Жарық сәуле шығаратын құрылым – ғылыми прогресс. Нанокомпозиттерді алу және зерттеу әдістері
Қазіргі таңда монокристалды кремний микроэлектрониканың негізгі материалы болып табылады, ал болжамалы келешекте бұл материал өлшемді кванттау эффектісін қолдану негізінде құралған жаңа бағыттың дамуына үлкен қызығушылық әкеледі. Бірақ жаңа бағыттың алғашқы қадамдарынан бастап кремний материалының бірқатар физикалық қасиеттері осы бағыттың дамуын шектейтіні айқын болды, мысалы фотоэлектроникада, элементтің сәулеленетін рекомбинация ықтималдығы төмен, себебі тасымалдаушылардың рекомбинация процессі кезінде тура ауысу тыйым салынған. Кейін келе кремний негізінде құрылымдарды жасауға арналған жаңа бағыттар, соның ішінде кванттыөлшемді, бұл қиындықты шеше алатыны және оның қолдану аясын лезде үлкейтетіні анықталды.
Соңғы кезде ғалымдардың еңбектері кванттық нүктелері (КН) бар жүйелерді жасауға негізделген. Бұл жүйелер жартылайөткізгішті матрицадағы наноөлшемді атомды кластерлер массиві түрінде болады. Энергетикалық күйдің дискретті спектрі бұндай кластерлерді атомдардың жасанды аналогтарына жатқызуға рұқсат береді, кластерлерде көп мөлшерде бөлшектердің болғанына қарамай. КН өлшемін, формасын және құрамын әртүрлі бақыланатын технологиялық әдістерді қолдана отырып өзгертсе, көптеген табиғи элементтердің аналогтарын алуға болады.
Наноэлектронды құрылғылар және құрылымдар жасау үшін бүгінгі таңда микроэлектроникалық технология айналасында жеткілікті түрде жақсы дайындалған әдістер қолданылады, оған молекулярлы-сәулелі эпитаксия, газ фазасынан отырғызу және ионды синтез жатады. Соңғы бағыт, болашағы көбірек болып саналады, бірақ технологиялық жетістіктер және теориялық оқылулар қазіргі уақытта жеткіліксіз.
Кванттыөлшемді құрылымдарды зерттеу үшін бірқатар әдістер тізімі қолданылады: сканирлеуші туннельді микроскоп (СТМ), атомды күшті микроскоп (АКМ), жарықтану электронды микроскоп (ЖЭМ), асажоғарывакуумды шағылдыратын электронды микроскоп (АЖВ ШЭМ).
Қазіргі уақытта КН негізінде жарықдиод, медициникалық бояғыштар, маңызды құжаттарды қорғау үшін көрінбейтін қара сия жасау үстінде. Осы күні Sony компаниясы КН базасында теледидар шығару туралы жария салды.
Соңғы кезде ғалымдардың еңбектері кванттық нүктелері (КН) бар жүйелерді жасауға негізделген. Бұл жүйелер жартылайөткізгішті матрицадағы наноөлшемді атомды кластерлер массиві түрінде болады. Энергетикалық күйдің дискретті спектрі бұндай кластерлерді атомдардың жасанды аналогтарына жатқызуға рұқсат береді, кластерлерде көп мөлшерде бөлшектердің болғанына қарамай. КН өлшемін, формасын және құрамын әртүрлі бақыланатын технологиялық әдістерді қолдана отырып өзгертсе, көптеген табиғи элементтердің аналогтарын алуға болады.
Наноэлектронды құрылғылар және құрылымдар жасау үшін бүгінгі таңда микроэлектроникалық технология айналасында жеткілікті түрде жақсы дайындалған әдістер қолданылады, оған молекулярлы-сәулелі эпитаксия, газ фазасынан отырғызу және ионды синтез жатады. Соңғы бағыт, болашағы көбірек болып саналады, бірақ технологиялық жетістіктер және теориялық оқылулар қазіргі уақытта жеткіліксіз.
Кванттыөлшемді құрылымдарды зерттеу үшін бірқатар әдістер тізімі қолданылады: сканирлеуші туннельді микроскоп (СТМ), атомды күшті микроскоп (АКМ), жарықтану электронды микроскоп (ЖЭМ), асажоғарывакуумды шағылдыратын электронды микроскоп (АЖВ ШЭМ).
Қазіргі уақытта КН негізінде жарықдиод, медициникалық бояғыштар, маңызды құжаттарды қорғау үшін көрінбейтін қара сия жасау үстінде. Осы күні Sony компаниясы КН базасында теледидар шығару туралы жария салды.
1 Lutskii V.V. //Phys. St.Sol.-1970.-V.1.-P.199-201.
2 Arakawa, Y. Multidimensional quantum well laser and temperature dependence of its threshold current/ Arakawa Y., Sakaki H.// Appl. Phys. Lett. – 1982. – V.40 (11). P.939-943.
3 Герасименко Н., Пархоменько Ю., Мир материалов и нанотехнологий. Кремний-материал наноэлектроники. Техносфера/Москва 2007.
4 Питер Ю., Кардона М. Основы физики полупроводников. – М.: Физматлит, 2002. – 560 с.
5 Tomassini N., d”andrea A., del Sole R.et al. // Phys. Rev. B – Solid State. 1995. V. 51. N 8. P. 5005 – 5012.
6 Debernardi A. // Ibid. 1998. V. 57. N 20. P. 12847 – 12858.
7 Tiong K. K., Amirtharaj P. M., Pollak F. H., Aspnes D. E. // Appl. Phys. Lett. 1984. V. 44. N 1. P. 122 – 124.
8 Asada m., Migamoto Y., Suematsu Y. // IEEE J. Quant. Electron. 1986. V. QE – 22. N 9. P. 1915 – 1921.
9 Weisbuch C., Vinter B. Quantum Semiconductor Structures, Fundamentals and Applications. – San Diego (CA) : Acaemic, 1991. – 252 p.
10 Singh J. In: Physics of Semiconductors and their Heterostructures. – N. Y. : McGraw-Hill, 1993. – P. 864.
11 Dingle R., Wiegmann W., Henry C. H. / / Phys. Rev. Lett. 1974. V. 33. N 14. P. 824 – 830.
12 Meynadier M. H., Delalande C., Bastard G. et al. / / Rhys. Rev B – Solid State. 1985. V. 31. N 8. P. 5539 – 5542.
13 Skolnick M. S., Tapster P. R., Bass S. J. et al. / / Semicond. Sci. Technol. 1986. V 1. N 1. P. 29 – 40.
14 Двуреченский А.В., Якимов А.И.//ФТП.2001.Т 35. Вып. 9. С. 513-522.
15 Алферов Ж.И.//ФТП.1998.Т.32.Вып.1.С.317.
16 Гапоненко С.В.//ФТП.1996.Т.30.Вып.4.С.577.
17 (Toyoda Gosey Corp.,2000).
18 Шуберт Ф.Е. Светодиоды/М.Физматлит,2008.-496с.
19 А.С. Леньшин, В.М. Кашкаров, П.В. Середин, Ю.М. Спивак, В.А. Мошников. Исследование электронного строения и химического состава пористого кремния, полученного на подложках n и p-типа методами XANES и ИК- спектроскопии// Физика и техника полупроводников, 2011, том. 45, вып. 9. с. 1229- 1234.
2 Arakawa, Y. Multidimensional quantum well laser and temperature dependence of its threshold current/ Arakawa Y., Sakaki H.// Appl. Phys. Lett. – 1982. – V.40 (11). P.939-943.
3 Герасименко Н., Пархоменько Ю., Мир материалов и нанотехнологий. Кремний-материал наноэлектроники. Техносфера/Москва 2007.
4 Питер Ю., Кардона М. Основы физики полупроводников. – М.: Физматлит, 2002. – 560 с.
5 Tomassini N., d”andrea A., del Sole R.et al. // Phys. Rev. B – Solid State. 1995. V. 51. N 8. P. 5005 – 5012.
6 Debernardi A. // Ibid. 1998. V. 57. N 20. P. 12847 – 12858.
7 Tiong K. K., Amirtharaj P. M., Pollak F. H., Aspnes D. E. // Appl. Phys. Lett. 1984. V. 44. N 1. P. 122 – 124.
8 Asada m., Migamoto Y., Suematsu Y. // IEEE J. Quant. Electron. 1986. V. QE – 22. N 9. P. 1915 – 1921.
9 Weisbuch C., Vinter B. Quantum Semiconductor Structures, Fundamentals and Applications. – San Diego (CA) : Acaemic, 1991. – 252 p.
10 Singh J. In: Physics of Semiconductors and their Heterostructures. – N. Y. : McGraw-Hill, 1993. – P. 864.
11 Dingle R., Wiegmann W., Henry C. H. / / Phys. Rev. Lett. 1974. V. 33. N 14. P. 824 – 830.
12 Meynadier M. H., Delalande C., Bastard G. et al. / / Rhys. Rev B – Solid State. 1985. V. 31. N 8. P. 5539 – 5542.
13 Skolnick M. S., Tapster P. R., Bass S. J. et al. / / Semicond. Sci. Technol. 1986. V 1. N 1. P. 29 – 40.
14 Двуреченский А.В., Якимов А.И.//ФТП.2001.Т 35. Вып. 9. С. 513-522.
15 Алферов Ж.И.//ФТП.1998.Т.32.Вып.1.С.317.
16 Гапоненко С.В.//ФТП.1996.Т.30.Вып.4.С.577.
17 (Toyoda Gosey Corp.,2000).
18 Шуберт Ф.Е. Светодиоды/М.Физматлит,2008.-496с.
19 А.С. Леньшин, В.М. Кашкаров, П.В. Середин, Ю.М. Спивак, В.А. Мошников. Исследование электронного строения и химического состава пористого кремния, полученного на подложках n и p-типа методами XANES и ИК- спектроскопии// Физика и техника полупроводников, 2011, том. 45, вып. 9. с. 1229- 1234.
Пән: Автоматтандыру, Техника
Жұмыс түрі: Дипломдық жұмыс
Тегін: Антиплагиат
Көлемі: 60 бет
Таңдаулыға:
Жұмыс түрі: Дипломдық жұмыс
Тегін: Антиплагиат
Көлемі: 60 бет
Таңдаулыға:
КІРІСПЕ
Қазіргі таңда монокристалды кремний микроэлектрониканың негізгі материалы болып табылады, ал болжамалы келешекте бұл материал өлшемді кванттау эффектісін қолдану негізінде құралған жаңа бағыттың дамуына үлкен қызығушылық әкеледі. Бірақ жаңа бағыттың алғашқы қадамдарынан бастап кремний материалының бірқатар физикалық қасиеттері осы бағыттың дамуын шектейтіні айқын болды, мысалы фотоэлектроникада, элементтің сәулеленетін рекомбинация ықтималдығы төмен, себебі тасымалдаушылардың рекомбинация процессі кезінде тура ауысу тыйым салынған. Кейін келе кремний негізінде құрылымдарды жасауға арналған жаңа бағыттар, соның ішінде кванттыөлшемді, бұл қиындықты шеше алатыны және оның қолдану аясын лезде үлкейтетіні анықталды.
Соңғы кезде ғалымдардың еңбектері кванттық нүктелері (КН) бар жүйелерді жасауға негізделген. Бұл жүйелер жартылайөткізгішті матрицадағы наноөлшемді атомды кластерлер массиві түрінде болады. Энергетикалық күйдің дискретті спектрі бұндай кластерлерді атомдардың жасанды аналогтарына жатқызуға рұқсат береді, кластерлерде көп мөлшерде бөлшектердің болғанына қарамай. КН өлшемін, формасын және құрамын әртүрлі бақыланатын технологиялық әдістерді қолдана отырып өзгертсе, көптеген табиғи элементтердің аналогтарын алуға болады.
Наноэлектронды құрылғылар және құрылымдар жасау үшін бүгінгі таңда микроэлектроникалық технология айналасында жеткілікті түрде жақсы дайындалған әдістер қолданылады, оған молекулярлы-сәулелі эпитаксия, газ фазасынан отырғызу және ионды синтез жатады. Соңғы бағыт, болашағы көбірек болып саналады, бірақ технологиялық жетістіктер және теориялық оқылулар қазіргі уақытта жеткіліксіз.
Кванттыөлшемді құрылымдарды зерттеу үшін бірқатар әдістер тізімі қолданылады: сканирлеуші туннельді микроскоп (СТМ), атомды күшті микроскоп (АКМ), жарықтану электронды микроскоп (ЖЭМ), асажоғарывакуумды шағылдыратын электронды микроскоп (АЖВ ШЭМ).
Қазіргі уақытта КН негізінде жарықдиод, медициникалық бояғыштар, маңызды құжаттарды қорғау үшін көрінбейтін қара сия жасау үстінде. Осы күні Sony компаниясы КН базасында теледидар шығару туралы жария салды.
1 ЖАРЫҚСӘУЛЕШЫҒАРАТЫН ҚҰРЫЛЫМ -
ҒЫЛЫМИ ПРОГРЕСС
Көп жерлерде қолданылатын макроскопиялық кремний, бүкіл электронды индустрияның негізін қалайды, бірақ осы жағдайға қарамастан ол жарықты оңдай жақсы абсорбцияламайды және бұдан да нашар жарықты өзінен шығарады. Осы жағдай жарықтың эмиссиясы қажет жерде кремний элементін таңдауды қиындатады. Егер кристалл өлшемін нанометрге дейін қысқартсақ, көп жағдай өзгереді. Si негізді квантты нүктелер көрінетін диапазонда өте жарық люминесценция қасиетіне ие, оның түсі осы бөлшектердің өлшеміне тікелей байланысты екен. Осы жағдай Si негізді квантты нүктелерден жарықдиодтарды және лазер көздерін шығаруда қызығушылық тудырады.
Рекомбинация кезінде әртүрлі жартылайөткізгішті материалдар эффективті жарық шығарады. Жақсы сәуле шығаратындарға AIIIBV типті тікаймақтық жартылайөткізгіштер (мысалы: GaAs немесе InP) және AIIBVI типті (мысалы: ZnSe немесе CdTe) жатады. Жартылайөткізгіштердің құрамын сараптай отырып, әртүрлі толқынды ультрафиолеттен (GaN) орташа инфрақызыл (PbS) диапазонға дейін жарықдиодтарын жасауға болады.
Жарықдиодтар, немесе жарық шығаратын диодтар (ағылшынша LED - light emitting diode) алдыңғы ғасырдың 60-шы жылдарында пайда болған. Олардың жарық ағыны өте әлсіз болған, тек қана 0,001 лм, ал түсі тек қызыл бола алды. 1976 жылы сары, жасыл - сары, сарғылт түсті, соңшалықты жарық оларды тіпті күн жарығында да көре алуға болатын еді. Бастапқыда олар тек аудио-, видеоаппаратурада және тұрмыс техникасында миниатюрлі индикатор ретінде ғана қолданылды, тек 1985 жылы олардың жарық ағыны 0,1 лм ден 1 - 100 лм үлкейген кезде ғана жарықдиодтарды жеке түрдегі жарық элементтерін жасауда қолданылған болатын.
1990 жылы жартылайөткізгіштердің жарықберуі 10 лмВт жеткен болатын, және осы жағдай оларды қыздыру лампасының орының басуға мүмкіндік берді. 1993 жылы Nichia компаниясы әлемдегі бірінші көк жарықдиодтарының индустриалды шығарылымын бастауға жол ашты. Компанияда 2002 жылғы көк жарықдиодтары шаруашылығының бір бөлігі шаруашылықтың жалпы көлемінен 60 пайызға өсті. Ал америкалық компания Hewlett - Packard жарықдиодтарын 1 млн. сағат (120 жыл тоқтаусыз жұмыс уақыты) бойы жұмыс жасайтын жағдай болатынын жариялады. Сары, жасыл, қызыл - сарғылт түсті жарықдиодтарының жарық беруі 20 лмВт асып кетті. Осының бәрі жарықдиодтарын жоғары эффективті жарық көздері ретінде әр түрлі облыстарда қолдануға әкелді: оларды бағдаршамда және активті жол белгілерінде, автокөлікте, жарық рекламасында, көптүсті жарықдиодты дисплейлерде, архитектурлы және декоративті жарықберу құрылғыларында т.б. Ең соңында жарық көзі жарықдиод болатын жарықберетін құрылғылар біздің қолдануымызға шықты.
1.1 Кванттық нүктелері бар жартылайөткізгіштердің негізгі қасиеттері
Егер жартылайөткізгішті кристалдың өлшемін бірнеше ондыққа немесе кристалдағы жүздеген атомаралық арақашықтықа кішірейтсе, онда материалдың бүкіл негізгі сипаттамалары өлшемді кванттау эффектісі әсерінен түбегейлі өзгеріске ұшырайды [1]. Кванттық нүкте бұл жартылай өткізгіштің бірнеше оңдаған немесе бірнеше жүздеген кіші бөлшектері, бір иненің ұшында олар миллионнан кем болмайды. Өлшемді кванттаудың соңғы жағдайы үш өлшемде де заряд тасымалдаушылары шектеулі құрылымдарда орындалады. "Суператом" немесе "квантты нүкте" көлемді жартылайөткізгіш жағдайына қарағанда электронды спектрдің көкейтесті модификациясының мүмкіндігін береді. Теориялық есептеу бойынша, құрылғылар, мысалы кванттық нүктені активті орта ретінде қолданатын диодты лазерлер қазіргі уақытта кең қолданысқа ие квантты шұңқырдағы лазерлерге қарағанда жақсырақ қасиеттерге ие болуы керек [2]: үлкен күшейту коэффициенті (material gain), азайтылған табалдырықты ток тығыздығы, тор температурасына зердесіздігі, таңдаулы динамикалық сипаттама және сәулеленетін рекомбинация квант энергиясын бақылау мүмкіндігі.
Кванттық нүктенің электронды спектрі тыйым салынған күй зонасымен ажыратылған дискретті деңгейлер жинағы күйінде келеді, дегенмен бұл жағдайда реалды КН мыңдаған атомдардан құралғанымен, біртекті атомның электронды спектріне ұқсас болады. Электрон осы энергетикалық деңгейлермен ауысқан кезде люминесценция эффекті пайда болады. Құрылғылы көзқарас бойынша, егер деңгейлер арасындағы қашықтық жылу энергиясына қарағанда әлдеқайда үлкен болғанда, квантты нүктелердегі тасымалдаушылардың атомтектес электронды спектрі заманауи микро- және оптоэлектрониканың негізгі проблемасын шеше алады. Ол жоғарылатылған жұмыс температурасында құрылғының деградациясына алып келетін энергетикалық терезесіндегі κT тәртібімен заряд тасушылардың спектрінің "жайылуы". Материалды қолдануға қажет негізгі сипаттамалар, мысалы, сәулеленентін рекомбинация уақыты, электрондардың деңгейасты (подуровень) арасындағы энергетикалық релаксация уақыты, Оже-рекомбинация коэффициенті т.б., квантты нүктенің өлшемі мен геометриялық формасынан тікелей тәуелді екені айқындалады. КН өлшемінің төменгі шегі КН-де тым болмаса бір электронды деңгей болатын өлшеммен анықталады.
Оптоэлектрониканың құрылғыларында КН қолдану үшін, олар ішінде дислокациялар мен нүктелік ақауларды болдырмау керек. Ал КН формалайтын гетерошекаралар төмен жылдамдықты беттік рекомбинацияға ие болуы тиіс. Бұл жағдайлар КН алатын әдістерді артығырақ етеді. Лазерлерде жоғары модальды күшейту(modal gain) орындау үшін КН тығыз массивтері (~10 cм) қажет [3].
1.2 Кванттық нүктесі бар кристаллдардың аумақтық құрылымы
Кванттық нүктесі бар кристаллдардың аумақтық құрылымының ерекшелігі [4] жұмысында анық көрсетілген. Кристаллдағы еркін заряд тасымалдаушысы блох толқыны тілінде суреттеледі, олар осының ішінде тарала алады. Енді кристалды шекті деп елестетіп, блох толқынын шағылыстыра алатын, бір-бірінен L арақашықтықта орналысқан екі шексіз ұзын параллельды тосқауыл бар деп ойлайық. Онда осы толқындардың кеңістікті шектеулі екендігі байқалады. Толқындардың классикалық мысалы болып, бір өлшемде екі өткізбейтін тосқауылмен шектелген, екі фиксирленген ұшы бар тербелмелі шек (струна) болып табылады. Бізге белгілі, бұндай шектің нормальды тербеліс үлгісі ұзындығы λ шамасындағы төмендегі дискретті мағынаны қабылдайтын тік толқынды сипаттай алатын шама.
λn=
(1.2.1)
oсындағы n= 1,2,3... Басқа классикалық мысал ретінде интерферометр Фаби-Перо болып табылады. Шеткі айналардағы көптеген шағылулардың нәтижесінде, резонатор түзе алатын, электромагнитты толқын интерферометрі арқылы өтетін өткізу спектрінде арнайы толқын ұзындығында максимумдар мен минимумдар пайда болады. Егер резонатордың ішкі кеңістігі ауаға толы болса, интерференцияның құрылымдық шарты (1.2.1) шамасы бола алады.
Өткізу минимумында интерферометрдегі толқынынды жабық түрде деп есептелінеді.
Эффективті массасы m* бар еркін бөлшек үшін, егер кристаллдағы z бағыты арқылы өтетін қозғалыс өткізбейтін тосқауылдармен шектелсе (яғни шексіз потенциялды энергиясы бар тосқауылдар), блох толқынының толқынды векторының κz рұқсат етілген мәні төмендегідей түрде болады:
κzn = =
(1.2.2)
осындағы n=1,2,3 ..., ал негізгі күйдің энергиясы шексіз күйдің энергиясына қарағанда бір шама өлшемге өседі.
ΔE = =
(1.2.3)
мұндағы көрсетілген h - Планк тұрақтысы.
Осындай энергияның өсуі процессі бөлшектердің өлшемді кванттау энергиясы болып табылады. Өлшемдік кванттау энергиясы квант механикасындағы анықталмағандық принципінің салдары. Егер бөлшек кеңістікте L арақашықтығы шамасына шектелген болса (біздің жағдайда - Z бағытын бойлайды ), анықталмаған компонентінің импульсы hL мөлшеріне дейін өседі. Бөлшектердің кинетикалық энергиясының сәйкестеніп өсуі (1.2.3) шамасымен сипатталады. Сондықтан жоғарыда қарастырылған эффектті жиі квантөлшемді эффект деп атайды. Бөлшектің минимальды энергиясының өсуінен басқа квантөлшемді эффект оның қозған күйлерін энергиямен квантталуы жүргізеді. Бірқалыпты шексіз потенциал тікбұрышты шұңқыр энергиясының қозу күйі n2ΔΕ шамамен де белгіленеді, мұндағы n = 1,2,3..., (1.2.2) теңдеуіменде белгіленеді.
Жоғарыда айтылған тосқауылмен шартталған шектеумен, қоспаларда шашырау нәтижиесінің локализация айырмашылығын білу қажет. Жартылай өткізгіштерде еркін заряд тасушылар орташа шашырау уақытмен (τ) фотондармен дефектерде шашырайды, осы уақыт ішінде олардың еркін жүгіруінің орташа ұзындығын анықтауға болады. Осындай шашырау процессі бөлшектердің қалпындағы анықталмағандық шамасында азайтып, керісінше оның импульсындағы анықталмағандық шамасын көбейте алады. Соңғысы (1.2.3) L2~l2 шамасымен алынатын бөлшек энергиясының анықталмағандығына әкеліп соғады. Мұндай эффект көбінесе қатты денеде кездесетін дефекттер мен атомдардың ретсіз орналасу әсерінен болып, квант шектеу эффектісінен өзгеше болады. Екі нәтиженің өзгешелігіне көз жеткізу әдістерінің бірі болып толқынды векторды κz шектеу қойылған бағытты бойлай зерттеу қажет. Қозғалысы шашырамайтын және КЯ шектеулі бөлшектердің толқын векторы дискретті, себебі ол тік толқынмен теңдесіп белгілі бір шамада белгіленеді (1.2.2). Ақаулардағы (кемістігі бар аумақтар) шашырау процессі толқындық фазаның бұзылуына әсер береді, сондықтан оның амплитудасы еркін жүгірудің орташа ұзындығы маңында экспоненциалды түрде кемиді. Осындай кеміп бара жатырған толқындарды Фурье түрлендіруі бойынша зерттесе, κz шамасы дискретті болмайды екен, ол ені 1 l шамасына тең лоренцті таралуына ие. [5] жұмысында жиілік бойынша ығысатын фонондардың (кристалдық тордағы серпімді толқынға сәйкес квазибөлшек) модельдік бағасы l мен оптикалық фонондардың кеңіте түсу белгісінің үлгісі көрсетілген, үлгі иондық имплантация (қатты денені қоспалық заттың иондарымен соққылау арқылы оған легирлейтін қоспаларды енгізу) арқылы алынып, дефектерді таратпауға жол салған.
Көптеген қоздырулардың өмірі қысқа болып келеді, мысалы: оптикалық фонондар басқа фонодармен жанасу процессі нәтижиесінде өшіп қалады (ангармоникалық процесс нәтижиесімен) [6] немесе ақаудың әсерінен, Г.Роль еңбектерінде сипатталатын тұрақты сөну процессі нәтижиесінде пайда болатын білінбейтін энергия бөлініп, ол энергетикалық деңгейлердің кеңейе түсуіне әкеліп соғады. Сондықтан өлшемді квант эффекті пайда болу үшін, квант энергиясының болуы қажет, кем дегенде Г. бірлігіне тең болуы керек. (1.2.3) теңдеуінде көрсетілгендей, баламалы L ұзындығына сәйкестендірілуі қажет, квант эффектісіне ұқсас басқа да нәтижелердің болуы мүмкін. Басқаша сөзбен айтқанда егер L шамасы тым үлкен болса, тосқауылға жетпей қозу күші басылып қалады.
Өлшемді кванттау энергиясы m* шамасына кері пропорционал болғандықтан, ауыр бөлшектер үшін осындай эффектті бақылау қиынға түседі. Ережеге сай үлгіні төмен температураға дейін суыту қажет (Г кеміту үшін), ол арнайы кванттаудың аз энергиясын белгілеу үшін керек.
Валенттік деңгейдегі қозған электрондар өткізгіштік деңгейге ауысқанда, валенттік белдемде оң зарядталған кемтік пайда болады. Кулондық өзара әсердің нәтижесінде электрон мен кемтік бір-біріне тартылады. Егер қоздыру энергиясы тиым салынған белдемнің енінен артық болса, онда кристалдағы қозған электрондар мен кемтіктердің өзара байланысы үзіліп, олар еркін квазибөлшектерге айналады, яғни кристалда фотоөткізгіштік пайда болады. Ал егер ЕΔЕ болса, онда электрон мен кемтік өзара байланысқан күйде, яғни электрлік бейтарап күйде болады. Кристалдағы осындай қозған күй (квазибөлшек) экситон деп аталады. Бұл квазибөлшек кристалл ішінде өз орнын ауыстыра алады (мұны экситондардың миграциясы дейді) не бір орында тұрады (локалданады), бірақ электр зарядын тасымалдай алмайды.
Өлшемді кванттау процессі кезіндегі экситондар тәртібі фонон және электрондар тәртібінен өзгешелеу болады, өйткені экситондар бор радиуысының ао арақашықтығында орналасқан электрондар мен кемтіктерденден құралған. Егер Lао болса, экситон тосқауылдар арасында толық массасы М электрон-кемтік массасының қосылысына тең еркін бөлшек ретінде қозғала алады [7]. Квант өлшемді эффектің максимальды L мәні экситонның орташа еркін жүгіру арақашықтығымен анықталады. Lао болғанда экситон қасиеті оны құрайтын электрон және кемтіктегі квантөлшемді эффекттің жүру барысына модифицирленеді. Мысалы экситонның байланыс энергиясы үлкейеді, егер электрон және кемтік бір біріне жақын орналасуына тура келеді. Екі өлшемді экситонның шекті жағдайында байланыс энергиясы үшөлшемдіге қарағанда төрт есе өседі. Кейде квантты тосқауылдың потенциялы (ол шексіз деп ойлаған жағдайда) кулондық әсерге қарағанда екі бөлшекке көбірек ықпал тигізеді. Сонда былай деп ойлау тиімдірек, потенциалдық шұңқырдағы кванттық шектеуді ауырлау бөлшек басынан өткізеді (себебі оның толқындық функциясы шұңқырдың центрінде көбірек локальданған), ал жеңілірек бөлшек кулондық әсердің арқасынан оған жақынырақ тартылған. Аналогиядан күтілуде, донор және акцептордың байланыс энергиясы үлкейеді, егер осындай қоспалардың ені потенциалды шұңқырда болған кезде бор радиуысынан кем болады.
Кванттық өлшемді эффект тек қоздыру энергиясын өзгертіп қана қоймай, сонымен қатар оның күйінің тығыздығын модифицирлейді. Жалпы жағдайда ол азайса, критикалық нүктеде күйдің тығыздығындағы сингулярдың күшеюіне алып келеді. Мысалы көлемдік үлгідегі өлшемді үштен КШ екіге дейін төмендетсе, тыйым салынған зона Eg аумағы маңындағы электронды күй тығыздығы өзінің көрінісін табалдырықты функциядан сатылы түрдегі функцияға дейін өзгертеді. Фермидің Алтын ережесімен есептелетін ауысудың ықтималдылығы шеткі күйдің тығыздығына тәуелді болғандықтан, квант өлшемді эффект жартылайөткізгішті приборлардағы шашырау процесінің динамикасына үлкен ықпалын тигізеді. Зерттеулерге жүгінсек квантты потенциалды шұңқырдан жасалған лазерды диодтар, қазір кең қолданысқа ие көлемді диодтарға қарағанда көбірек тиімді және сәйкесінше көлемді лазерлі диодқа қарағанда табалдырық ток күші аздау [8]. Потенциалдық шұңқыр -- бөлшектер өзара әсерлескенде бөлшектердің потенциалдық энергиясының оның сыртындағыдан аз болатын физикалық табиғаты анықталатын кеңістіктің шектеулі бөлігі. Потенциалдық шұңқырдың формасы мен оның мөлшерлері бөлшектердің өзара әрекеттесуінің физикалық табиғатымен анықталады. Атом электронының ядроға тартылуын сипаттайтын кулондық потенциалдық шұңқыр -- маңызды жағдай болып есептеледі. "Потенциалдық шұңқыр" түсінігі атомдық және молекулалық физикада, қатты денелер мен атомдық ядро физикасында кең қолданылады. Кванттық нүктеден жасалынған лазерлы диодтар әлдеқайда ток күші аз болуы керек деп болжамдалады. Сонымен қатар олардың генерация жиілігі температураның ауытқуына қатты сезімтал болмайды [9,10].
Жартылай өткізгіштердегі электрондардың квант өлшемді эффектісінің иллюстрациясын жасау үшін жалғыз квант шұңқыр жағдайын қарастырайық. Квант шұңқырының құрылымы ‹сэндвич› сияқты түрде келеді, В жартылай өткізгіштін екі қабаты арасында (екі жағының қалыңдығы L' бір - біріне тең) басқа А жартылай өткізгіштің жұқа қабаты (қалыңдығы L) орналасқан. Қабаттарға перпендикуляр бағытталған ось ретінде Z - ті белгілейік. Бұданда күрделі қабаттары ВАВАВА типті периодты қайталанатын күрделі құрылымдар да кездеседі (қалыңдығы L`L болуы керек). Осындай құрылымдар бірнеше рет қайталанатын квант шұңқырлары деп аталады (БҚКШ). Жоғарғы тор мен қайталанатын квант шұңқырының құрылымдары бірдей келеді, алайда БҚКШ шұңқырлар арасындағы арақашықтық тым үлкен, ол электрондардың бір шұңқырдан екіншісіне туннельденуін болдырмас үшін қажет. Жоғарғы тордағы тосқауылдардың ені L' электрондардың туннельденуі үшін тым кіші, сондықтан электрондар кезектесіп орналасқан қабатты кристалл потенциалына қосылатын потенциалдық тосқауыл ретінде көреді.
Оңаша тұрған квант шұңқырының рұқсат етілмеген аймақ ені А, тосқауылдардың енінен В (ЕgbЕga) кіші деп қарастырайық. Аймақтардың енінде осындай ерекшелік болғандықтан, рұқсат етілмеген аймақ А пен валентті аймақтарының В жиектер тегістелмейді. Жиіктердегі айырмашылық аумақтардың үзілуі болып табылады. Аумақтардың үзілу процессі тасымалдаушылардың тек бір ғана қабатта квантты шектеулігіне жауапты потенциал түзеді, осыдан өлшемді квантты эффект пайда болады. Сондықтан өлшемді квантты эффектен жасалынатын аспап-құралдар үшін, әрбір аумақтың үзілу процессінің өлшемін біліп және оған бақылау жасау өте маңызды. Бірақ біздің екі түрлі жартылайөткізгіштердің аумақтарының үзілуін анықтайтын факторларды түсінуіміз жеткіліксіз болып келеді.
Тағы да зерттеулерге жүгінсек, A - GaAs және B - GaAlAs белгілері бойынша, А және В арасын бөліп тұратын шекара қалыңдығы бір ғана моноқабатты құрайды. Көптеген эксперименттік зерттеулер мен теориялық есептер салыстыра отырып, аумақтардың жиегінің үзілу процессы кенеттен тез болуы мүмкін. Сонымен қатар тікбұрышты шұңқырды басқа да процесстерге жақындатады. Аумақтың үзілуін Дингл және т.б [11] сипаттау үшін Q көбейткіш еңгізілген, өткізгіш зонасының үзілісі мен рұқсат етілмеген аумақтың енінің айырымының (ΔΕg) қатынасына тепе - тең келеді. Мысалы, маңызы зор технологиялық кванттау шұңқырларында GaAsGaAlAs және InGaAsInP Q шамаласы сәйкесінше 0,6 [12] және 0,3 [13] өлшемдеріне тең.
Кванттау нүктесі жақын құрылымның аумақтық ерекшелігі [14] көрсетілген. Гетерожүйенің құрылуы кезінде энергетикалық аумақтың гетерошекарадан екі жағына қатысты орналасуы жартылай өткізгішті материалдардың құрылымына кіретін заттың формасы мен кұрамына байланысты болады [15]. Егер аумақтық диаграмма жартылай өткізгіш жүйеге кіретін екі кірістің біріндегі электрондар мен кемтіктерге энергия бойынша ең төменгі күйді қамтамасыз етсе, онда гетероқұрылым 1-ші типке жатады. Ал егер төменгі энергетикалық күй электрондар үшін тек бір материалда ғана болса, кемтік басқасында болса, онда бұндай жүйе 2-ші типтік болып табылады. Сонымен, екі гетероауысымды 2-ші типті гетероқұрылымда потенциалды шұңқырдың пайда болуы тек бір типті тасушылар үшін болады, яғни тек электрондарда немесе тек кемтіктер. Басқа типті тасушылар үшін тосқауыл тұрады. Осындай гетерожүйенің аумақтық диаграммасын көбіне сатылы деп атайды, өйткені өткізгіш аумақ пен валентты аумақтардың үзілу процессынде бір типті саты пайда болады: әр аумағына гетерошекарасында өршімелі немесе төмендемелі энергия сатысы бөлінеді.
Бір материалдағы кластерде басқа заттың көлемі барлық үш бағытта да тасушылардың қозғалу мүмкіндігін тежеледі. Егер кластердың мөлшерін электрон немесе кемтіктің дебройл толқын ұзындығына немесе экситонның бор радиусына сәйкестендірсе, онда бұндай қосылыстар квантты нүктелер деп аталады [16], ал осындай кластермен кездесетін жартылай өткізгішті құрылым - КТ гетероқұрылым болады [15]. Гетероқұрылымдағы электрондар мен тесіктердің қасиетін кванттау шұңқырындағы тасымалдаушылардың қасиетімен салыстырғанда, тек бір ғана квазибөлшектің газ құрылымымен қарастырмайды. Ең дұрысы локализация күйінің процессын қарастыру. Нанокластердің электрондары мен кемтіктерінің локализация радиусын оның өлшемімен салыстырсақ, көбіне бөлек қоспадағы кішкене сатылы атомдардағы бор радиусынан артып кетеді. Кванттау нүктесінің энергетикалық дәрежесі тереңдеу болуы мүмкін, өйткені кванттау нүктесі терең деңгейдегі қоспа орталығы болып табылады. Кванттау нүктесінің гетероқұрылымы - физиканың басқа тармағы.
Кванттық нүктесіндегі зарядтың локализациясы процессы, қоршаған ортаның потенциалының жүру барысын өзгеруіне әкеліп соғады. Мысал ретінде алатын болсақ, осындай өзгерістерден кейін, кванттық нүктенің айналасында потенциалды шұңқыр пайда болуы және осындай шұңқырда байланған күйлердің түзілу мүмкіндігі келеді. 2-ші типті гетероқұрылымдарда электрондар мен кемтіктердің локальданған күйлері потенциалды шұңқырдағы гетерошекараның әртүрлі жағында пайда болады. Осы күйде болатын электрондар мен кемтіктер кеңістік бойынша бөлінген, және осы күйлер арасында ауысу кеңістікте тікелей жүрмейді.
Қазіргі таңда электронды күйлер арасындағы энергетикалық спектрдың параметрлерын бағалау, ауысу процессының кинетикасын талдау, сонымен қатар корреляциялық эффектті шығару саласы - барлығы кванттық нүктенің фундаментальды зерттеліп жатқан жаңа іргетасы.
Кванттық нүктесі бар гетероқұрылымдардағы GeSi электронды процесстерді электр және оптикалық амал-әдістермен зерттеп, салыстыру мұндай құрылымдарды нано және оптоэлектроника саласында пайдаланудың тиімді екеніне көз жеткізеді. Зерттелген жүйелердің қасиеті кванттық нүктенің параметрлердің бірнешеуіне байланысты (пішіні, өлшемі, матрицаға қатысты торлары), сондықтан осы құрылымдарды зерттеудің мықты әдістері болып физикалық объекттерді модельдеу және есептеу үдерісін жүргізу жұмыстары зерттеу нәтижесін одан сайын арттыра түседі.
1.3 Жарық диодтарының оптикалық қасиеттері
Жарықтандыру үшін қолданылатын жарықдиоды, жобада қолданылатын ток сиякты бірнеше жүздеген мА ден 5 А дейн ток күшін жейтін құрылғылар сияқты кернеу жұмсайды. Жарықдиодының жарықтығы оның жарық ағынына, жарықтың осьтік күшіне және бағыттың диаграммасына байланысты. Қазіргі уақытта қолданыстағы әр түрлі конструкциялы жарықдиоды дене бұрышының 4 тен 140°C дейін сәуле шығарады. Түс - түстілік координатасымен, түстің температурасымен және сәулешығарудың толқын ұзындығымен анықталады.
1.3.1 суретінде AlInGaP негізіндегі қызыл жарық сәулелендіретін диодтарының спектрлері, InGaN негізіндегі көк және жасыл түсті жарқырайтын спектрлері көрсетілген [17]. Жасыл жарық шығаратын жарықдиод спектрі, көгілдір мен қызыл жарыққа қарағанда едәуір ұзын екені байқалады. Бұл индийдің жоғарғы құраушысымен InGaN негізіндегі құрылымдар өсіруінің өзекті мәселесімен байланысты болуы мүмкін. InGaN қабаттарын өсіру кезінде, әсіресе индийдің жоғары құрамы болған кезде оның атомдарының жиналуы немесе кванттық нүктелер түзілетіні анықталды.
1.3.1 суретінде көрсетілген барлық жарықдиодтарының белсенді аймақтары қатты жартылайөткізгішті байланыстардан тұрады. Сәулелену спектрінің ұзындығының үлкеюі жарықдиодтарының белсенді аймақтарынан тұратын, байланыстың химиялық құрамының кездейсоқ флуктуациясы есесінен жүреді. Спектралдық сызықтың күшеюі және спектрлердің жылулық кеңеюіне сәйкес 1,8 kT шамасын асыра алады.
Сурет 1.3.1 - AlInGaPGaAs гетероқұрылым негізіндегі қызыл жарық шығару жарықдиодының сәулелену спектрі.
1.3.2 суретінде инжекция тогына тәуелді жарықдиодтарының әртүрлі сәулелену қуатты түрлері ұсынылған. Идеалды жарықдиодтары үшін мұндай тәуелділік дара көлбеумен сызықты болуы тиіс, яғни мұндай жарықдиодтардың дифференциалдық кванттық тиімділігі бірге тең болуы тиіс. Мұндай тәуелділікке штрихты сызық сәйкес келеді. AlInGaP негізіндегі жарықдиодтар идеалды жарықдиодтарына жақынырақ. InGaP негізіндегі жасыл жарық шығаратын жарықдиодтары үшін тәуелділік көлбеуі бірден алыс, ол InGaN қабаттарының жетілмегендігімен түсіндіріледі, әсіресе индийдің жоғары концентрацияларында.
1.3.3 суретінде әртүрлі типтегі жарықдиодтарының сәулелену интенсивтілігінің температуралық тәуелділігі көрсетілген. III топтағы нитридтер негізіндегі жарықдиодтарының AlInGaP негізіндегі жарықдиодтарына қарағанда сәулелену интенсивтілігі температурамен әлдеқайда әлсіз өзгеретіні көрініп тұр. Ол келесімен түсіндіріледі:
- Біріншіден, III топтағы нитридтер негізіндегі кеңаймақтық материалдардағы белсенді және бөгеттік қабаттар арасында АIIIBV жүйесіндегілерге қарағанда потенциалдық бөгеті әлдеқайда биік. Сол себепті, тасушыларға бұл бөгеттерден өту қиын, ол белсенді облыстағы тасушылардың азаю ықтималдығын төмендетеді.
- Екіншіден, аймақтардың қиылысу нүктесі (жартылайөткізгіш тікаймақтық болмай тікаймақтық емеске айналған кезде) AlInGaP үшін 555нм толқын ұзындығына сай келеді. Температураның көтерілген кезінде тікемес ауысулары аймағының тұрақталуы көтеріледі, ол сәулелену тиімділігін төмендетеді.
Сурет 1.3.2 - AlInGaPGaAs негізіндегі қызыл жарық шығаратын жарықдиодтары үшін сәулеленудің шығару қуатының және бөлме температурасындағы InGaNGaN негізіндегі көк,жасыл жарық шығаратын жарықдиодтарының инжекция тогына тәуелділігі.
Сурет 1.3.3 - AlInGaPGaAs негізіндегі қызыл жарық шығаратын, InGaNGaN негізіндегі көк және жасыл жарық шығаратын жарықдиодтарының сәулелену интенсивтілігінің температураға тәуелділігі.
Жасыл жарық шығаратын жарықдиодтары үшін жоғары концентрациялы индиймен InGaN белсенді қабаттарындағы тасушылардың инжекциясы кезінде шығындар көбейеді. Жарықдиодтарына берілетін сыртқы кернеуімен толтырылатын энергия фонондардың сәулеленуіне шығындалады [18].
1.4 Кеуек кремнийдің фотолюминесценттік қасиеттері
Монокристаллды Si пластинасының бетінде қалыптасақан кеуекті қабат, нанометрлі өлшемді кремний кластерлері мен квантты жіптерден құралған. Олардың беті жарым-жартылай тотыққан, бірен-сарандап сутегі атомымен және гидроксильді топтармен жабылған [19,20]. Кеуек кремний (КК) сирек кездесетін физика химиялық қасиеттерге ие материал. Ол көптеген кеуектермен тізілген және салыстырмалы ауданы 1 см3 қа 600 м2 келетін жақсы жетілген бетімен сипатталады.
Қазіргі уақытта заманауи материалтану аумағында жасалынған көптеген жұмыстар кеуек кремнийді сенсорлы, каталитикалық, фотолюминесцентті қасиеттерін зерттеуге арналған.
Осы берілген сәтте кеуекті кремнийдің фотолюминесцентті үлгісі мен механизмінің бірнеше ортақ гипотезасы бар. ФЛ - ның ертеден келе жатқан және кең қолданысқа ие үлгілерінің бірі - квантөлшемді моделі болып табылады [21,22]. Үлгілердің мынадай түрлері бар, люминесценция - Si-H байланысының болуының нәтижесі, бұл байланыс кеуек кремнийдің (нано) столбының бетінде аморфты қабаттың түзілуі мен оның сутектену процессі нәтижиесінде пайда болады [23]. Фотолюминесценцияның тағыда бір үлгісі бар, ол кеуекті кремнийде Si-SiO2 шекараларының болуымен белгілі. Болжамдарға қарағанда ФЛ пайда болуына ақаулармен қаныққан Si-SiOx шекарасы жауапты [24-25]. Кеуекті кремнийдің жоғары салыстырмалы беті оған анағұрлым сорбциялық қасиетімен қамтамасыз етеді. Бұл КК негізінде әртүрлі сенсорларды дайындауға ыңғайлы [26].
Монокристалдық кремнийде кеуекті қабатты қорытылатын қышқыл негізінде спиртті ерітіндімен электрохимиялық өңдеу әдісімен оңай алуға болады. Бұл процессте кеуектің немесе кеуекті қабаттың мөлшерін және тереңдігін бақылауға болады. Ал егер электролиттің құрамын өзгертсе белгілі бір дәрежеге дейін кеуектің беттік құрамын басқаруға болады. Осы жағдайда да кеуек бетінде әлсіз кремний - сутекті байланыстардың болуы КК қасиеттерінің уақытқа тәуелсіздігін қамтамасыз етеді. Кеуекті қабат атмосферада сақталып тұрғанда, Si-H байланысының бұзылып орнына кремний - оттек байланысының түзілуі арқасында оның жаймендеп тотығуы оның фотолюминесценция қасиетін төмендетіп, материалдың сорбциялы сипаттамасын нашарлатады [25].
Осыған байланысты соңғы кезде кеуекті кремнийдің бетін пассивтеу әдістері белсенді жасалуда. Бұл кеуектегі беттік қабаттардың деградациясын басуға рұқсат береді. Басқа бетінен алып қараса КК беттік модификациясы осы материал негізінде жасалынатын сенсорлы құрылғылар мен биологиялық объектілерді тіркеуге арналған төсеніштерге қажет белгілі параметрлерін алуға рұқсат береді. КК ауада сақтаған кездегі беттік деградацияны болдырмау үшін беттің пассивтенуінің әртүрлі әдістері ұсынылды. Олар үлгінің оттекті ортада тез тотығуын қосады, бетті жұқа металлоттекті және полимерлі қабықтармен және т.б. қаптау арқылы [28- 30].
[31,32] жұмыстарында кеуек кремний бетін түрлі органикалық қосылыстарда өңдеуге ұсыныс берілген. Сол кезде авторлар пікірі бойынша кеуек бетінде тікелей бір қабат түзіледі. Бұл қабат уақыт бойынша тұрақты Si-C байланысымен қаныққан және материалдың фотолюминесценттік қасиеттерін нашарлатпайды [31]. Ең жақсысы, [33,34] жұмыстарында синтетикалық полимерлер қышықылында өңделген КК нанокристалдары біршама ұзақ уақыт мезетінде де тұрақты фотолюминесценцияға ие болаты көрсетілген. [24, 36-37] жұмыстарында n-типті кеуекті кремний және соның негізіндегі 3d-металл нанокомпозиттін интенсивтілігінің ФЛ пикінің орналасуына тәуелділігі зерттелінген. Ол үлгілер кремний төсенішіне фосфорды легирлеу арқылы алынған. Үлгілердің фазалық құрамы тәжірбиелі ультражұмсақ рентгендік эмиссионды Si L2,3 спектрін эталонды фаза арқылы және Оже - спекторскопын қолдану арқылы модельдеумен анықталды.
Кеуекті кремний үлгілері қорытылатын қышқылды, изопропилді спиртті және сутек тотығын қолданумен n-типті кремний төсенішінің КЭФ электрохимиялық өңдеу арқылы алуға болады. Кеуекті кремний үлгілері атмосферада 1, 3, 7 , 14 және 40 күн бойы ұсталып тұрды. Үлгілердің атмосферада 1 күннен 40 күнге дейін ұсталуының нәтижиесіндегі табиғи ескіру процессі арқасында, олардың электронды құрылымы және фотолюминесценциялық қасиеті ультражұмсақ рентгендік эмиссионды спектроския USXES (Ultra Soft X-ray Emission Spectroscopy) [24,25,27] арқылы зерттелінген. 3d-металлдарының гальваникалық тұндыруы сульфаттардың сәйкес тұздарының Fe, Co, Ni сулы ерітіндісінде стандартты методикамен кеуекті кремнийдің әуелгі қабатында жасалынды.
3d - металлpor-Si нанокомпозитінің фотолюминесценциясы МГУ физикалық факультетінде Hamamatsu (сезімталдылығының спектральды диапазоны 200-1100нм) камерасы бар Solar TIICCD автоматтандырылған спектрометрінде өлшенді. Өлшеу бөлме температурасында жасалды, толқын ұзындығы 250нм болатын газоразрядты лампаның 1 мВт қуатында қоздырылған сәулелену режимі алынды.
Кеуекті кремний құрамы және қасиеттері уақыт бойынша өзгеретін, жеткілікті түрде күрделі көпфазалы жүйе құрайтыны белгілі. Кеуекті қабат, ережеге сай, кристаллдық кремний және SiOx дефектті оксидінен, стехиометрлік SiO2 кремний оксиді және де аморфты кремний мен реттелмеген кремнийдің түрлі формасынан құралуы тиіс. Үлгілердің атмосферада болуының уақыты өскен сайын кеуекті қабаттың тотығуы байқалады, ал ол болса кристаллдық, аморфты кремний және окидті фазалардың қатынасын соңғы фаза пайдасына қарай өзгертеді [24,36].
Зерттелетін кеуекті кремний үлгілерінің фотолюминесценция спектрі 1.4.1а және 1.4.1б суретінде көрсетілген. Жаңа дайындалған үлгілердің ФЛ интенсивтілігі максимальды, кейін 3 күннен соң айтарлықтай төмендейді және кейінгі мезгіл ағысында интенсивтіліктің түсуі төмендейді. Сол кезде де үлгілердің ФЛ пикі уақыт өте жоғары энергия 1.75 эВ ден 2 эВ (толқын ұзындығы төмен) жағына ығысады. Және кеуекті кремнийдің 0.35 ден 0.45эВ ФЛ сызығының мардымсыз кеңеюі байқалады.
1 күннен 35 күнге дейін атмосферада ұсталған:
а) қалыпсыз, б) бірлікке нормирленген [18].
Сурет 1.4.1- n-типті кеуекті кремнийдің үлгісінің фотолюминесценция спектрі
USXES берілгендері мен ФЛ деректерін сәйкестендірсе, кеуекті кремнийдің фазалық құрамында дефекті бар оксидті ақау пайда болған кезде үлгінің ФЛ спектрінің интенсивтілігінің төмендеуі байқалады. Үлгінің фазалық құрамында SiOx максимальды болса ФЛ интенсивтілігі минимальды болады, ал егер жаңа дайындалған кеуекті кремнийдің беттік қабатында дефектті оксид болмаса ФЛ интенсивтілігі максимальды болады. Осы жағдайда мынадай болжамға келуге болады, кеуекті кремнийдің беттік қабатындағы SiOх дефектісі сәулелендірмейтін рекомбинация центрлері болады, ол көрінетін диапазонындағы сәулелену қасиетіне кері әсер береді. Атмосферада ұсталған кремнийдің оксидті фазасының бөлігі уақыт өте келе үлкейеді. Осындай 1.75-2 эВ аумағындағы ФЛ шамамен ~ 3 - 4нм өлшемді кластерлер мен кристаллдары бар кеуекті кремнийге сәйкес келеді [38]. ФЛ пикі жағдайының жоғары энергия жағына ығысып өзгеруі, Si L2,3 USXES кеуекті кремнийдің спектрін модельдеу нәтижиесінде, жоғарыда көрсетілген кристаллдықаморфты фазалардың қатынасының өзгеруімен бірге қатар жүреді.
1.4.2 суретте 3d-металлдарымен бөлме температурасында толқын ұзындығы 250 нм газоразрядты лампаны қоздыру кезінде тұндырылған por-Si және por-Si үлгілерінің ФЛ спектрлері көрсетілген (атмосферада 6 айға дейін ұсталынған ). Біздің алдыңғы зерттеулерімізге сай ультражұмсақ рентгендік спектроскопия әдісімен, соның ішінде синхротронды сәулелену көзін, кеуекті кремний негізіндегі 3d-металл нанокомпозиттерінің электронды құрылымын [19,21,27], кеуекті кремнийге темірді қондыруды қолдану Si аморфты фазасының мөлшерінің өсуіне, және кеуекті кремнийдің беттік қабатындағы оксидті фазаның үлесін төмендетуге әкеледі. Кобальтты тұндыру нәтижиесінде кеуекті кремнийдің беттік қабатындағы стехиометриялық SiO2 құрамының ұлғаюы байқалады, бұл ретте кобальт - кремний байланыстарының түзілуі мүмкін. Сонымен темір кеуектің беттік қабатында металл оксиді мен кремнийден тұратын пленка түзеді, ал кобальт оксидпен қапталған металлдық түйіршік түзіп кеуектің тереңіне енеді. Никель үшін темірдің сипаттамасына қарағанда кобальттың сипаттамасы ұқсайды.
а) 3d- металлдарымен қондырылған por-Si және por-Si үлгілері (қоздыру барысы λ = 250 нм, 6 ай атмосферада ұсталған); б) бірлікке нормаланған.
Сурет 1.4.2- ФЛ спектрлері
Алынған мағлұматтарға сай (сурет 1.4.2 а), төменде көрсетілген металлдармен қондырылған үлгілердің фотолюминесценция интенсивтілігі бастапқы үлгіге қарағанда төменірек. Бұны мына жағдаймен түсіндіруге болады, үлгілердің беттік қабатындағы аморфты фаза мен субоксидті кремний қатынасының өзгерісінен басқа, металлды кеуектерге еңдіру зарядтардың локальды қайта таралуына және экрандау эффектісіне алып келеді.
Зерттелетін үлгілердің фотолюминесценция пиктерін салыстыру үшін, спектрлерді бірлікке нормалау жасау жұмыстары жүргізілген болатын. Кеуекті кремний және Fe, Co мен Ni тұндырылған por-Si нормирленген спектрлері 1.4.2 б суретінде көрсетілген. Co және Ni тұндырылған үлгілердің ФЛ пикі por - Si және por - Si:Fe үлгілеріне қатысты қысқа толқын аумағына қарай 20 нм (~0.1эВ) ығысты. Бұндай сипаттама жоғарыда көрсетілген ФЛ механизмінің өзгерісіне байланысты. Жұмыста n-типті кеуекті кремний үлгісінің фазалық құрамынан оның интенсивтілігі мен фотолюминесценция пикінің орналасу тәуелділігі көрсетілген. ФЛ пикінің орналасуы 1.75 - 2эВ аралығында өзгеретіні анықталды, ол por-Si нанокристалдық немесе қандайда бір аморфты фазаның көптігінен тәуелді. Үлгілерде оксидті дефекттердің мөлшерінің қатысты үлкеюі ФЛ интенсивтілігінің айтарлықтай төмендеуіне алып келеді. Ферромагнетикпен араласқан кеуекті кремний негізіндегі нанокомпозиттің оптикалық қасиеттерін кеуекті кремний матрицасына белгілі бір өтпелі металлды немесе металл қоспасын қосу арқылы өзгертуге болатыны көрсетілген. Бұл ақпарат жазу мен метаматериалды жаңа құрылғыларды дайындауда осы тәсілдің тиімділігіне көз жеткізеді.
[34] жұмысында кеуекті кремнийдің морфологиясы мен электронды құрылысын зерттеу жұмыстары жасалынған, ол полиакрилды қышқылды ерітінде өңдегеннен кейін және полиакрилды қышқылды ерітінде өңдегенге дейінгі әртүрлі шартта электрохимиялық өңдеумен алынған. 1.4.3 суретінде 445нм толқын ұзындықтағы көзбен қоздырылған кездегі полиакрилды қышқылды ерітінде өңдегеннен кейін және дейін алынған n - типті кеуекті кремний фотолюминесценция спектрлері көрсетілген. ФЛ спектрлері үлгілерді алғаннан кейін 2 аптадан кейін тіркелген болатын.
n - типті кеуекті кремний үлгісінің ФЛ зонасы күрделі формалы болып келеді. Онда бірнеше ерекшеліктер бөлініп шығады, ол ерекшеліктер кеуекті қабаттың әртүрлі өлшемді нанокристаллдарының люминесценциясынада, беттің күрделі сәулешығаратынсәулешығармайтын рекомбинация процесстеріне де сәйкес келе алады [39,40]. Полиакрилды қышқылда өңдегеннен кейін үлгінің ФЛ интенсивтілігі өсуінің мәнін SiOx тен SiO2 дефектті субоксидтің тотығуына дейінгі сәулешығармайтын рекомбинация центрінің мөлшерінің төмендеуімен түсіндіруге болады [39]. ФЛ зонасының бірдей жалпақтылығы мен формасы кезінде, полиакрилды қышқылда өңдегеннен кейін үлгінің ФЛ интенсивтілігінің максимумы өнделмеген үлгілерге қатысты жоғары толқын ұзындық жағына ығысады, ол және де беттің өңделуінің беттік қабаттағы люминесценция центрлеріне әсер етуінің күрделілігін сипаттайды. Атмосферада бір ай бойы ұсталған 1 сериялы үлгінің люминесценция спектрлері үшін де, екі апта бойы ұсталған үлгілер үшінде дәл осындай жағдай байқалады. ПАҚ өңдегенге дейін және кейін кеуекті кремний үлгісінің ФЛ спектрінің интенсивтілігінің қатынасы және жолақтың формасы мен ені өзгермейді. Бұл жағдайда, үлгінің ФЛ интенсивтілігінің жалпы төмендеуі және ФЛ максимумының (~ 0,1eV) үлкен толқын ұзындығы аумағына азғантай ығысуы байқалады.
Толқын ұзындығы 370-445нм болатын қуат көзімен қоздырылған кезде ерітіндіге ДМФА қосылу арқылы алынған макрокеуекті кремнийдің үлгілері [39], өңдегенге дейін айқын ФЛ қөрсетпеген. Үлгілерді ПАҚ өңдегеннен кейін дәл алдындағы қуат көзімен қоздырылғанда 520 нм аумағында үлгінің анық жасыл максимумды фотолюминесценциясы тіркелген болатын (сурет 1.4.4).
1сериялы
полиакрилды қышқыл ерітіндісінде өңдеуге дейін (төменгі)
және өңдеуден кейін (жоғарғы).
Сурет 1.4.3 - Үлгілердің фотолюминесценция спектрі
Қоздырылатын сәулелендірудің толқын ұзындығы 445 нм. Атмосферада ұсталған уақыт 1 ай
Сурет 1.4.4 - ПАҚ өңдегеннен кейінгі макрокеуекті кремний үлгісінің ФЛ спектрі.
Осы берілгендерді үлгінің құрамының берілгенімен келістіре отырып, ФЛ пайда болуы КК бетінен оксидті кремнийді алып тастаумен және онда нанокристаллдық кремнийдің пайда болуымен байланысты деп айтуға болады.
1.5 Кремний негізіндегі наносым
Наносым, наноөткізгіш немесе квантты мұрт (эффективті диаметрде 1-100 нм және ұзындыққа микрондар) бұл кеңістікте квантты өлшемді эффектті және объекттің басты белдігін бойлаған электрондардың еркін қозғалысын демонстрация жасайтын, мұрттың басты белдігіне перпендикуляр объект. Ережеге сай наносымдар, еркін тұратын өте үлкен болып келетін құрылымдар болып келеді. Квантты мұрт ұзындықтын диаметрге қатынасы аздау болатын еңдірілген құрылым болып келеді [41], немесе бір (субстратпен немесе металлдық катализатордың тамшысымен) немесе бірнеше аралық қабаттардан тұратын апериодтық құрылым.
Квантты нанообъектті жасаудың қарапайым әдісі болып, жартылай өткізгішті гетероқұрылымда электростатикалық тосқауыл немесе химиялық өңдеу технологиясын қолдана отырып электронды газдың қозғалғыштығын шектеу атқарады. Бұндай манипуляциялар квантты нүктенің 0D потенциалы немесе квантты наномұрттың 1D потенциалын тудырады, олар өткізгіш зонаның электрондарының сипатын анықтайды [42]. Осындай құрылымдарды технологиялық реализация жасау спецификалық әлі де толық зерттелмеген квантты эффекттің негіздерін шығарды.
Күшті квантты өлшемді эффект объекттердің базалық қасиеттерін бақылайды. Мысал ретінде Холлдың квантты эффектісін, баллистикалық өткізгіштікті және кулондық блокаданы айтуға болады [43]. Өз кезегінде жоғарыда айтылған физикалық құбылыстар наномұрттағы электронның жоғары қозғалғыштығын, квантты шығуды жоғарылатады, квант өлшемді шектеудің дәрежесі көбейгенде лазерлі сәулеленудің төменгі генерация табалдырығын және наномұрт негізіндегі күн батареясы, ИҚ детекторлар, жазықтық трансизторлар сияқты жаңа құрылымдарды дайындауда көбірек тиімділігін алып келеді [44].
Ережеге сай жартылай өткізгішті наномұрттар бу-сұйықтық-қатты дене технологиясын және катализатор ретінде металлдық кластерлерді қолдану арқылы синтезделеді. Бұл процессте нанокластер жартылайөткізгішті заттың буының көзі бар металл - жартылайөткізгіш жүйе үшін эвтектика балқуынан жоғары температураға дейін қыздырылады. Процессте жартылайөткізгішті затты будың көзі металлжартылайөткізгіш балқымасының нанотамшысын түзілуіне әкеледі. Жартылайөткізгішті будың реагентінің металлжартылайөткізгіш тамшысына тұрақты беріліп отыруы жартылайөткізгішті нанокластердің кристаллизациясына әкеліп соғады. Сұйықтыққатты дене шекарасы мұрттың құрылымы мен өсуінің параметрін анықтайтын құйманың тамшысы бар нанокристаллдың шекарасының өсуінің түзілуіне алып келеді. CVD процессінде металлдық нанокластерлер жартылайөткізгішті реагенттің газтәрізді көзін тудыратын прекурсорлардың жайылуының жағындағы жеріндегі катализатор қызметін атқарады. Мысалға кремний наномұртының өсуі үшін моносилан және кристаллдық кремнийге қондырылған алтынның, темір немесе алюминийдің нонокластері қолданылады. Нанокластерлі металы бар моно және нанокристаллдық кремнийдің интерфейс рөлін анықтайтын, ерекше теориялық әдістері осы объекттердің күрделілігінен әлі толық зерттелмеген [45].
Идеалды наноқұрылымды кремнийдің электронды қасиеттері теориялық зерттелгеніне қарамастан екі немесе одан да көп түрлі бөліктерден құралған күрделі реалды нанокұрылымдардың қасиеттері әлі күнге дейін теориялық зерттелмеген болып есептеледі. Осылай көрсетілген кремний наномұртының зоналық құрылымы ‹110› әртүрлі еңдікті түзу және түзу емес рұқсат етілмеген саңылаулы болатыны байқалған [46].
Голдберг типті кремнийлі квантты нүктенің және олардың негізіндегі конгломератты құрылымдар атомдық құрылысы зерттелген болатын ... жалғасы
Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.
Қазіргі таңда монокристалды кремний микроэлектрониканың негізгі материалы болып табылады, ал болжамалы келешекте бұл материал өлшемді кванттау эффектісін қолдану негізінде құралған жаңа бағыттың дамуына үлкен қызығушылық әкеледі. Бірақ жаңа бағыттың алғашқы қадамдарынан бастап кремний материалының бірқатар физикалық қасиеттері осы бағыттың дамуын шектейтіні айқын болды, мысалы фотоэлектроникада, элементтің сәулеленетін рекомбинация ықтималдығы төмен, себебі тасымалдаушылардың рекомбинация процессі кезінде тура ауысу тыйым салынған. Кейін келе кремний негізінде құрылымдарды жасауға арналған жаңа бағыттар, соның ішінде кванттыөлшемді, бұл қиындықты шеше алатыны және оның қолдану аясын лезде үлкейтетіні анықталды.
Соңғы кезде ғалымдардың еңбектері кванттық нүктелері (КН) бар жүйелерді жасауға негізделген. Бұл жүйелер жартылайөткізгішті матрицадағы наноөлшемді атомды кластерлер массиві түрінде болады. Энергетикалық күйдің дискретті спектрі бұндай кластерлерді атомдардың жасанды аналогтарына жатқызуға рұқсат береді, кластерлерде көп мөлшерде бөлшектердің болғанына қарамай. КН өлшемін, формасын және құрамын әртүрлі бақыланатын технологиялық әдістерді қолдана отырып өзгертсе, көптеген табиғи элементтердің аналогтарын алуға болады.
Наноэлектронды құрылғылар және құрылымдар жасау үшін бүгінгі таңда микроэлектроникалық технология айналасында жеткілікті түрде жақсы дайындалған әдістер қолданылады, оған молекулярлы-сәулелі эпитаксия, газ фазасынан отырғызу және ионды синтез жатады. Соңғы бағыт, болашағы көбірек болып саналады, бірақ технологиялық жетістіктер және теориялық оқылулар қазіргі уақытта жеткіліксіз.
Кванттыөлшемді құрылымдарды зерттеу үшін бірқатар әдістер тізімі қолданылады: сканирлеуші туннельді микроскоп (СТМ), атомды күшті микроскоп (АКМ), жарықтану электронды микроскоп (ЖЭМ), асажоғарывакуумды шағылдыратын электронды микроскоп (АЖВ ШЭМ).
Қазіргі уақытта КН негізінде жарықдиод, медициникалық бояғыштар, маңызды құжаттарды қорғау үшін көрінбейтін қара сия жасау үстінде. Осы күні Sony компаниясы КН базасында теледидар шығару туралы жария салды.
1 ЖАРЫҚСӘУЛЕШЫҒАРАТЫН ҚҰРЫЛЫМ -
ҒЫЛЫМИ ПРОГРЕСС
Көп жерлерде қолданылатын макроскопиялық кремний, бүкіл электронды индустрияның негізін қалайды, бірақ осы жағдайға қарамастан ол жарықты оңдай жақсы абсорбцияламайды және бұдан да нашар жарықты өзінен шығарады. Осы жағдай жарықтың эмиссиясы қажет жерде кремний элементін таңдауды қиындатады. Егер кристалл өлшемін нанометрге дейін қысқартсақ, көп жағдай өзгереді. Si негізді квантты нүктелер көрінетін диапазонда өте жарық люминесценция қасиетіне ие, оның түсі осы бөлшектердің өлшеміне тікелей байланысты екен. Осы жағдай Si негізді квантты нүктелерден жарықдиодтарды және лазер көздерін шығаруда қызығушылық тудырады.
Рекомбинация кезінде әртүрлі жартылайөткізгішті материалдар эффективті жарық шығарады. Жақсы сәуле шығаратындарға AIIIBV типті тікаймақтық жартылайөткізгіштер (мысалы: GaAs немесе InP) және AIIBVI типті (мысалы: ZnSe немесе CdTe) жатады. Жартылайөткізгіштердің құрамын сараптай отырып, әртүрлі толқынды ультрафиолеттен (GaN) орташа инфрақызыл (PbS) диапазонға дейін жарықдиодтарын жасауға болады.
Жарықдиодтар, немесе жарық шығаратын диодтар (ағылшынша LED - light emitting diode) алдыңғы ғасырдың 60-шы жылдарында пайда болған. Олардың жарық ағыны өте әлсіз болған, тек қана 0,001 лм, ал түсі тек қызыл бола алды. 1976 жылы сары, жасыл - сары, сарғылт түсті, соңшалықты жарық оларды тіпті күн жарығында да көре алуға болатын еді. Бастапқыда олар тек аудио-, видеоаппаратурада және тұрмыс техникасында миниатюрлі индикатор ретінде ғана қолданылды, тек 1985 жылы олардың жарық ағыны 0,1 лм ден 1 - 100 лм үлкейген кезде ғана жарықдиодтарды жеке түрдегі жарық элементтерін жасауда қолданылған болатын.
1990 жылы жартылайөткізгіштердің жарықберуі 10 лмВт жеткен болатын, және осы жағдай оларды қыздыру лампасының орының басуға мүмкіндік берді. 1993 жылы Nichia компаниясы әлемдегі бірінші көк жарықдиодтарының индустриалды шығарылымын бастауға жол ашты. Компанияда 2002 жылғы көк жарықдиодтары шаруашылығының бір бөлігі шаруашылықтың жалпы көлемінен 60 пайызға өсті. Ал америкалық компания Hewlett - Packard жарықдиодтарын 1 млн. сағат (120 жыл тоқтаусыз жұмыс уақыты) бойы жұмыс жасайтын жағдай болатынын жариялады. Сары, жасыл, қызыл - сарғылт түсті жарықдиодтарының жарық беруі 20 лмВт асып кетті. Осының бәрі жарықдиодтарын жоғары эффективті жарық көздері ретінде әр түрлі облыстарда қолдануға әкелді: оларды бағдаршамда және активті жол белгілерінде, автокөлікте, жарық рекламасында, көптүсті жарықдиодты дисплейлерде, архитектурлы және декоративті жарықберу құрылғыларында т.б. Ең соңында жарық көзі жарықдиод болатын жарықберетін құрылғылар біздің қолдануымызға шықты.
1.1 Кванттық нүктелері бар жартылайөткізгіштердің негізгі қасиеттері
Егер жартылайөткізгішті кристалдың өлшемін бірнеше ондыққа немесе кристалдағы жүздеген атомаралық арақашықтықа кішірейтсе, онда материалдың бүкіл негізгі сипаттамалары өлшемді кванттау эффектісі әсерінен түбегейлі өзгеріске ұшырайды [1]. Кванттық нүкте бұл жартылай өткізгіштің бірнеше оңдаған немесе бірнеше жүздеген кіші бөлшектері, бір иненің ұшында олар миллионнан кем болмайды. Өлшемді кванттаудың соңғы жағдайы үш өлшемде де заряд тасымалдаушылары шектеулі құрылымдарда орындалады. "Суператом" немесе "квантты нүкте" көлемді жартылайөткізгіш жағдайына қарағанда электронды спектрдің көкейтесті модификациясының мүмкіндігін береді. Теориялық есептеу бойынша, құрылғылар, мысалы кванттық нүктені активті орта ретінде қолданатын диодты лазерлер қазіргі уақытта кең қолданысқа ие квантты шұңқырдағы лазерлерге қарағанда жақсырақ қасиеттерге ие болуы керек [2]: үлкен күшейту коэффициенті (material gain), азайтылған табалдырықты ток тығыздығы, тор температурасына зердесіздігі, таңдаулы динамикалық сипаттама және сәулеленетін рекомбинация квант энергиясын бақылау мүмкіндігі.
Кванттық нүктенің электронды спектрі тыйым салынған күй зонасымен ажыратылған дискретті деңгейлер жинағы күйінде келеді, дегенмен бұл жағдайда реалды КН мыңдаған атомдардан құралғанымен, біртекті атомның электронды спектріне ұқсас болады. Электрон осы энергетикалық деңгейлермен ауысқан кезде люминесценция эффекті пайда болады. Құрылғылы көзқарас бойынша, егер деңгейлер арасындағы қашықтық жылу энергиясына қарағанда әлдеқайда үлкен болғанда, квантты нүктелердегі тасымалдаушылардың атомтектес электронды спектрі заманауи микро- және оптоэлектрониканың негізгі проблемасын шеше алады. Ол жоғарылатылған жұмыс температурасында құрылғының деградациясына алып келетін энергетикалық терезесіндегі κT тәртібімен заряд тасушылардың спектрінің "жайылуы". Материалды қолдануға қажет негізгі сипаттамалар, мысалы, сәулеленентін рекомбинация уақыты, электрондардың деңгейасты (подуровень) арасындағы энергетикалық релаксация уақыты, Оже-рекомбинация коэффициенті т.б., квантты нүктенің өлшемі мен геометриялық формасынан тікелей тәуелді екені айқындалады. КН өлшемінің төменгі шегі КН-де тым болмаса бір электронды деңгей болатын өлшеммен анықталады.
Оптоэлектрониканың құрылғыларында КН қолдану үшін, олар ішінде дислокациялар мен нүктелік ақауларды болдырмау керек. Ал КН формалайтын гетерошекаралар төмен жылдамдықты беттік рекомбинацияға ие болуы тиіс. Бұл жағдайлар КН алатын әдістерді артығырақ етеді. Лазерлерде жоғары модальды күшейту(modal gain) орындау үшін КН тығыз массивтері (~10 cм) қажет [3].
1.2 Кванттық нүктесі бар кристаллдардың аумақтық құрылымы
Кванттық нүктесі бар кристаллдардың аумақтық құрылымының ерекшелігі [4] жұмысында анық көрсетілген. Кристаллдағы еркін заряд тасымалдаушысы блох толқыны тілінде суреттеледі, олар осының ішінде тарала алады. Енді кристалды шекті деп елестетіп, блох толқынын шағылыстыра алатын, бір-бірінен L арақашықтықта орналысқан екі шексіз ұзын параллельды тосқауыл бар деп ойлайық. Онда осы толқындардың кеңістікті шектеулі екендігі байқалады. Толқындардың классикалық мысалы болып, бір өлшемде екі өткізбейтін тосқауылмен шектелген, екі фиксирленген ұшы бар тербелмелі шек (струна) болып табылады. Бізге белгілі, бұндай шектің нормальды тербеліс үлгісі ұзындығы λ шамасындағы төмендегі дискретті мағынаны қабылдайтын тік толқынды сипаттай алатын шама.
λn=
(1.2.1)
oсындағы n= 1,2,3... Басқа классикалық мысал ретінде интерферометр Фаби-Перо болып табылады. Шеткі айналардағы көптеген шағылулардың нәтижесінде, резонатор түзе алатын, электромагнитты толқын интерферометрі арқылы өтетін өткізу спектрінде арнайы толқын ұзындығында максимумдар мен минимумдар пайда болады. Егер резонатордың ішкі кеңістігі ауаға толы болса, интерференцияның құрылымдық шарты (1.2.1) шамасы бола алады.
Өткізу минимумында интерферометрдегі толқынынды жабық түрде деп есептелінеді.
Эффективті массасы m* бар еркін бөлшек үшін, егер кристаллдағы z бағыты арқылы өтетін қозғалыс өткізбейтін тосқауылдармен шектелсе (яғни шексіз потенциялды энергиясы бар тосқауылдар), блох толқынының толқынды векторының κz рұқсат етілген мәні төмендегідей түрде болады:
κzn = =
(1.2.2)
осындағы n=1,2,3 ..., ал негізгі күйдің энергиясы шексіз күйдің энергиясына қарағанда бір шама өлшемге өседі.
ΔE = =
(1.2.3)
мұндағы көрсетілген h - Планк тұрақтысы.
Осындай энергияның өсуі процессі бөлшектердің өлшемді кванттау энергиясы болып табылады. Өлшемдік кванттау энергиясы квант механикасындағы анықталмағандық принципінің салдары. Егер бөлшек кеңістікте L арақашықтығы шамасына шектелген болса (біздің жағдайда - Z бағытын бойлайды ), анықталмаған компонентінің импульсы hL мөлшеріне дейін өседі. Бөлшектердің кинетикалық энергиясының сәйкестеніп өсуі (1.2.3) шамасымен сипатталады. Сондықтан жоғарыда қарастырылған эффектті жиі квантөлшемді эффект деп атайды. Бөлшектің минимальды энергиясының өсуінен басқа квантөлшемді эффект оның қозған күйлерін энергиямен квантталуы жүргізеді. Бірқалыпты шексіз потенциал тікбұрышты шұңқыр энергиясының қозу күйі n2ΔΕ шамамен де белгіленеді, мұндағы n = 1,2,3..., (1.2.2) теңдеуіменде белгіленеді.
Жоғарыда айтылған тосқауылмен шартталған шектеумен, қоспаларда шашырау нәтижиесінің локализация айырмашылығын білу қажет. Жартылай өткізгіштерде еркін заряд тасушылар орташа шашырау уақытмен (τ) фотондармен дефектерде шашырайды, осы уақыт ішінде олардың еркін жүгіруінің орташа ұзындығын анықтауға болады. Осындай шашырау процессі бөлшектердің қалпындағы анықталмағандық шамасында азайтып, керісінше оның импульсындағы анықталмағандық шамасын көбейте алады. Соңғысы (1.2.3) L2~l2 шамасымен алынатын бөлшек энергиясының анықталмағандығына әкеліп соғады. Мұндай эффект көбінесе қатты денеде кездесетін дефекттер мен атомдардың ретсіз орналасу әсерінен болып, квант шектеу эффектісінен өзгеше болады. Екі нәтиженің өзгешелігіне көз жеткізу әдістерінің бірі болып толқынды векторды κz шектеу қойылған бағытты бойлай зерттеу қажет. Қозғалысы шашырамайтын және КЯ шектеулі бөлшектердің толқын векторы дискретті, себебі ол тік толқынмен теңдесіп белгілі бір шамада белгіленеді (1.2.2). Ақаулардағы (кемістігі бар аумақтар) шашырау процессі толқындық фазаның бұзылуына әсер береді, сондықтан оның амплитудасы еркін жүгірудің орташа ұзындығы маңында экспоненциалды түрде кемиді. Осындай кеміп бара жатырған толқындарды Фурье түрлендіруі бойынша зерттесе, κz шамасы дискретті болмайды екен, ол ені 1 l шамасына тең лоренцті таралуына ие. [5] жұмысында жиілік бойынша ығысатын фонондардың (кристалдық тордағы серпімді толқынға сәйкес квазибөлшек) модельдік бағасы l мен оптикалық фонондардың кеңіте түсу белгісінің үлгісі көрсетілген, үлгі иондық имплантация (қатты денені қоспалық заттың иондарымен соққылау арқылы оған легирлейтін қоспаларды енгізу) арқылы алынып, дефектерді таратпауға жол салған.
Көптеген қоздырулардың өмірі қысқа болып келеді, мысалы: оптикалық фонондар басқа фонодармен жанасу процессі нәтижиесінде өшіп қалады (ангармоникалық процесс нәтижиесімен) [6] немесе ақаудың әсерінен, Г.Роль еңбектерінде сипатталатын тұрақты сөну процессі нәтижиесінде пайда болатын білінбейтін энергия бөлініп, ол энергетикалық деңгейлердің кеңейе түсуіне әкеліп соғады. Сондықтан өлшемді квант эффекті пайда болу үшін, квант энергиясының болуы қажет, кем дегенде Г. бірлігіне тең болуы керек. (1.2.3) теңдеуінде көрсетілгендей, баламалы L ұзындығына сәйкестендірілуі қажет, квант эффектісіне ұқсас басқа да нәтижелердің болуы мүмкін. Басқаша сөзбен айтқанда егер L шамасы тым үлкен болса, тосқауылға жетпей қозу күші басылып қалады.
Өлшемді кванттау энергиясы m* шамасына кері пропорционал болғандықтан, ауыр бөлшектер үшін осындай эффектті бақылау қиынға түседі. Ережеге сай үлгіні төмен температураға дейін суыту қажет (Г кеміту үшін), ол арнайы кванттаудың аз энергиясын белгілеу үшін керек.
Валенттік деңгейдегі қозған электрондар өткізгіштік деңгейге ауысқанда, валенттік белдемде оң зарядталған кемтік пайда болады. Кулондық өзара әсердің нәтижесінде электрон мен кемтік бір-біріне тартылады. Егер қоздыру энергиясы тиым салынған белдемнің енінен артық болса, онда кристалдағы қозған электрондар мен кемтіктердің өзара байланысы үзіліп, олар еркін квазибөлшектерге айналады, яғни кристалда фотоөткізгіштік пайда болады. Ал егер ЕΔЕ болса, онда электрон мен кемтік өзара байланысқан күйде, яғни электрлік бейтарап күйде болады. Кристалдағы осындай қозған күй (квазибөлшек) экситон деп аталады. Бұл квазибөлшек кристалл ішінде өз орнын ауыстыра алады (мұны экситондардың миграциясы дейді) не бір орында тұрады (локалданады), бірақ электр зарядын тасымалдай алмайды.
Өлшемді кванттау процессі кезіндегі экситондар тәртібі фонон және электрондар тәртібінен өзгешелеу болады, өйткені экситондар бор радиуысының ао арақашықтығында орналасқан электрондар мен кемтіктерденден құралған. Егер Lао болса, экситон тосқауылдар арасында толық массасы М электрон-кемтік массасының қосылысына тең еркін бөлшек ретінде қозғала алады [7]. Квант өлшемді эффектің максимальды L мәні экситонның орташа еркін жүгіру арақашықтығымен анықталады. Lао болғанда экситон қасиеті оны құрайтын электрон және кемтіктегі квантөлшемді эффекттің жүру барысына модифицирленеді. Мысалы экситонның байланыс энергиясы үлкейеді, егер электрон және кемтік бір біріне жақын орналасуына тура келеді. Екі өлшемді экситонның шекті жағдайында байланыс энергиясы үшөлшемдіге қарағанда төрт есе өседі. Кейде квантты тосқауылдың потенциялы (ол шексіз деп ойлаған жағдайда) кулондық әсерге қарағанда екі бөлшекке көбірек ықпал тигізеді. Сонда былай деп ойлау тиімдірек, потенциалдық шұңқырдағы кванттық шектеуді ауырлау бөлшек басынан өткізеді (себебі оның толқындық функциясы шұңқырдың центрінде көбірек локальданған), ал жеңілірек бөлшек кулондық әсердің арқасынан оған жақынырақ тартылған. Аналогиядан күтілуде, донор және акцептордың байланыс энергиясы үлкейеді, егер осындай қоспалардың ені потенциалды шұңқырда болған кезде бор радиуысынан кем болады.
Кванттық өлшемді эффект тек қоздыру энергиясын өзгертіп қана қоймай, сонымен қатар оның күйінің тығыздығын модифицирлейді. Жалпы жағдайда ол азайса, критикалық нүктеде күйдің тығыздығындағы сингулярдың күшеюіне алып келеді. Мысалы көлемдік үлгідегі өлшемді үштен КШ екіге дейін төмендетсе, тыйым салынған зона Eg аумағы маңындағы электронды күй тығыздығы өзінің көрінісін табалдырықты функциядан сатылы түрдегі функцияға дейін өзгертеді. Фермидің Алтын ережесімен есептелетін ауысудың ықтималдылығы шеткі күйдің тығыздығына тәуелді болғандықтан, квант өлшемді эффект жартылайөткізгішті приборлардағы шашырау процесінің динамикасына үлкен ықпалын тигізеді. Зерттеулерге жүгінсек квантты потенциалды шұңқырдан жасалған лазерды диодтар, қазір кең қолданысқа ие көлемді диодтарға қарағанда көбірек тиімді және сәйкесінше көлемді лазерлі диодқа қарағанда табалдырық ток күші аздау [8]. Потенциалдық шұңқыр -- бөлшектер өзара әсерлескенде бөлшектердің потенциалдық энергиясының оның сыртындағыдан аз болатын физикалық табиғаты анықталатын кеңістіктің шектеулі бөлігі. Потенциалдық шұңқырдың формасы мен оның мөлшерлері бөлшектердің өзара әрекеттесуінің физикалық табиғатымен анықталады. Атом электронының ядроға тартылуын сипаттайтын кулондық потенциалдық шұңқыр -- маңызды жағдай болып есептеледі. "Потенциалдық шұңқыр" түсінігі атомдық және молекулалық физикада, қатты денелер мен атомдық ядро физикасында кең қолданылады. Кванттық нүктеден жасалынған лазерлы диодтар әлдеқайда ток күші аз болуы керек деп болжамдалады. Сонымен қатар олардың генерация жиілігі температураның ауытқуына қатты сезімтал болмайды [9,10].
Жартылай өткізгіштердегі электрондардың квант өлшемді эффектісінің иллюстрациясын жасау үшін жалғыз квант шұңқыр жағдайын қарастырайық. Квант шұңқырының құрылымы ‹сэндвич› сияқты түрде келеді, В жартылай өткізгіштін екі қабаты арасында (екі жағының қалыңдығы L' бір - біріне тең) басқа А жартылай өткізгіштің жұқа қабаты (қалыңдығы L) орналасқан. Қабаттарға перпендикуляр бағытталған ось ретінде Z - ті белгілейік. Бұданда күрделі қабаттары ВАВАВА типті периодты қайталанатын күрделі құрылымдар да кездеседі (қалыңдығы L`L болуы керек). Осындай құрылымдар бірнеше рет қайталанатын квант шұңқырлары деп аталады (БҚКШ). Жоғарғы тор мен қайталанатын квант шұңқырының құрылымдары бірдей келеді, алайда БҚКШ шұңқырлар арасындағы арақашықтық тым үлкен, ол электрондардың бір шұңқырдан екіншісіне туннельденуін болдырмас үшін қажет. Жоғарғы тордағы тосқауылдардың ені L' электрондардың туннельденуі үшін тым кіші, сондықтан электрондар кезектесіп орналасқан қабатты кристалл потенциалына қосылатын потенциалдық тосқауыл ретінде көреді.
Оңаша тұрған квант шұңқырының рұқсат етілмеген аймақ ені А, тосқауылдардың енінен В (ЕgbЕga) кіші деп қарастырайық. Аймақтардың енінде осындай ерекшелік болғандықтан, рұқсат етілмеген аймақ А пен валентті аймақтарының В жиектер тегістелмейді. Жиіктердегі айырмашылық аумақтардың үзілуі болып табылады. Аумақтардың үзілу процессі тасымалдаушылардың тек бір ғана қабатта квантты шектеулігіне жауапты потенциал түзеді, осыдан өлшемді квантты эффект пайда болады. Сондықтан өлшемді квантты эффектен жасалынатын аспап-құралдар үшін, әрбір аумақтың үзілу процессінің өлшемін біліп және оған бақылау жасау өте маңызды. Бірақ біздің екі түрлі жартылайөткізгіштердің аумақтарының үзілуін анықтайтын факторларды түсінуіміз жеткіліксіз болып келеді.
Тағы да зерттеулерге жүгінсек, A - GaAs және B - GaAlAs белгілері бойынша, А және В арасын бөліп тұратын шекара қалыңдығы бір ғана моноқабатты құрайды. Көптеген эксперименттік зерттеулер мен теориялық есептер салыстыра отырып, аумақтардың жиегінің үзілу процессы кенеттен тез болуы мүмкін. Сонымен қатар тікбұрышты шұңқырды басқа да процесстерге жақындатады. Аумақтың үзілуін Дингл және т.б [11] сипаттау үшін Q көбейткіш еңгізілген, өткізгіш зонасының үзілісі мен рұқсат етілмеген аумақтың енінің айырымының (ΔΕg) қатынасына тепе - тең келеді. Мысалы, маңызы зор технологиялық кванттау шұңқырларында GaAsGaAlAs және InGaAsInP Q шамаласы сәйкесінше 0,6 [12] және 0,3 [13] өлшемдеріне тең.
Кванттау нүктесі жақын құрылымның аумақтық ерекшелігі [14] көрсетілген. Гетерожүйенің құрылуы кезінде энергетикалық аумақтың гетерошекарадан екі жағына қатысты орналасуы жартылай өткізгішті материалдардың құрылымына кіретін заттың формасы мен кұрамына байланысты болады [15]. Егер аумақтық диаграмма жартылай өткізгіш жүйеге кіретін екі кірістің біріндегі электрондар мен кемтіктерге энергия бойынша ең төменгі күйді қамтамасыз етсе, онда гетероқұрылым 1-ші типке жатады. Ал егер төменгі энергетикалық күй электрондар үшін тек бір материалда ғана болса, кемтік басқасында болса, онда бұндай жүйе 2-ші типтік болып табылады. Сонымен, екі гетероауысымды 2-ші типті гетероқұрылымда потенциалды шұңқырдың пайда болуы тек бір типті тасушылар үшін болады, яғни тек электрондарда немесе тек кемтіктер. Басқа типті тасушылар үшін тосқауыл тұрады. Осындай гетерожүйенің аумақтық диаграммасын көбіне сатылы деп атайды, өйткені өткізгіш аумақ пен валентты аумақтардың үзілу процессынде бір типті саты пайда болады: әр аумағына гетерошекарасында өршімелі немесе төмендемелі энергия сатысы бөлінеді.
Бір материалдағы кластерде басқа заттың көлемі барлық үш бағытта да тасушылардың қозғалу мүмкіндігін тежеледі. Егер кластердың мөлшерін электрон немесе кемтіктің дебройл толқын ұзындығына немесе экситонның бор радиусына сәйкестендірсе, онда бұндай қосылыстар квантты нүктелер деп аталады [16], ал осындай кластермен кездесетін жартылай өткізгішті құрылым - КТ гетероқұрылым болады [15]. Гетероқұрылымдағы электрондар мен тесіктердің қасиетін кванттау шұңқырындағы тасымалдаушылардың қасиетімен салыстырғанда, тек бір ғана квазибөлшектің газ құрылымымен қарастырмайды. Ең дұрысы локализация күйінің процессын қарастыру. Нанокластердің электрондары мен кемтіктерінің локализация радиусын оның өлшемімен салыстырсақ, көбіне бөлек қоспадағы кішкене сатылы атомдардағы бор радиусынан артып кетеді. Кванттау нүктесінің энергетикалық дәрежесі тереңдеу болуы мүмкін, өйткені кванттау нүктесі терең деңгейдегі қоспа орталығы болып табылады. Кванттау нүктесінің гетероқұрылымы - физиканың басқа тармағы.
Кванттық нүктесіндегі зарядтың локализациясы процессы, қоршаған ортаның потенциалының жүру барысын өзгеруіне әкеліп соғады. Мысал ретінде алатын болсақ, осындай өзгерістерден кейін, кванттық нүктенің айналасында потенциалды шұңқыр пайда болуы және осындай шұңқырда байланған күйлердің түзілу мүмкіндігі келеді. 2-ші типті гетероқұрылымдарда электрондар мен кемтіктердің локальданған күйлері потенциалды шұңқырдағы гетерошекараның әртүрлі жағында пайда болады. Осы күйде болатын электрондар мен кемтіктер кеңістік бойынша бөлінген, және осы күйлер арасында ауысу кеңістікте тікелей жүрмейді.
Қазіргі таңда электронды күйлер арасындағы энергетикалық спектрдың параметрлерын бағалау, ауысу процессының кинетикасын талдау, сонымен қатар корреляциялық эффектті шығару саласы - барлығы кванттық нүктенің фундаментальды зерттеліп жатқан жаңа іргетасы.
Кванттық нүктесі бар гетероқұрылымдардағы GeSi электронды процесстерді электр және оптикалық амал-әдістермен зерттеп, салыстыру мұндай құрылымдарды нано және оптоэлектроника саласында пайдаланудың тиімді екеніне көз жеткізеді. Зерттелген жүйелердің қасиеті кванттық нүктенің параметрлердің бірнешеуіне байланысты (пішіні, өлшемі, матрицаға қатысты торлары), сондықтан осы құрылымдарды зерттеудің мықты әдістері болып физикалық объекттерді модельдеу және есептеу үдерісін жүргізу жұмыстары зерттеу нәтижесін одан сайын арттыра түседі.
1.3 Жарық диодтарының оптикалық қасиеттері
Жарықтандыру үшін қолданылатын жарықдиоды, жобада қолданылатын ток сиякты бірнеше жүздеген мА ден 5 А дейн ток күшін жейтін құрылғылар сияқты кернеу жұмсайды. Жарықдиодының жарықтығы оның жарық ағынына, жарықтың осьтік күшіне және бағыттың диаграммасына байланысты. Қазіргі уақытта қолданыстағы әр түрлі конструкциялы жарықдиоды дене бұрышының 4 тен 140°C дейін сәуле шығарады. Түс - түстілік координатасымен, түстің температурасымен және сәулешығарудың толқын ұзындығымен анықталады.
1.3.1 суретінде AlInGaP негізіндегі қызыл жарық сәулелендіретін диодтарының спектрлері, InGaN негізіндегі көк және жасыл түсті жарқырайтын спектрлері көрсетілген [17]. Жасыл жарық шығаратын жарықдиод спектрі, көгілдір мен қызыл жарыққа қарағанда едәуір ұзын екені байқалады. Бұл индийдің жоғарғы құраушысымен InGaN негізіндегі құрылымдар өсіруінің өзекті мәселесімен байланысты болуы мүмкін. InGaN қабаттарын өсіру кезінде, әсіресе индийдің жоғары құрамы болған кезде оның атомдарының жиналуы немесе кванттық нүктелер түзілетіні анықталды.
1.3.1 суретінде көрсетілген барлық жарықдиодтарының белсенді аймақтары қатты жартылайөткізгішті байланыстардан тұрады. Сәулелену спектрінің ұзындығының үлкеюі жарықдиодтарының белсенді аймақтарынан тұратын, байланыстың химиялық құрамының кездейсоқ флуктуациясы есесінен жүреді. Спектралдық сызықтың күшеюі және спектрлердің жылулық кеңеюіне сәйкес 1,8 kT шамасын асыра алады.
Сурет 1.3.1 - AlInGaPGaAs гетероқұрылым негізіндегі қызыл жарық шығару жарықдиодының сәулелену спектрі.
1.3.2 суретінде инжекция тогына тәуелді жарықдиодтарының әртүрлі сәулелену қуатты түрлері ұсынылған. Идеалды жарықдиодтары үшін мұндай тәуелділік дара көлбеумен сызықты болуы тиіс, яғни мұндай жарықдиодтардың дифференциалдық кванттық тиімділігі бірге тең болуы тиіс. Мұндай тәуелділікке штрихты сызық сәйкес келеді. AlInGaP негізіндегі жарықдиодтар идеалды жарықдиодтарына жақынырақ. InGaP негізіндегі жасыл жарық шығаратын жарықдиодтары үшін тәуелділік көлбеуі бірден алыс, ол InGaN қабаттарының жетілмегендігімен түсіндіріледі, әсіресе индийдің жоғары концентрацияларында.
1.3.3 суретінде әртүрлі типтегі жарықдиодтарының сәулелену интенсивтілігінің температуралық тәуелділігі көрсетілген. III топтағы нитридтер негізіндегі жарықдиодтарының AlInGaP негізіндегі жарықдиодтарына қарағанда сәулелену интенсивтілігі температурамен әлдеқайда әлсіз өзгеретіні көрініп тұр. Ол келесімен түсіндіріледі:
- Біріншіден, III топтағы нитридтер негізіндегі кеңаймақтық материалдардағы белсенді және бөгеттік қабаттар арасында АIIIBV жүйесіндегілерге қарағанда потенциалдық бөгеті әлдеқайда биік. Сол себепті, тасушыларға бұл бөгеттерден өту қиын, ол белсенді облыстағы тасушылардың азаю ықтималдығын төмендетеді.
- Екіншіден, аймақтардың қиылысу нүктесі (жартылайөткізгіш тікаймақтық болмай тікаймақтық емеске айналған кезде) AlInGaP үшін 555нм толқын ұзындығына сай келеді. Температураның көтерілген кезінде тікемес ауысулары аймағының тұрақталуы көтеріледі, ол сәулелену тиімділігін төмендетеді.
Сурет 1.3.2 - AlInGaPGaAs негізіндегі қызыл жарық шығаратын жарықдиодтары үшін сәулеленудің шығару қуатының және бөлме температурасындағы InGaNGaN негізіндегі көк,жасыл жарық шығаратын жарықдиодтарының инжекция тогына тәуелділігі.
Сурет 1.3.3 - AlInGaPGaAs негізіндегі қызыл жарық шығаратын, InGaNGaN негізіндегі көк және жасыл жарық шығаратын жарықдиодтарының сәулелену интенсивтілігінің температураға тәуелділігі.
Жасыл жарық шығаратын жарықдиодтары үшін жоғары концентрациялы индиймен InGaN белсенді қабаттарындағы тасушылардың инжекциясы кезінде шығындар көбейеді. Жарықдиодтарына берілетін сыртқы кернеуімен толтырылатын энергия фонондардың сәулеленуіне шығындалады [18].
1.4 Кеуек кремнийдің фотолюминесценттік қасиеттері
Монокристаллды Si пластинасының бетінде қалыптасақан кеуекті қабат, нанометрлі өлшемді кремний кластерлері мен квантты жіптерден құралған. Олардың беті жарым-жартылай тотыққан, бірен-сарандап сутегі атомымен және гидроксильді топтармен жабылған [19,20]. Кеуек кремний (КК) сирек кездесетін физика химиялық қасиеттерге ие материал. Ол көптеген кеуектермен тізілген және салыстырмалы ауданы 1 см3 қа 600 м2 келетін жақсы жетілген бетімен сипатталады.
Қазіргі уақытта заманауи материалтану аумағында жасалынған көптеген жұмыстар кеуек кремнийді сенсорлы, каталитикалық, фотолюминесцентті қасиеттерін зерттеуге арналған.
Осы берілген сәтте кеуекті кремнийдің фотолюминесцентті үлгісі мен механизмінің бірнеше ортақ гипотезасы бар. ФЛ - ның ертеден келе жатқан және кең қолданысқа ие үлгілерінің бірі - квантөлшемді моделі болып табылады [21,22]. Үлгілердің мынадай түрлері бар, люминесценция - Si-H байланысының болуының нәтижесі, бұл байланыс кеуек кремнийдің (нано) столбының бетінде аморфты қабаттың түзілуі мен оның сутектену процессі нәтижиесінде пайда болады [23]. Фотолюминесценцияның тағыда бір үлгісі бар, ол кеуекті кремнийде Si-SiO2 шекараларының болуымен белгілі. Болжамдарға қарағанда ФЛ пайда болуына ақаулармен қаныққан Si-SiOx шекарасы жауапты [24-25]. Кеуекті кремнийдің жоғары салыстырмалы беті оған анағұрлым сорбциялық қасиетімен қамтамасыз етеді. Бұл КК негізінде әртүрлі сенсорларды дайындауға ыңғайлы [26].
Монокристалдық кремнийде кеуекті қабатты қорытылатын қышқыл негізінде спиртті ерітіндімен электрохимиялық өңдеу әдісімен оңай алуға болады. Бұл процессте кеуектің немесе кеуекті қабаттың мөлшерін және тереңдігін бақылауға болады. Ал егер электролиттің құрамын өзгертсе белгілі бір дәрежеге дейін кеуектің беттік құрамын басқаруға болады. Осы жағдайда да кеуек бетінде әлсіз кремний - сутекті байланыстардың болуы КК қасиеттерінің уақытқа тәуелсіздігін қамтамасыз етеді. Кеуекті қабат атмосферада сақталып тұрғанда, Si-H байланысының бұзылып орнына кремний - оттек байланысының түзілуі арқасында оның жаймендеп тотығуы оның фотолюминесценция қасиетін төмендетіп, материалдың сорбциялы сипаттамасын нашарлатады [25].
Осыған байланысты соңғы кезде кеуекті кремнийдің бетін пассивтеу әдістері белсенді жасалуда. Бұл кеуектегі беттік қабаттардың деградациясын басуға рұқсат береді. Басқа бетінен алып қараса КК беттік модификациясы осы материал негізінде жасалынатын сенсорлы құрылғылар мен биологиялық объектілерді тіркеуге арналған төсеніштерге қажет белгілі параметрлерін алуға рұқсат береді. КК ауада сақтаған кездегі беттік деградацияны болдырмау үшін беттің пассивтенуінің әртүрлі әдістері ұсынылды. Олар үлгінің оттекті ортада тез тотығуын қосады, бетті жұқа металлоттекті және полимерлі қабықтармен және т.б. қаптау арқылы [28- 30].
[31,32] жұмыстарында кеуек кремний бетін түрлі органикалық қосылыстарда өңдеуге ұсыныс берілген. Сол кезде авторлар пікірі бойынша кеуек бетінде тікелей бір қабат түзіледі. Бұл қабат уақыт бойынша тұрақты Si-C байланысымен қаныққан және материалдың фотолюминесценттік қасиеттерін нашарлатпайды [31]. Ең жақсысы, [33,34] жұмыстарында синтетикалық полимерлер қышықылында өңделген КК нанокристалдары біршама ұзақ уақыт мезетінде де тұрақты фотолюминесценцияға ие болаты көрсетілген. [24, 36-37] жұмыстарында n-типті кеуекті кремний және соның негізіндегі 3d-металл нанокомпозиттін интенсивтілігінің ФЛ пикінің орналасуына тәуелділігі зерттелінген. Ол үлгілер кремний төсенішіне фосфорды легирлеу арқылы алынған. Үлгілердің фазалық құрамы тәжірбиелі ультражұмсақ рентгендік эмиссионды Si L2,3 спектрін эталонды фаза арқылы және Оже - спекторскопын қолдану арқылы модельдеумен анықталды.
Кеуекті кремний үлгілері қорытылатын қышқылды, изопропилді спиртті және сутек тотығын қолданумен n-типті кремний төсенішінің КЭФ электрохимиялық өңдеу арқылы алуға болады. Кеуекті кремний үлгілері атмосферада 1, 3, 7 , 14 және 40 күн бойы ұсталып тұрды. Үлгілердің атмосферада 1 күннен 40 күнге дейін ұсталуының нәтижиесіндегі табиғи ескіру процессі арқасында, олардың электронды құрылымы және фотолюминесценциялық қасиеті ультражұмсақ рентгендік эмиссионды спектроския USXES (Ultra Soft X-ray Emission Spectroscopy) [24,25,27] арқылы зерттелінген. 3d-металлдарының гальваникалық тұндыруы сульфаттардың сәйкес тұздарының Fe, Co, Ni сулы ерітіндісінде стандартты методикамен кеуекті кремнийдің әуелгі қабатында жасалынды.
3d - металлpor-Si нанокомпозитінің фотолюминесценциясы МГУ физикалық факультетінде Hamamatsu (сезімталдылығының спектральды диапазоны 200-1100нм) камерасы бар Solar TIICCD автоматтандырылған спектрометрінде өлшенді. Өлшеу бөлме температурасында жасалды, толқын ұзындығы 250нм болатын газоразрядты лампаның 1 мВт қуатында қоздырылған сәулелену режимі алынды.
Кеуекті кремний құрамы және қасиеттері уақыт бойынша өзгеретін, жеткілікті түрде күрделі көпфазалы жүйе құрайтыны белгілі. Кеуекті қабат, ережеге сай, кристаллдық кремний және SiOx дефектті оксидінен, стехиометрлік SiO2 кремний оксиді және де аморфты кремний мен реттелмеген кремнийдің түрлі формасынан құралуы тиіс. Үлгілердің атмосферада болуының уақыты өскен сайын кеуекті қабаттың тотығуы байқалады, ал ол болса кристаллдық, аморфты кремний және окидті фазалардың қатынасын соңғы фаза пайдасына қарай өзгертеді [24,36].
Зерттелетін кеуекті кремний үлгілерінің фотолюминесценция спектрі 1.4.1а және 1.4.1б суретінде көрсетілген. Жаңа дайындалған үлгілердің ФЛ интенсивтілігі максимальды, кейін 3 күннен соң айтарлықтай төмендейді және кейінгі мезгіл ағысында интенсивтіліктің түсуі төмендейді. Сол кезде де үлгілердің ФЛ пикі уақыт өте жоғары энергия 1.75 эВ ден 2 эВ (толқын ұзындығы төмен) жағына ығысады. Және кеуекті кремнийдің 0.35 ден 0.45эВ ФЛ сызығының мардымсыз кеңеюі байқалады.
1 күннен 35 күнге дейін атмосферада ұсталған:
а) қалыпсыз, б) бірлікке нормирленген [18].
Сурет 1.4.1- n-типті кеуекті кремнийдің үлгісінің фотолюминесценция спектрі
USXES берілгендері мен ФЛ деректерін сәйкестендірсе, кеуекті кремнийдің фазалық құрамында дефекті бар оксидті ақау пайда болған кезде үлгінің ФЛ спектрінің интенсивтілігінің төмендеуі байқалады. Үлгінің фазалық құрамында SiOx максимальды болса ФЛ интенсивтілігі минимальды болады, ал егер жаңа дайындалған кеуекті кремнийдің беттік қабатында дефектті оксид болмаса ФЛ интенсивтілігі максимальды болады. Осы жағдайда мынадай болжамға келуге болады, кеуекті кремнийдің беттік қабатындағы SiOх дефектісі сәулелендірмейтін рекомбинация центрлері болады, ол көрінетін диапазонындағы сәулелену қасиетіне кері әсер береді. Атмосферада ұсталған кремнийдің оксидті фазасының бөлігі уақыт өте келе үлкейеді. Осындай 1.75-2 эВ аумағындағы ФЛ шамамен ~ 3 - 4нм өлшемді кластерлер мен кристаллдары бар кеуекті кремнийге сәйкес келеді [38]. ФЛ пикі жағдайының жоғары энергия жағына ығысып өзгеруі, Si L2,3 USXES кеуекті кремнийдің спектрін модельдеу нәтижиесінде, жоғарыда көрсетілген кристаллдықаморфты фазалардың қатынасының өзгеруімен бірге қатар жүреді.
1.4.2 суретте 3d-металлдарымен бөлме температурасында толқын ұзындығы 250 нм газоразрядты лампаны қоздыру кезінде тұндырылған por-Si және por-Si үлгілерінің ФЛ спектрлері көрсетілген (атмосферада 6 айға дейін ұсталынған ). Біздің алдыңғы зерттеулерімізге сай ультражұмсақ рентгендік спектроскопия әдісімен, соның ішінде синхротронды сәулелену көзін, кеуекті кремний негізіндегі 3d-металл нанокомпозиттерінің электронды құрылымын [19,21,27], кеуекті кремнийге темірді қондыруды қолдану Si аморфты фазасының мөлшерінің өсуіне, және кеуекті кремнийдің беттік қабатындағы оксидті фазаның үлесін төмендетуге әкеледі. Кобальтты тұндыру нәтижиесінде кеуекті кремнийдің беттік қабатындағы стехиометриялық SiO2 құрамының ұлғаюы байқалады, бұл ретте кобальт - кремний байланыстарының түзілуі мүмкін. Сонымен темір кеуектің беттік қабатында металл оксиді мен кремнийден тұратын пленка түзеді, ал кобальт оксидпен қапталған металлдық түйіршік түзіп кеуектің тереңіне енеді. Никель үшін темірдің сипаттамасына қарағанда кобальттың сипаттамасы ұқсайды.
а) 3d- металлдарымен қондырылған por-Si және por-Si үлгілері (қоздыру барысы λ = 250 нм, 6 ай атмосферада ұсталған); б) бірлікке нормаланған.
Сурет 1.4.2- ФЛ спектрлері
Алынған мағлұматтарға сай (сурет 1.4.2 а), төменде көрсетілген металлдармен қондырылған үлгілердің фотолюминесценция интенсивтілігі бастапқы үлгіге қарағанда төменірек. Бұны мына жағдаймен түсіндіруге болады, үлгілердің беттік қабатындағы аморфты фаза мен субоксидті кремний қатынасының өзгерісінен басқа, металлды кеуектерге еңдіру зарядтардың локальды қайта таралуына және экрандау эффектісіне алып келеді.
Зерттелетін үлгілердің фотолюминесценция пиктерін салыстыру үшін, спектрлерді бірлікке нормалау жасау жұмыстары жүргізілген болатын. Кеуекті кремний және Fe, Co мен Ni тұндырылған por-Si нормирленген спектрлері 1.4.2 б суретінде көрсетілген. Co және Ni тұндырылған үлгілердің ФЛ пикі por - Si және por - Si:Fe үлгілеріне қатысты қысқа толқын аумағына қарай 20 нм (~0.1эВ) ығысты. Бұндай сипаттама жоғарыда көрсетілген ФЛ механизмінің өзгерісіне байланысты. Жұмыста n-типті кеуекті кремний үлгісінің фазалық құрамынан оның интенсивтілігі мен фотолюминесценция пикінің орналасу тәуелділігі көрсетілген. ФЛ пикінің орналасуы 1.75 - 2эВ аралығында өзгеретіні анықталды, ол por-Si нанокристалдық немесе қандайда бір аморфты фазаның көптігінен тәуелді. Үлгілерде оксидті дефекттердің мөлшерінің қатысты үлкеюі ФЛ интенсивтілігінің айтарлықтай төмендеуіне алып келеді. Ферромагнетикпен араласқан кеуекті кремний негізіндегі нанокомпозиттің оптикалық қасиеттерін кеуекті кремний матрицасына белгілі бір өтпелі металлды немесе металл қоспасын қосу арқылы өзгертуге болатыны көрсетілген. Бұл ақпарат жазу мен метаматериалды жаңа құрылғыларды дайындауда осы тәсілдің тиімділігіне көз жеткізеді.
[34] жұмысында кеуекті кремнийдің морфологиясы мен электронды құрылысын зерттеу жұмыстары жасалынған, ол полиакрилды қышқылды ерітінде өңдегеннен кейін және полиакрилды қышқылды ерітінде өңдегенге дейінгі әртүрлі шартта электрохимиялық өңдеумен алынған. 1.4.3 суретінде 445нм толқын ұзындықтағы көзбен қоздырылған кездегі полиакрилды қышқылды ерітінде өңдегеннен кейін және дейін алынған n - типті кеуекті кремний фотолюминесценция спектрлері көрсетілген. ФЛ спектрлері үлгілерді алғаннан кейін 2 аптадан кейін тіркелген болатын.
n - типті кеуекті кремний үлгісінің ФЛ зонасы күрделі формалы болып келеді. Онда бірнеше ерекшеліктер бөлініп шығады, ол ерекшеліктер кеуекті қабаттың әртүрлі өлшемді нанокристаллдарының люминесценциясынада, беттің күрделі сәулешығаратынсәулешығармайтын рекомбинация процесстеріне де сәйкес келе алады [39,40]. Полиакрилды қышқылда өңдегеннен кейін үлгінің ФЛ интенсивтілігі өсуінің мәнін SiOx тен SiO2 дефектті субоксидтің тотығуына дейінгі сәулешығармайтын рекомбинация центрінің мөлшерінің төмендеуімен түсіндіруге болады [39]. ФЛ зонасының бірдей жалпақтылығы мен формасы кезінде, полиакрилды қышқылда өңдегеннен кейін үлгінің ФЛ интенсивтілігінің максимумы өнделмеген үлгілерге қатысты жоғары толқын ұзындық жағына ығысады, ол және де беттің өңделуінің беттік қабаттағы люминесценция центрлеріне әсер етуінің күрделілігін сипаттайды. Атмосферада бір ай бойы ұсталған 1 сериялы үлгінің люминесценция спектрлері үшін де, екі апта бойы ұсталған үлгілер үшінде дәл осындай жағдай байқалады. ПАҚ өңдегенге дейін және кейін кеуекті кремний үлгісінің ФЛ спектрінің интенсивтілігінің қатынасы және жолақтың формасы мен ені өзгермейді. Бұл жағдайда, үлгінің ФЛ интенсивтілігінің жалпы төмендеуі және ФЛ максимумының (~ 0,1eV) үлкен толқын ұзындығы аумағына азғантай ығысуы байқалады.
Толқын ұзындығы 370-445нм болатын қуат көзімен қоздырылған кезде ерітіндіге ДМФА қосылу арқылы алынған макрокеуекті кремнийдің үлгілері [39], өңдегенге дейін айқын ФЛ қөрсетпеген. Үлгілерді ПАҚ өңдегеннен кейін дәл алдындағы қуат көзімен қоздырылғанда 520 нм аумағында үлгінің анық жасыл максимумды фотолюминесценциясы тіркелген болатын (сурет 1.4.4).
1сериялы
полиакрилды қышқыл ерітіндісінде өңдеуге дейін (төменгі)
және өңдеуден кейін (жоғарғы).
Сурет 1.4.3 - Үлгілердің фотолюминесценция спектрі
Қоздырылатын сәулелендірудің толқын ұзындығы 445 нм. Атмосферада ұсталған уақыт 1 ай
Сурет 1.4.4 - ПАҚ өңдегеннен кейінгі макрокеуекті кремний үлгісінің ФЛ спектрі.
Осы берілгендерді үлгінің құрамының берілгенімен келістіре отырып, ФЛ пайда болуы КК бетінен оксидті кремнийді алып тастаумен және онда нанокристаллдық кремнийдің пайда болуымен байланысты деп айтуға болады.
1.5 Кремний негізіндегі наносым
Наносым, наноөткізгіш немесе квантты мұрт (эффективті диаметрде 1-100 нм және ұзындыққа микрондар) бұл кеңістікте квантты өлшемді эффектті және объекттің басты белдігін бойлаған электрондардың еркін қозғалысын демонстрация жасайтын, мұрттың басты белдігіне перпендикуляр объект. Ережеге сай наносымдар, еркін тұратын өте үлкен болып келетін құрылымдар болып келеді. Квантты мұрт ұзындықтын диаметрге қатынасы аздау болатын еңдірілген құрылым болып келеді [41], немесе бір (субстратпен немесе металлдық катализатордың тамшысымен) немесе бірнеше аралық қабаттардан тұратын апериодтық құрылым.
Квантты нанообъектті жасаудың қарапайым әдісі болып, жартылай өткізгішті гетероқұрылымда электростатикалық тосқауыл немесе химиялық өңдеу технологиясын қолдана отырып электронды газдың қозғалғыштығын шектеу атқарады. Бұндай манипуляциялар квантты нүктенің 0D потенциалы немесе квантты наномұрттың 1D потенциалын тудырады, олар өткізгіш зонаның электрондарының сипатын анықтайды [42]. Осындай құрылымдарды технологиялық реализация жасау спецификалық әлі де толық зерттелмеген квантты эффекттің негіздерін шығарды.
Күшті квантты өлшемді эффект объекттердің базалық қасиеттерін бақылайды. Мысал ретінде Холлдың квантты эффектісін, баллистикалық өткізгіштікті және кулондық блокаданы айтуға болады [43]. Өз кезегінде жоғарыда айтылған физикалық құбылыстар наномұрттағы электронның жоғары қозғалғыштығын, квантты шығуды жоғарылатады, квант өлшемді шектеудің дәрежесі көбейгенде лазерлі сәулеленудің төменгі генерация табалдырығын және наномұрт негізіндегі күн батареясы, ИҚ детекторлар, жазықтық трансизторлар сияқты жаңа құрылымдарды дайындауда көбірек тиімділігін алып келеді [44].
Ережеге сай жартылай өткізгішті наномұрттар бу-сұйықтық-қатты дене технологиясын және катализатор ретінде металлдық кластерлерді қолдану арқылы синтезделеді. Бұл процессте нанокластер жартылайөткізгішті заттың буының көзі бар металл - жартылайөткізгіш жүйе үшін эвтектика балқуынан жоғары температураға дейін қыздырылады. Процессте жартылайөткізгішті затты будың көзі металлжартылайөткізгіш балқымасының нанотамшысын түзілуіне әкеледі. Жартылайөткізгішті будың реагентінің металлжартылайөткізгіш тамшысына тұрақты беріліп отыруы жартылайөткізгішті нанокластердің кристаллизациясына әкеліп соғады. Сұйықтыққатты дене шекарасы мұрттың құрылымы мен өсуінің параметрін анықтайтын құйманың тамшысы бар нанокристаллдың шекарасының өсуінің түзілуіне алып келеді. CVD процессінде металлдық нанокластерлер жартылайөткізгішті реагенттің газтәрізді көзін тудыратын прекурсорлардың жайылуының жағындағы жеріндегі катализатор қызметін атқарады. Мысалға кремний наномұртының өсуі үшін моносилан және кристаллдық кремнийге қондырылған алтынның, темір немесе алюминийдің нонокластері қолданылады. Нанокластерлі металы бар моно және нанокристаллдық кремнийдің интерфейс рөлін анықтайтын, ерекше теориялық әдістері осы объекттердің күрделілігінен әлі толық зерттелмеген [45].
Идеалды наноқұрылымды кремнийдің электронды қасиеттері теориялық зерттелгеніне қарамастан екі немесе одан да көп түрлі бөліктерден құралған күрделі реалды нанокұрылымдардың қасиеттері әлі күнге дейін теориялық зерттелмеген болып есептеледі. Осылай көрсетілген кремний наномұртының зоналық құрылымы ‹110› әртүрлі еңдікті түзу және түзу емес рұқсат етілмеген саңылаулы болатыны байқалған [46].
Голдберг типті кремнийлі квантты нүктенің және олардың негізіндегі конгломератты құрылымдар атомдық құрылысы зерттелген болатын ... 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