Отчет о научно-исследовательской работе «Разработка и исследование новых кристаллических, аморфных и наноструктурированных материалов для сцинтилляционных и люминесцентных преобразователей, сенсоров и других применений»

1.4.Люминесцентные свойства нанокристаллического кремния Определяющим фактором, влияющим на эффективность излучения света полупроводником при межзонной рекомбинации, является структура его энергетических зон. В так называемых “непрямозонных” полупроводниках (к числу которых относится кремний) потолок валентной зоны и дно зоны проводимости находятся в разных точках зоны Бриллюэна (рис. 1.10) [11]. Минимум зоны проводимости кристаллического кремния (c-Si) расположен в точке Δ на оси <100> (и ей эквивалентных) зоны Бриллюэна. Электрон в точке Δ обладает квазиимпульсом ~ 0.85/a, где а – постоянная решетки с-Si. В центре зоны Бриллюэна (точке Г) смыкаются две валентные зоны (тяжелых и легких дырок), каждая из которых двукратно вырождена. Электрон вблизи потолка валентной зоны обладает квазиимпульсом, примерно равным нулю. Ширины запрещенных зон равны при этом ΔЕ = 1,12 эВ, ΔЕ0 = 3,4 эВ, ΔЕ1 = 1,2 эВ, ΔЕ1’ = 3,1 эВ, ΔЕ2 = 1,9 эВ, ΔЕ2’ = 2,2 эВ, ΔЕ5 = 0,035 эВ. Рисунок 1.10 – Схематическое изображение зонной структуры c-Si. Таким образом, в c-Si межзонный переход электрона может происходить только с изменением квазиимпульса последнего. Испущенный при рекомбинации фотон не может унести весь начальный импульс электрона, в результате чего возникает необходимость участия в процессе третьей частицы – фонона. Благодаря тому, что электрон вынужден взаимодействовать не только с фотоном, но еще и с фононом, вероятность внутренних оптических переходов в непрямозонных полупроводниках крайне мала [11]. Квантовый выход люминесценции в с-Si при комнатной температуре составляет всего 10-4. Одним из способов увеличения эффективности ФЛ с-Si является модификация его электронной структуры за счет квантово-размерного эффекта [12-14]. Интерес к слоям SiOx связан с наблюдением в них ФЛ в видимой области спектра. Спектральное положение максимума ФЛ зависит от содержания кремния. Возникновение ФЛ после высокотемпературного отжига (около 1100 оС) связывают с образованием в пленке нанокристаллов кремния (nc-Si). Связь между наличием нанокристаллов кремния и ФЛ в области 700-900 нм установлена, однако механизм формирования нанокристаллов кремния в SiOx-слоях пока недостаточно ясен. Формирование nc-Si позволяет резко увеличить квантовый выход люминесценции кремния и наблюдать интенсивную эмиссию света при комнатных температурах, вызванную излучательной рекомбинацией экситонов, локализованных в nc-Si [15]. Преимущество нанокристаллов по сравнению с объёмным кремнием состоит, во-первых, в увеличении энергии связи экситонов, в результате чего уменьшается вероятность их тепловой диссоциации [16]. Во-вторых, за счёт пространственного ограничения носителей заряда увеличивается неопределённость их квазиимпульса. В результате вероятность излучательной рекомбинации экситонов в непрямозонном nc-Si растёт, поскольку для выполнения законов сохранения требуется меньшее количество фононов [17]. Характерные спектры ФЛ образцов nc-Si/SiO2, приготовленных двумя различными методами, представлены на рис. 1.11. Как видно из рисунка, максимум ФЛ сдвигается в высокоэнергетическую область спектра при уменьшении размеров нанокристаллов, что объясняется увеличением ширины запрещённой зоны nc-Si вследствие квантового размерного эффекта [18-20]. Рисунок 1.11 – Спектры ФЛ образцов nc-Si/SiO2 с различными средними диаметрами nc-Si, приготовленных различными методами: (а) – одновременное напыление мишеней Si и SiO2 [16], (b) – высокотемпературный отжиг сверхрешеток SiOx/SiO2 [21]. Важно отметить зависимость параметров кинетики ФЛ от метода получения нанокристаллов. На рис. 1.12. показаны характерные кинетики образцов nc-Si/SiO2, приготовленных двумя различными способами, а также для сравнения представлены кинетики ФЛ пористого кремния. Было замечено, что кинетики ФЛ структур nc-Si/SiO2, полученных методом имплантации ионов Si в SiO2, так же как и кинетики ФЛ ПК (рис. 1.12, а), хорошо описываются так называемой растянутой экспонентой [20]: где τ – среднее время жизни ФЛ, β – параметр неэкспоненциальности. Характерные значения параметров τ и β для nc-Si/SiO2-структур в этом случае составляли 10-150 мкс и 0.7-0.8, соответственно. Подобный характер спада люминесценции некоторые исследователи связывают с наличием неупорядоченности в твердотельной системе, вызванной, например, распределением содержащихся в образце нанокристаллов по размерам и форме, или вариациями их пространственного расположения [22-24]. В результате этой неупорядоченности появляется разброс по энергиям и вероятностям рекомбинации электрон-дырочных пар, что, вероятно, приводит к кинетике люминесценции вида. В свою очередь, в других работах высказывается предположение, что основной причиной искажения моноэкспоненциального спада люминесценции является наличие переноса энергии между соседними нанокристаллами [25-26]. Такой обмен энергией может осуществляться за счёт миграции экситонов от нанокристаллов меньшего размера к более крупным вследствие меньшей ширины запрещённой зоны в последних. Таким образом, время жизни экситона начинает зависеть от числа актов переноса, в результате чего кинетика спада ФЛ “растягивается”. Это предположение подтверждается исследованиями временных характеристик ФЛ ансамблей nc-Si, разделённых достаточно толстыми (~ 5 нм) пространственными барьерами SiO [24]. При этом можно полагать, что нанокристаллы являются хорошо изолированными, в результате чего между ними не происходит обмена энергией, и среднее время жизни является постоянной величиной. Действительно, наблюдаемые в таких системах кинетики ФЛ оказываются моноэкспоненциальными с характерными временами от 0.2 до 0.8 мс (рис. 1.32, b). Заметим, однако, что теоретические исследования [27] предсказывают форму кинетики ФЛ типа даже для одиночных изолированных нанокристаллов в случае преобладания темпа повторного захвата носителей ловушками над темпом их рекомбинации. Для подтверждения последнего утверждения, очевидно, требуются соответствующие экспериментальные исследования. Рисунок 1.12 – (а) – кинетики ФЛ образца nc-Si/SiO2, приготовленного методом ионной имплантации в сравнении с кинетиками ФЛ пористого кремния [17], (б) – кинетики ФЛ образца nc-Si/SiO2, полученного высокотемпературным отжигом сверхрешеток Si/SiO2 [37]. С момента открытия эффективной фотолюминесценции пористого кремния при комнатной температуре [28] началось интенсивное исследование его люминесцентных свойств с целью выяснения механизма излучения. Следует отметить, однако, что большинство исследований были проведены на образцах, полученных анодным травлением. Для объяснения механизма излучения было предложено несколько моделей. Одной из наиболее распространенных стала квантово-размерная модель [28], которая связывает процессы генерации носителей и их излучательной рекомбинации с кремниевыми кристаллитами, а увеличение вероятности излучательной рекомбинации — с уменьшением их размеров. Последнее влечет также увеличение ширины запрещенной зоны в кристаллитах, что должно отражаться в сдвиге спектрального положения максимума полосы люминесценции в высокоэнергетическую сторону. Такая зависимость действительно была экспериментально получена в работе [29]. Кроме того, в ряде работ [30-31] в низкотемпературных спектрах ФЛ при резонансном возбуждении наблюдались особенности, связанные с фононами кремния, а зависимость ширины запрещенной зоны кристаллитов от температуры в ряде случаев была подобна зависимости для объемного кремния. Вместе с тем в ряде работ наблюдались экспериментальные факты, которые трудно объяснить квантово-размерной моделью, что повлекло появление альтернативных моделей излучения. Например, в [32-33] было показано, что в зависимости от исходного положения максимума ФЛ могут наблюдаться как низкоэнергетический, так и высокоэнергетический его сдвиги при естественном окислении образцов, тогда как в соответствии с квантово-размерной моделью максимум ФЛ должен сдвигаться в высокоэнергетическую сторону в результате уменьшения размеров кристаллитов при их окислении. В [29] наблюдался высокоэнергетический сдвиг максимума ФЛ при повышении температуры, что также противоречит модели рекомбинации в кремниевых кристаллитах. Для объяснения этих фактов предложены модели [34-35], в которых предполагалось, что интенсивная ФЛ связана с суперпозицией полос, обусловленных кремниевыми кристаллитами и поверхностными центрами, и в частности центрами в окисле. В некоторых работах предполагалось, что поверхностный канал рекомбинации может доминировать в спектре. Таким образом, даже для пористого кремния, полученного анодным травлением, полной ясности относительно природы полос излучения до сих пор не достигнуто. Остается, в частности, открытым вопрос — в каких случаях каждый из возможных каналов излучательной рекомбинации является доминирующим. Еще в большей мере все сказанное касается пористого кремния, полученного химическим травлением, который по некоторым характеристикам отличается от ПК, получаемого анодным травлением. Так, образцы, полученные химическим травлением, являются более окисленными, т.е. кремниевые частицы в них покрываются слоем окисла в процессе получения, что может влиять на их размеры и структуру. В работе [36] методами сканирующей туннельной микроскопии и фотолюминесценции исследовался механизм излучения пористого кремния, полученного методом химического травления. В ней были исследованы зависимости спектров ФЛ от температуры, а также структурные характеристики слоев пористого кремния, сформированного методом химического травления. Полученные результаты, а именно значительное уширение полосы и составной вид формы спектра при охлаждении до низких температур, а также при деградации, свидетельствуют о том, что полоса ФЛ является составной. Авторами показано, что в области низких температур максимум с увеличением температуры сдвигается в низкоэнергетическую сторону в соответствии с изменением ширины запрещенной зоны кремния, в то время как в области температур, близких к комнатной, его энергия не зависит от температуры. На основе этой зависимости сделан вывод, что полоса ФЛ состоит из двух компонент, одна из которых (высокоэнергетическая) обусловлена рекомбинацией экситонов в кремниевых нанокластерах, а другая (низкоэнергетическая) — рекомбинацией носителей через поверхностные дефекты, например, через дефекты в окисле.

Похожие:

	Отчет о научно-исследовательской работе «Разработка и исследование... «Разработка и исследование новых кристаллических, аморфных и наноструктурированных материалов для сцинтилляционных и люминесцентных...		Отчет о научно-исследовательской работе по программе фундаментальных... Институт химии твердого тела и механохимии Сибирского Отделения Российской академии наук
	Отчет о научно-исследовательской работе в рамках федеральной целевой... «Разработка новых методов индивидуальной коррекции сводно-радикального статуса при бактериальных инфекциях»		Отчет о научно-исследовательской работе по теме: «Исследование отрасли... Директор Областного государственного бюджетного учреждения «Электронный Ульяновск»
	Отчет о научно-исследовательской работе Гост 32-2001. Межгосударственный стандарт. Система стандартов по информации, библиотечному и издательскому делу. Отчет о научно-исследовательской...		Отчет о научно-исследовательской работе Межгосударственный стандарт (гост 32-2001). Отчет о научно-исследовательской работе. Структура и правила оформления (редакция 2005...
	Общие положения отчет Отчет о научно-исследовательской работе (нир) документ, который содержит систематизированные данные о научно-исследовательской работе,...		Отчет о научно-исследовательской работе Разработка критериев оценки качества очистки внутренних поверхностей трубопроводов систем теплоснабжения жилого фонда г. Красноярска...
	Отчет о научно-исследовательской работе исследование и разработка... Директор ресурсного центра информатизации образования (рцио), канд техн наук, доцент		Реферат Отчет о научно-исследовательской работе состоит Отчет о научно-исследовательской работе состоит из 33 рисунков, 8 разделов, 12 подразделов, 9 формул, 31 источника. Общий объем 48...
	Отчет о научно-исследовательской работе по теме: «Исследование вопросов... «Исследование вопросов применения новых технологий обработки больших данных в сфере информатизации культуры»		Отчет по научно-исследовательской практике магистрантов и студентов за 2009-2010 гг Исследование регионального рынка розничных банковских услуг разработка рекомендаций по его регулированию
	Отчет о научно-исследовательской работе по теме: «Разработка научно... «Институт законодательства и сравнительного правоведения при Правительстве Российской Федерации» (ИЗиСП)		Отчет о научно-исследовательской работе контракт №21/10 от «09» октября... Целью работы является исследование теоретических и практических особенностей существующих систем ротации в правоохранительных органах,...
	Отчет о научно-исследовательской работе «Разработка моделей и образцов... «Разработка моделей бакалавра по специальности и магистра по специальности. Реализация моделей по группам специальностей»		Отчет о научно-исследовательской работе Развитие, исследование и внедрение средств высокопроизводительных вычислений на основе технологий Грид с поддержкой гетерогенных,...