
- ОБЖ (Основы безопасности жизнедеятельности)
- Педагогика
- Полиграфия
- Психология
- Салық
- Саясаттану
- Сақтандыру
- Сертификаттау, стандарттау
- Социология, Демография
- Спорт
- Статистика
- Тілтану, Филология
- Тарихи тұлғалар
- Тау-кен ісі
- Транспорт
- Туризм
- Физика
- Философия
- Халықаралық қатынастар
- Химия
- Экология, Қоршаған ортаны қорғау
- Экономика
- Экономикалық география
- Электротехника
- Қазақстан тарихы
- Қаржы
- Құрылыс
- Құқық, Криминалистика
- Әдебиет
- Өнер, музыка
- Өнеркәсіп, Өндіріс
Қазақ тілінде жазылған рефераттар, курстық жұмыстар, дипломдық жұмыстар бойынша біздің қор #1 болып табылады.
Ақпарат
Қосымша
Email: info@stud.kz