Ключевые слова: пористый кремний, фотолюминесценция, нанокристалл



Дата02.09.2020
өлшемі137.27 Kb.
УДК 621.395.4:004.438

PHOTOLUMINESCENCE PROPERTIES OF SILICON
K.T. Bazhikov,

bajyk@mail.ru



Key words: porous silicon, photo luminescence, nanocrystal

Annotation.

In this job, we considered the features of photoluminescence properties of various structures based on porous silicon, their connection with phase composition of the samples and were suggested possible ways of their modify. It shows, that the position peak of PL changes in limits 1.85 – 2.2 eV in depending of excerpt surface time on atmosphere, of the original technology production and the method surface modification.


ФОТОЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЕ СВОЙСТВА КРЕМНИЯ
К.Т. Бажиков,

bajyk@mail.ru


Ключевые слова: пористый кремний, фотолюминесценция, нанокристалл.

Аннотация. В данной работе рассмотрены особенности фотолюминесцентных свойств различных структур на основе пористого кремния, их связь с фазовым составом образцов и предложены возможные способы их модификации. Показано, что положение пика ФЛ меняется в пределах 1.85 – 2,2 эВ в зависимости от времени выдержки поверхности на атмосфере, исходной технологии изготовления и способа модификации поверхности.


КРЕМНИДІҢ ФОТОЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯЛЫҚ ҚАСИЕТТЕРІ
К.Т. Бажиков,
Тірек сөздер: кеуекті кремний, фотолюминесценция, нанокристалл.

Аннотация. Бұл мақалада кеуекті кремний негізінде әр түрлі құрылымының фотолюминесцентті қасиеттерінің ерекшеліктері олардың үлгінің фазалық құрамымен байланысты қарастырылған және оларды модификациялаудың мүмкін әдістері көрсетілген. ФЛ шыңы 1.85-2.2 эВ аралығында беткі қабатын атмосферада ұстау уақытына байланысты өзгеретіні, бастапқы өндіру технологиясы және беткі қабытты модификациялау әдістері көрсетілген.
.

Пористы (кеуекті) кремний (ПК) бірегей физика-химиялық сипатты материал болып табылады. Ол көптеген кеуектерден турады және беткі қабаты жақсы дамыған. Салыстырмалы ауданы – 100 м2-ден 0,1см3. Кеуектердің көлденең қимасының өлшемі бірнеше нанометрден бірнеше микрометрге дейін жетеді, ал кеуекті қабаттың қалыңдығы өңдеудің ұзақтығына қарай ондаған микрометрге дейін жетеді [1-3].

Кеуекті кремний (por-Si) құрылымы мен қасиеттері уақыт өтуіне қарай өзгеретін көп фазалы күрделі жүйе болып табылады. Қазіргі кезде заманауи материалтану саласындағы көптеген жұмыстар кеуекті кремнийге, оның сенсорлы, каталитикалық және фотолюминесценциялық қасиеттеріне бола арналған. Кеуекті кремнийдің осы аталған қасиеттерін тұрақтау және өзгерту, сонымен қатар кеуекті кремнийдің незігінде жаңа композитті материалдар құру жеке мәселе болып табылады.

Кремнийдің (Si) монокристаллды пластинасының беткі қабатында қалыптасқан кеуекті қабат кремнийдің нанометрлі өлшемдегі кластерлері мен кванттық тізбектерінен тұрады. Олардың беткі қабатының кейбір бөліктері тотыққан, ал кейбір бөліктері сутегінің атомдарымен және гидроксильді топтармен қоршалған.

Қазіргі кезде кеуекті кремнийдің фотолюминесценциясының механизмдері мен үлгілері туралы бірнеше ортақ гипотезалар бар. Ертеден келе жатқан және кең қолданылатын үлгілердін бірі кванттық-өлшемді үлгі болып табылады. Люминесценция Si-H байланыстардың болуының салдары деп қарастырылатын үлгі бар. Ол байланыстар кеуекті кремнийдің бағандарының сыртында (нано) аморфты қабаттың пайда болу үрдісінде және оның сутектену кезінде құрылады. Фотолюминесценцияның кеуекті кремнийдегі Si-SiO2 шекараларының бар болуына байланысты тағы бір үлгісі белгілі. Ол үлгіде фотолюминесценцияның пайда болуына ақауларға толы Si-SiOx шекарасы жауапты деп ұйғарылады. Кеуекті кремнийдің жоғары салыстырмалы беткі қабаты оның едәуір сорбциялық қабілетін қамтамасыз етеді. Ол кеуекті кремнийдің негізінде әртүрлі сенсорларды құру жағынан өте жағымды.

Монокристаллды кремнийдегі кеуекті қабат гидрофлорлық қышқылдың негізіндегі спирттік ерітінділерде электрохимиялық өңдеу тәсілі арқылы салыстырмалы оңай алынады. Бұл үрдісте кеуектердің, кеуекті қабаттың өлшемі мен тереңдігін қадағалауға болады (кеуектер алатын көлемнің, кеуекті қабаттың ортақ көлеміне қатынасы), ал электролиттің құрамын өзгерткенде кеуектердің сыртқы қабатының құрамын белгілі деңгейде басқаруға болады. Сонымен қатар, кеуектердің беткі қабатындағы әлсіз кремний-сутегі байланыстардың бар болуы кеуекті кремнийдің қасиеттерінің уақытқа байланысты тұрақсыздығын ескертеді. Кеуекті қабаттың біртіндеп тотығуы Si-H байланыстардың бұзылу есебінен және олардың кремний-оттегі байланыстарымен және гидроксильді топтармен алмастырылуы фотолюминесценцияның төмендеуіне алып келеді, материалдың сорбциялық сипаттамасын нашарлатады [2].

Осыған орай соңғы кездері кеуекті кремнийдің беткі қабатын пассивтеу әдістері қарқынды іздеу үстінде. Бұл кеуектердегі беткі қабаттардың құлдырауын басуға мүмкіндік береді. Алайда, кеуекті кремнийдің сыртқы қабатын өзгерту осы материалдың белгілі бір параметрлерін алуға мүмкіндік береді. Ол параметрлер сенсорлы құралдарды, сонымен қатар микронды және субмикронды өлшемдегі биологиялық объекттердің – бактерияларды, вирустарды, тіпті ДНҚ-дың фрагменттерін бекітуде қолданылатын астарларды құру кезінде маңызды. Кеуекті кремнийді ауада сақтау кезінде беткі қабатының құлдырауын болдырмау үшін беткі қабатты пассивтеудің әртүрлі нұсқалары ұсынылған. Ол нұсқалар оттегі ортасында үлгілердің тез тотығуынан, беткі қабатты жіңішке металлоксидті және полимерлі пленкамен жабудан тұрады.

Кеуекті кремнийдің беткі қабатын әртүрлі органикалық қосылыстарда өңдеу ұсынылған. Онда, тікелей кеуектердің сыртында, уақытқа қарай тұрақты және материалдың фотолюминесценциялық қасиеттерін нашарлатпайтын Si-C байланыстарға толы қабат пайда болады. Сонымен қатар, кеуекті кремнийдің акрилді қышқылда өңделген нанокристаллдарында ұзақ уақыт ішінде тұрақты фотолюминесценция қасиеті сақталатыны көрсетілген [3].

Үлгілердің фазалық құрамы эталонды фазалар спектрлер көмегімен жіне де Оже-спектракопияны қолдану арқылы экспериментті, ультражұмсақ, ренгенді, эмиссионды Si L2,3 спектрлерді моделдеу арқылы анықталады.

Кеуекті кремний үлгілері балқытылған қышқыл изотропил спирті және сутегі перкисін қолданып, n-типті кремний астарын электрохимиялық жолмен өңдеумен алынды. Кеуекті кремний үлгілері атмосферада 1,3,7,14 және 40 күн ұсталды. 1-ден 40-қа дейінгі күн аралығында атмосферада ұсталған үлгілердің табиғи қартаю кезінде ультражұмсақ, ренгенді, эмиссионды USXES (Ultra Soft X-ray Emission Spectroscopy) электроскопия және фотолюмиюсцентті қасиетті әдісі арқылы үлгілердің эталондық құрылымына зерттеулер жүргізілді. 3d-металды гальваникалық тұндыру [4] сипатталғандай қалыпты процедураға сәйкес бастапқы Кеуекті кремний қабатына сәйкес Fe, Co, Ni тұздарының сульфатты сулы ерітінділерімен жүргізілді.

Автоматталған Shimadzu UV-3600 спектрофотометрінің ASR камерасында (сезімталды спектрлік диапазоны 185-3300 нм) 1мВт қуатпен ұзындығы 340 нм толқын шығаратын газды шаммен 3d–металл/por-Si-дің наноқұрылымдарының фотолюменесцен-циясы өлшенді. Өлшеу бөлме температурасында жүргізілді.

Кеуекті кремний құрамы мен қасиеті уақыт өте өзгеретін жеткілікті күрделі көпфазалы жүйе болып табылатыны белгілі. Кристалды кремний Кеуекті қабаты (нано түрде) дефектілі SiOx оксидін, SiO2 кремниінің стехиометрикалық оксиді және де аморфты және реттелмеген кремнидің әр түрлі формаларынан тұрады. Үлгіні атмосферада ұстау уақытын ұлғайту соңғысының пайдасына кристалды фаза, аморфты кремний оксиді мен фазалардың коэффициентінің өзгеруіне әкелетін кеуекті қабаттың қышқылдануы бақыланады [3].

Жұмыста n типті кеуекті кремнийдің фотолюминесценцилы үлгісінің қарқындылығы және шыңы орналасуының, фазалық құрамына тәуелділігі көрсетілген. ФЛ шыңының орналасуы 1.85 – 2,2 эВ арасында, нанокристалдық немесе қандай да бір кремнийдің аморфтық фазасы басымдылығына байланысты өзгеретіні анықталды. Үлгілердегі дефектті оксидтер салыстырмалы құрамының өсуі ФЛ қарқындылығының әжептеуір төмендеуіне әкеп соғады. Көрсетілгендей, ферромагнетиктері бар кеуекті кремний негізіндегі нанокомпозиттердің оптикалық қасиеттерін белгілі бір өтпелі металл немесе металдар қоспасын кеуекті кремний матрцасына енгізу жолы арқылы өзгертуге болады. Бұл ақпаратты және метаматериалдарды жазудың жаңа құралдарын құрудағы осы көзқарастың келешегі бар екеніне куәландырады.

Жұмыс барысында біз кеуекті кремнийдің электронды құрылымы мен морфологиясын зерттедік. Кеуекті кремний полиакриьді қышқылмен өңдеуге дейінгі және өңделгеннен кейінгі әр түрлі жағдайда электрохимиялық ою арқылы алынды.



1-суретте n-типті кеуекті кремнийдің үлгілерінің 485 нм толқын ұзындығындықтағы қоздыру көзі әсерімен полиакрилді қышқылмен өңдегенге дейінгі және өңдегеннен кейінгі фотолюминесценция (ФЛ) спектрлері көрсетілген. ФЛ спектрлары үлгіні алғаннан кейін 2 аптадан соң тіркелді.


1-сурет. n-типті кеуекті кремнийдің (төменгі) және полиакрильді қышқылда өңделгеннен кейінгі (жоғарғы) үлгілердің фотолюминесценция спектрі.


n-типті кеуекті кремнийдің ФЛ үлгілерінің жолағы күрделі формалы болып келеді. Ол жерде бірқатар ерекшеліктер бар. Ол кеуекті қабаттағы әртүрлі өлшемдегі люминесценция нанокристалдарымен қатар, беткі қабаттағы сәулелік. ФЛ үлгілердің полиакрильдік қышқылда өңделгеннен кейінгі қарқындылығының артуын, дефектті субоксдтің SiOx-тің SiO2 дейінгі тотығуы кезіндегі сәулесіз рекомбинация орталықтар санының кемуімен түсіндіруге болады [3].

ПАҚ-та өңделгенге дейінгі және өңделгеннен кейінгі бірдей өлшемдегі және формадағы жағдайындағы ФЛ жолақтары, ФЛ өңделген үлгілерінің максимум жағдайы өңделмеген үлгілерге қатысты ұзын толқындарға қарай ығысқан. Бұл дегеніміз, беткі қабатты өңдеудің жоғарғы қабаттағы люминесценция орталықтарына күрделі әсер ететінін көрсетеді.

.
Қорытынды

Бұл мақалада кеуекті кремний негізінде әр түрлі құрылымының фотолюминесцентті қасиеттерінің ерекшеліктері олардың үлгінің фазалық құрамымен байланысты қарастырылған және оларды модификациялаудың мүмкін әдістері көрсетілген. ФЛ шыңы 1.75-2.2 эВ аралығында беткі қабатын атмосферада ұстау уақытына байланысты өзгеретіні, бастапқы өндіру технологиясы және беткі қабытты модификациялау әдістері көрсетілген. Үлгідегі дефектілі оксидтердің салыстырмалы таралуының артуы ФЛ интенсивтілігінің елеулі төмендеуіне алып келеді.

Полиакрильді қышқылды (ПАК) су ерітіндісінде кеуекті кремниді өңдеу оның фотолюминесцентті қасиеттерін жетілдіру мен өңдеудің өте қызықты әдісі болып табылатыны көрсетілген. Бұл жағдайда кеуекті кремний беткі қабаты полиакрильді қышқылдың өзара әрекеттесуінің екі параллельді механизмі бақыланады. ПК үлгілері терісінің микрометрлік көлденең өлшемімен фотолюминесценцияны тек ПАК-та өңделгеннен кейін көрсетеді.

Бұл берілген функционалды наноматериалдардың қазіргі заманғы оптоэлектроникада перспективті қолдануын куәландырады.
Әдебиеттер тізімі:


  1. А. С. Леньшин, В. М. Кашкаров, Д. Л. Голощапов, П. В. Середин, К. А. Полуместная, Е. В. Мараева, С. А. Солдатенко, Ю. А. Юраков, Э. П. Домашевская. Состав и реакционная способность нанопорошков пористого кремния. Неорганические материалы, 2012, том 48, № 10, с. 1–6.

  2. Корсунская Н.Е. и др.// Физика и техника полупроводников, т. 44, вып. 1. С. 82-86. (2010).

  3. Леньшин А.С., Кашкаров В.М., Турищев С.Ю., Смирнов М.С., Домашевская Э.П. Влияние естественного старения на фотолюминесценцию пористого кремния. // Журнал технической физики, 2012, том 82, вып 2, с. 150-152.



ФОТОЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЕ СВОЙСТВА КРЕМНИЯ
К.Т. Бажиков, М. Құрмансейіт, А. Абенова, А.Серік
КазНУ им. аль-Фараби, г. Алматы, Республика Казахстан

bajyk@mail.ru


Ключевые слова: пористый кремний, фотолюминесценция, нанокристалл.

Аннотация. В данной работе рассмотрены особенности фотолюминесцентных свойств различных структур на основе пористого кремния, их связь с фазовым составом образцов и предложены возможные способы их модификации. Показано, что положение пика ФЛ меняется в пределах 1.85 – 2,2 эВ в зависимости от времени выдержки поверхности на атмосфере, исходной технологии изготовления и способа модификации поверхности.

Достарыңызбен бөлісу:


©netrefs.ru 2019
әкімшілігінің қараңыз

    Басты бет