Формирование, структура и оптические свойства нанокомпозитных систем Ge в пористой матрице Al2O3 тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

Бельтюков, Артемий Николаевич АВТОР
кандидата технических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ
Ижевск МЕСТО ЗАЩИТЫ
2015 ГОД ЗАЩИТЫ
   
01.04.07 КОД ВАК РФ
Автореферат по физике на тему «Формирование, структура и оптические свойства нанокомпозитных систем Ge в пористой матрице Al2O3»
 
Автореферат диссертации на тему "Формирование, структура и оптические свойства нанокомпозитных систем Ge в пористой матрице Al2O3"

На правах рукописи

Бельтюков Артемий Николаевич

ФОРМИРОВАНИЕ, СТРУКТУРА И ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА НАНОКОМПОЗИТНЫХ СИСТЕМ «ве В ПОРИСТОЙ МАТРИЦЕ А1203»

01.04.07 - физика конденсированного состояния

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005569889

Ижевск 2015

005569889

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Физико-техническом институте Уральского отделения РАН

Научный руководитель: Валеев Ришат Галеевич.

кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник ФТИ УрО РАН

Официальные оппоненты: Турищев Сергей Юрьевич

доктор физико-математических наук, Воронежский Государственный университет, доцент кафедры физики твердого тела

Когай Владимир Ян-Сунович

кандидат физико-математических наук, Институт механики Уральского отделения РАН, научный сотрудник

Ведущая организация: ФГБОУ ВО «Московский Государственный Университет им. М.В. Ломоносова», г. Москва

Защита диссертации состоится « 24 » апреля 2015 г. в 16:30 ч на заседании диссертационного совета Д 004.025.01 при Физико-техническом институте УрО РАН по адресу 426000, г. Ижевск, ул. Кирова, 132. тел: (3412) 43-03-02, факс: (3412) 72-25-29

С текстом диссертации и автореферата можно ознакомиться в библиотеке и на сайте Физико-технического института УрО РАН: http://fliudm.ru/

Автореферат разослан « 19 » марта 2015 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 004.025.01 доктор физико-математических наук / - V' ДобышеваЛ.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность проблемы

Начиная с середины XX века развитие электроники идет по пути геометрической миниатюризации, подразумевающей увеличение количества элементов на одном кристалле (чипе). Это в основном достигается за счет уменьшения технологической нормы, фактически -размера транзистора. На данный момент ведущими компаниями - производителями микросхем достигнут 22 нм техпроцесс и ведется разработка 14 нм техпроцесса. Однако главная идея масштабируемой миниатюризации, заключающаяся в уменьшении геометрических размеров микроэлектронных компонентов с сохранением электрических и улучшением их функциональных характеристик, сталкивается с рядом проблем. Уменьшение активной области транзисторов и увеличение степени их интеграции ведет к возрастанию токов утечки и, как следствие, к возрастанию энергопотребления и тепловыделения. Возрастание быстродействия интегральных схем с уменьшением технологической нормы так же увеличивает тепловыделение. Кроме того, дальнейшее увеличение быстродействия ограничивается проблемами миниатюризации металлических соединений. В современных интегральных схемах временные задержки в основном определяются уже не активными элементами, а линиями межсоединешш, выполняющими роль паразитных емкостей. Таким образом, максимальная скорость распространения электрического сигнала определяется временем перезарядки линии, которое с уменьшением толщины проводника в i раз увеличивается в А2 раз [1].

Одним из направлений дальнейшего развития электроники, решающего проблему повышенного тепловыделения и ограничения быстродействия, является интеграция оптических и электронных модулей на одном чипе. Это позволяет снизить тепловыделешге и повысить скорость обмена данными. Уже сейчас компания Intel создала прототип первой в мире гибридной оптической системы передачи данных на основе кремния с пропускной способностью канала до 50 Гбит в секунду [2]. В связи с этим становится актуальной задача разработки и исследования оптических свойств новых систем и материалов, совместимых со стандартной планарной технологией.

Германий (Ge) является одним из традиционных материалов полупроводниковой электроники. Однако, вследствие непрямо зонного строения энергетической диаграммы, германий, как и кремтш, не обладает эффективной межзонной люминесценцией. Поэтому в оптике его npiiMeneirae сводилось к использованию в качестве пассивных элементов (окна, линзы) ИК-оптики, отражающего покрытия оптоволокна, подложек солнечных батарей на основе А3В5 [3]. С другой стороны, небольшая разница между прямыми и непрямыми переходами (0,15 эВ) оставляет возможность на повышение вероятности прямых переходов.

Считается, что существует три основных подхода для достижения этой цели - квантовое ограничение (создание квантовых ям и точек), выращивание напряженных слоев и сильное легирование [4].

В ряде работ [5, 6, 7] было показано, что нанокристаллические включения германия в диэлектрических оксидных матрицах люминесцируют в видимой области при комнатной температуре. На положение и интенсивность полос излучения влияет как материал матрицы, так и способ получения нанокомпозитной системы, режимы отжига, размеры включений. В качестве механизма люминесценции в различных работах авторы предполагают квантовое ограничение электронно-дырочных пар в нанокристаллитах германия, наличие дефектов на границе раздела включений с матрицей или совместное влияние данных эффектов.

Основными методами создания указанных выше систем являются магнетронное распыление, ионная имплантация, окисление эпитаксиальных пленок с последующими этапами отжига. Однако данные методы не позволяют контролировать упорядочение и форму включений. Для достижения подобных целей возможно применение методов темплатного синтеза. Одним из перспективных материалов, использующихся в качестве темплата, считается пористый оксид алюминия, поученный с помощью анодного окисления.

Анодный оксид алюминия (anodic aluminum oxide - ААО), синтезированный в определенных условиях, представляет собой матрицы с цилиндрическими порами, имеющими строго гексагональное расположение в пределах зерна. Диаметр формирующихся при анодном окислении пор в зависимости от используемого электролита и приложенного напряжения варьируется от 5 нм до 10 мкм, что представляет широкие возможности для формирования геометрии наноструктур. К настоящему моменту существует ряд работ, посвященных использованию пористого оксида алюминия для синтеза наноточек, нанонитей, наностержней и нанотрубок различными методами: золь-гель технологии, электрохимическое осаждение, молекулярно-лучевая эпитаксия, магнетронное напыление, химическая парофазная эпитаксия и др. [8]. В данной работе предлагается использовать метод термического напыления германия в сверхвысоком вакууме для заполнения пор анодного оксида алюминия и формирования тем самым нанокомпозитной системы Ge„c@AAO. Поверхность ААО не монокрисгаллическая, обладает значительной шероховатостью и эпитаксиальный рост на такой поверхности невозможен. Поэтому для формирования наноструктур в порах ААО оказывается достаточным осаждения материала при термическом напылении без излишней функциональности установок молекулярно-лучевой эпитаксии. При этом наряду с более простой и, следовательно, более дешевой конфигурацией, наблюдаются высокие скорость осаждения с сохранением чистоты получаемых образцов.

В литературе данные по синтезу и нсследовантпо люминесценции нанокомпознтной системы Сепс@ААО отсутствуют. Между тем, использование пористого А120з позволяет создавать упорядоченные масс1шы наноструктур различной формы контролируемого размера, что является определенным преимуществом для практических приложений и может помочь в определении механизма фотолюминесценции. Все это определяет актуальность настоящей работы.

Цель и основные задачи работы

Цель работы — разработка методики синтеза нанокомпознтной системы Сепс@ААО с включениями различной морфологии методом вакуумного термического напыления и исследование их структуры и оптических свойств.

Основные задачи работы

1. Разработка и создание камеры вакуумного термического напыления для осаждения пленок и наноструктур Ос;

2. Получение матриц анодного АЬОз с различными характеристиками пористой структуры (диаметр пор и расстояние между их центрами);

3. Разработка методики формирования нанокомпозитных систем Оепс©ААО с включениями различной морфологии

4. Исследование состава, структуры и морфологии нанокомпозитных систем Ое„с@ААО;

5. Исследование характеристик оптического поглощения и фотолюминесценции нанокомпозитных систем Сепс@ААО во взаимосвязи со структурными и морфологическими особенностями.

Научная новпзпа работы

В работе впервые:

1. Предложена методика получения нанокомпозитных систем Ое„с@ААО с включениями различной морфологии на основе метода термического напыления материала па матрицы анодного А12Оз с различными характеристиками пористой структуры;

2. Установлены закономерности формирования структуры и морфологии нанокомпозитов Оепс@ААО в зависимости от пористой структуры матриц анодного АЬОз и режимов напыления;

3. Установлено влияние структурных и морфологических особенностей нановключений германия на характеристики оптического поглощения и люминесценции нанокомпозитных систем Ое„с@ААО.

Научная и практическая ценность работы

1. Разработана и изготовлена камера термического напыления для получения пленок и наноструктур Ge в условия сверхвысокого вакуума с контролируемой скоростью осаждения;

2. Разработана методика, позволяющая получать наноструктуры различной морфологии (наностержни или нанотрубки) в зависимости от характеристик пористой структуры матрицы (диаметр пор и расстояние между их центрами);

3. Определено влияние размерных эффектов на положение края оптического поглощения и поверхностных дефектов на фотолюминесцентные свойства нанокомпозитных систем Genc@AAO;

4. Предложенная методика формирования наноструктур полупроводников в диэлектрической матрице анодного AI2O3 может быть использована в технологиях создания устройств наноэлектроники и нанооптики, таких как источники и детекторы видимого и ИК излучения.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Методика формирования нанокомпозитных систем Genc@AAO с включениями различной морфологии на основе метода термического напыления материала на матрицы анодного AI2O3 с различными характеристиками пористой структуры;

2. Закономерности формирования структуры и морфологии нанокомпозитов GenC@AAO в зависимости от пористой структуры матриц анодного AI2O3 и режимов напыления;

3. Влияние структурных и морфологических особенностей нановключений германия на характеристики оптического поглощения и люминесценции нанокомпозитных систем Ge„c@AAO.

Личный вклад автора

Диссертация является самостоятельной работой, обобщившей результаты, полученные лично автором и в соавторстве. Разработка камеры термического напыления, внутрикамерной оснастки и модернизация сверхвысоковакуумной установки LAS-2000 (Riber) велась совместно с В.М. Ветошкиным. Все образцы получены лично автором. Экспериментальные исследования проводились самим автором, либо при его непосредственном участии. Анализ, обработка результатов и подготовка публикаций проводились совместно с соавторами. Цель и задачи работы поставлены научным руководителем Р.Г. Валеевым.

Апробация результатов работы

Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: VII Национальная конференция РСНЭ-НБИК (г. Москва, 2009), VIII и X

Всероссийская школа-конференция молодых ученых (г. Ижевск 2010, 2013), XIV Национальная конференция по росту кристаллов (г. Москва, 2010), EMRS Fall Meeting (г. Варшава, 2013), XX Всероссийская конференция студентов физиков и молодых ученых ВНКСФ-20 (г. Ижевск, 2014), II Всероссийской научной молодежной конференции «Актуальные проблемы натго- и микроэлектроники» (г. Уфа, 2014).

Публикации

По теме диссертащш опубликовано 12 работ, в том числе 4 работы в изданиях рекомендованных ВАК для публикации результатов диссертационных работ, 1 патент и 6 тезисов докладов.

Объем п структура диссертации

Работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы. Содержание диссертации изложено на 119 страницах машинописного текста, включая 56 рисунков и 8 таблиц. Библиографический список содержит 88 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении отражена актуальность проблемы, рассматриваемой в диссертационной работе; сформулирована цель и основные задачи; указаны научная новизна и практическая значимость работы; представлены основные положения, выносимые на защиту; приведены сведения о структуре и содержании диссертации, личном вкладе автора и апробации результатов работы.

В первой главе сделан краткий обзор методов формирования нанокомпозитных систем, представляющих собой кристаллические нановключения германия в оксидных матрицах. Рассмотрены основные модели, предлагаемые для объяснения фотолюминесценции данных систем в видимой области спектра. Отдельно рассматриваются синтез и свойства анодного оксида алюминия (ААО), обладающего уникальной пористой структурой, и его применение для синтеза упорядоченных массивов наноструктур различными методами. Обсуждается возможность применения матриц ААО в качестве темплатов для формирования нанокомпозитных систем. Глава закапчивается выводами, постановкой цели и задач диссертации.

Вторая глава посвящена описанию основных методик, применяемых для решения поставленных задач: метод термического напыления для синтеза тонких пленок; атомно-силовая микроскопия (АСМ) - исследование шероховатости и морфологии поверхности; рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (РФЭС) — исследование химического состава поверхности; спектроскопия диффузного отражения и фотолюминесцентная спектроскопия — исследования оптических свойств. Дано описание используемых приборов и режимов их

работы. Указано программное обеспечение и подходы, применяемые для обработки полученных результатов.

В третьей главе описана модернизация сверхвысоковакуумной установки LAS-2000. Изготовленные камера термического испарения и внутрикамерная оснастка, состоящая из испарителя, тепловых экранов, держателя и нагревателя образцов, позволили получать пленки германия с контролируемой по температуре тигля скоростью роста. Минимальная и максимальная скорость роста пленки на гладкой поверхности поликора составила около 0,4 и 100 А/мин при температуре тигля 960 и 1280 "С, соответственно. Скорость роста определялась из известного времени напыления и толщины пленки. Толщина пленок измерялась с помощью АСМ и ее неоднородность по площади образца (10x10 мм) составила менее 1% процента. Давление остаточных газов до начала процесса испарения германия было не хуже 5 • 10 7 Па при температуре тигля 960 °С.

Аттестация образцов методом РФЭС показала отсутствие посторонних примесей в напыляемых пленках независимо от режимов осаждения. Некоторые загрязнения обнаруживаются только на поверхности, что связано с адсорбцией атмосферных газов. Германий, как и кремний, легко окисляется в нормальных условиях. При этом в сверхтонком слое возможно образование термодинамически неустойчивых оксидов. Было обнаружено влияние шероховатости поверхности на глубину слоя естественного окисла. С увеличением шероховатости доля оксидной фазы возрастает, что может быть существенным при осаждении тонких пленок на поверхностях с сильно развитым рельефом.

При термическом напылении в процессе роста пленка германия повторяет рельеф поверхности подложки. На Рисунке 1 видно, что неровности, начинающиеся на поверхности поликора, продолжаются и на поверхности германия. При этом шероховатость пленки с ростом толщины уменьшается незначительно, а на тонких пленках (менее 100 ® О S J0 !5 20 ,15 50 35 от

нм) может даже возрастать, что связано с различными Рисунок 1 Поверхность

поликора (слева) и пленки Ge условиями роста на впадинах и выступах (Таблица 1). „ ,

' r J толшинои 340 нм (сплава)

Таблица 1. Шероховатость пленок Ge различной толщины

Параметр шероховатости Поликор (среднее значение) Пленка

h = 40 нм h = 90 нм h = 340 нм

Sa, нм 5 6 5 5

S10z, нм 43 58 43 38

В четвертой главе описывается методика формирования нанокомпозитных систем Оепс@ААО (нанокристаллические включения германия в матрице пористого оксида алюминия). В первом разделе главы описаны режимы синтеза матриц ААО и приводятся результаты исследования их морфологии. В зависимости от режимов анодирования были получены матрицы с диаметрами пор от 15 до 165 нм и расстояниями между их центрами от 37 до 340 нм. Наилучшее упорядочение наблюдается для образцов, полученных при напряжении 40 В (Рисунок 2).

После синтеза матриц ААО на их поверхность методом термического напыления при различных температурах подложки осаждались пленки ве. Пленка начинает расти на межпоровом пространстве, постепенно разрастаясь и закрывая поры. Формируется сплошная мелкозернистая пленка, поверхность которой повторяет все особенности матрицы-подложки. Аттестация

кристаллической структуры полученных образцов методами рентгеновской дифракции и спектроскопии комбинационного рассеяния показали, что в процессе напыления при температуре подложки ниже 300 °С пленки ве аморфные, в диапазоне температур 300 - 500 °С - аморфно-кристаллические, а выше 500 "С - кристаллические. Кристаллические пленки состоят из блоков, средний размер которых около 10 нм.

Для исследования морфологии наноструктур йе, образованных в каналах пор, матрица

ААО удалялась в 5% растворе фосфорной кислоты. Расположение наноструктур и их

поперечные размеры повторяют пористую структуру исходных матриц. В зависимости от

размера пор матрицы в их

каналах формируются либо

нанотрубки, либо

наностержни. На Рисунке 3

представлено изображение

наноструктур Ое,

полученных на матрицах с

различными диаметрами

пор (- 40 и - 70 нм) и

Рисунок 3. Наноструктуры ве, полученные в матрицах ААО с одинаковым расстоянием

аспектным соотношением А = 2,3 (слева) и А = 1,5 (справа)

между их центрами (- 100

Рисунок 2. Матрица ААО, полученная при 40 В

нм). В случае формирования наностержней отношение расстояния между центрами пор к их диаметру А = I /£> лежит в диапазоне от 2,1 до 2,5. При значениях А меньше 2, что фактически означает, что толщина стенки между соседними порами меньше диаметра этих пор, образуются нанотрубки.

Формирование наноструктуры можно условно разбить на два конкурирующих процесса. Первый - это адгезия германия на стенках поры, которая ведет к ее зарастанию по направлению к центру. Второй - это рост пленки на поверхности матрицы, который приводит к закрытию пор сверху. В случае если толщина стенки между порами больше их диаметра (А > 2), в зарастании поры решающее значение имеет первый процесс, приводящий к формированию наностержней. В обратном случае (А < 2) превалирует второй процесс и образуются нанотрубки.

Пятая глава посвящена исследованию оптических свойств нанокомлозитных систем Ое„с@ААО. Как известно из литературы, на оптические свойства подобных систем большое влияние оказывают электронные состояния на поверхности наноструктур. Поэтому первый раздел главы посвящен исследованию границы раздела между германием и оксидом алюминия. Методом РФЭС было показано, что на границе раздела германий окисляется. При этом валентность может изменяться от Ое1+ до Се4+ (Рисунок 4). Окисление германия на границе раздела пленки с матрицей возможно при напылении: за счет взаимодействия с адсорбированным кислородом или остаточными газами среды. Однако в этом случае должен был бы наблюдаться избыток содержания кислорода по сравнению со стехиометрическим составом оксида алюминия. Между тем, соотношение между концентрациями кислорода и алюминия на всех спектрах соответствует стехиометрическому А1гОз. Окисление германия, таким образом, происходит за счет взаимодействия непосредственно с матрицей. Это приводит к дополнительному химическому сдвигу линий А1 2р и О и примерно на 0,8 эВ по сравнению с исходным состоянием матрицы до напыления. Следовательно, на границе раздела ве/АЬОз происходит образование тонкого переходного слоя, в котором германий вступает в химическое взаимодействие непосредственно с оксидной матрицей, замещая катионы А1". В результате образуется сложный оксид Сех-А1у-Ог переменного состава.

и г-ё 10

Г\ —

Ь * ----о«'

1: \\

/ ' . \ ......

# ' V.

> X

г \

ЙМ 12» 12» !22й 1122

.Цш ата, >В

Рисунок 4. Разложение спектра (Зе 2р3/2 на компоненты

Оптическое поглощение образцов было рассчитано из спектров диффузного отражения, полученных на спектрометре Perkin Elmer Lambda-950, по соотношению Кубелки-Мунка [9]. Используемый в соотношешш коэффициент рассеяния предполагается независящим от длины волны, что приводит к систематическим ошибкам, особенно заметным в коротковолновой области спектра. Несмотря на это все особенности спектра диффузного поглощения совпадают с особенностями реального спектра поглощения и это дает возможность провести качественную оценку.

На Рисунке 5 представлены спектры нанокомпозитных систем Ge„c@AAO, полученных при разной температуре подложки. При температуре 500 °С на спектрах появляются полосы поглощения, соответствующие прямым ® ; * ¡,с ;.,«>>.» переходам в Ge (около 2,1 и 4,3 эВ), что обусловленно кристаллизацией пленок. Кроме того, наблюдается сдвиг края поглощения в коротковолновую область. Аналогичная ситуация наблюдается для образцов, полученных на матрицах с другими характеристиками пористой структуры (Рисунок 6). Однако величина сдвига оказывается различной. Наблюдается корреляция сдвига края собственного поглощешш с размерами включений германия. С уменьшением диаметра наноструктур край поглощения смещается в высокоэнергетическую область, что характерно в случае проявления размерного ограничения электронно-дырочных пар. Диаметры нановключешш значительно превышают боровский радиус экситона в Ge, характеризующий его пространственную локализацию. Но, как было показано выше, сами наноструктуры состоят IB более мелких кристаллитов, для которых возможно выполнение условия слабого ограничения. Так, для образца Genc@AA0120top из данных рентгеновской дифракции и спектроскопии комбинационного рассеяния было определено, что средний размер кристаллитов составляет около 10 нм. В этом случае по теории возмущений ширина запрещенной зоны

ЗОЙ «О» «ЙО 1500 18Ш1 2100 Siitt

''Л:-'-.

Рисунок 5. Зависимость спектра поглощения нанокомпозитной системы Се„@ААО от температуры синтеза. Е1 = 2,1 эВ, Е2 = 4,3 эВ прямые переходы в объемном Се

м 0 8 1С I ! ; ( /.. ,<; Рисунок 6. Край поглощения для образцов, полученных на матрицах с разными характеристиками пористой структуры

должна увеличиться на 0,23 эВ по сравнению с объемным германием и составить 0,9 эВ. Для нашего образца край собственного поглощения и, следовательно, оптическая ширина запрещенной зоны равняется 0,82 ± 0,05 эВ. Несколько меньшие значения ширины запрещенной зоны могут быть связаны с размытием края из-за непрямозонного поглощения и разбросом по размерам кристаллитов.

В следующем разделе главы описаны результаты исследования фотолюминесценции систем Оепо@ААО. При длине волны возбуждающего излучения 250 нм наблюдается широкая полоса фотолюминесценции от 330 до 520 нм с максимумом около 400 нм. Значительный вклад з.й гм а.а з 2.8 г# гл *«. >» в спектры вносит излучение матрицы, которое

Т-—1—-1--:-'-!---)---!---1---

§ 1 _ „»„■ж "с связано с рекомбинацией на дефектных Б центрах.

£-1 / \ "' Однако после осаждения германия на матрицу

, у ^

/ Ц »ч»и< ДАО максимум фотолюминесценции смещается в

I \

4 / коротковолновую область (Рисунок 7). С

1 Т / повышением температуры синтеза

4 /. / / 'X "ч наиокомпозитной системы Ое„с@ААО

I !// / ХХ-Х.

I (у/ / х. ч интенсивность излучения возрастает, однако

гу/— __положение максимума не изменяется.

№ ■«*:> № .«> .«» _

Следовательно, появление фотолюминесценции в

Рисунок 7. Зависимость спектра видимой и УФ областях спектра не связано с фотолюминесценции наиокомпозитной

системы Оепс@ААО от температуры кристаллической структурой включений. Точно синтеза так Ж£ положение полосы излучения не зависит от

размера и морфологии включений германия. Однако при одной и той же температуре синтеза интенсивность возрастает для образцов Ое„с@АА040, Се1Ю@АА080, ОепС@АА01201ор, соответственно. Это возрастание соответствует увеличению доли поверхности нановключений йе и шероховатости матрицы. Для Ое„с@АА0120'ор оно оказывается максимальным, а для Ое„с@АА040, соответственно, минимальным (Таблица 2). Следовательно, появление излучения в данной области можно связать с поверхностными состояниями на границе раздела полупроводник/оксид.

Таблица 2. Отношение площади поверхности (Б) нановключений Ое к собственному объему (V)

Образец Шероховатость матрицы Ба, нм в/У, нм"1

Оеос@АА040 4 ± 1 0,11 ±0,02

Сепс@АА080 10±3 0,19 ± 0,02

Оепс@АА0120 16 ± 2 0,48 ± 0,02

: ■ ; ■ 1 '

[

жиТ

/ V -л-

1 \ _ мирка А; Д.

/ г \

•< \ X. \

/ / .ж-*- Л . \ >Ох \

1 /у / / / / X. X х •• ч

Ух У

Методом рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии было показано, что на границе раздела нановключений германия с оксидной матрицей формируется топкий переходный слой Gex-Aly-Oz переменного состава, содержащий катионы германия с валентностью от Ge1+ до Ge4'. Данная система содержит множество дефектов, связанных с наличием оборванных связей Ge-Ge, Ge-O и Ge-Al, которые могут играть роль центров излучателыюй рекомбинация [10]. Плотность электронных состояний пропорциональна отношению содержания германия к радиусу наноструктур (фактически отношение площади поверхности к объему) [11]. С возрастанием температуры подложки при термическом напылении толщина переходного слоя, а значит и концентрация дефектов, должна увеличиваться за счет более эффективной диффузии германия на поверхности оксида. Это приводит к возрастанию интенсивности фотолюминесценции. Так же очевидно, что с возрастанием площади переходного слоя на более развитом рельефе включений германия интенсивность излучения будет увеличиваться.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Разработана и изготовлена камера термического испарения с необходимой оснасткой, позволяющая получать пленки германия с контролируемой по температуре тигля (960 - 1300 °С) скоростью роста (0,4 - 100 А/мин). Аттестация образцов методом РФЭС показала отсутствие посторонних примесей в напыляемых пленках независимо от режимов осаждения.

2. При естественном окислении на воздухе на пленках германия образуется сверхтонкий оксидный слой переменного состава. С возрастанием шероховатости подложки доля оксидной фазы возрастает, что может быть существенным при осаждении тонких пленок на поверхности с сильно развитым рельефом.

3. Методом анодного окисления синтезированы матрицы пористого оксида алюминия с диаметрами пор от 15 ± 2 до 165 ± 20 нм и расстояниями между их центрами от 37 ± 2 до 340 ± 20 нм.

4. Методом термического напыления в каналах пор ААО получены нановключения германия. Морфология наноструктур зависит от диаметра пор и расстояния между соседними порами н определяется конкурирующими условиями осаждения Ge на межпоровом пространстве и вертикальных стенках поры. Различные значения отношения толщины стенки к диаметру поры А приводят к формированию либо трубок (А < 2), либо стержней (А > 2).

5. В процессе напыления при температуре подложки менее 300 °С структура получаемых нановключений Ge аморфная, в интервале температур от 300 до 500 "С — аморфно-кристаллическая, а выше 500 °С - кристаллическая. Кристаллические нановключения Ge состоят из блоков нанометрового размера (до 15 нм).

6. Фотолюминесценция нанокомпозитной системы Ge„c@AAO в области от 330 до 520 нм обусловлена поверхностными состояниями на границе раздела полупроводниковых включений с оксидной матрицей, плотность которых зависит от температуры синтеза и морфологии поверхности. Для наночастиц германия в пористых матрицах AI2O3 показано, что роль центров излучательной рекомбинации выполняют дефекты в тонком переходном слое, в котором образуется сложный оксид Gex-Aly-Oz переменного состава, содержащий катионы германия с валентностью от Ge1+flo Ge4+.

7. Малый размер кристаллитов, из которых состоят нановключения Ge, приводит к пространственной локализации электронно-дырочных пар, что вызывает увеличение оптической ширины запрещенной зоны Ge до 0,85 эВ.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

AI. Валеев Р.Г. Синтез и исследование структуры упорядоченных массивов нанонитей германия / Р.Г. Валеев, Д.В. Сурнин, А.Н. Бельтюков, В.М. Ветошкин, В.В. Кривенцов, Я.В. Зубавичус, A.A. Елисеев, H.A. Мезенцев // Журнал структурной химии. -2010. Т. 51 (Приложение). С. 135-139

А2. Валеев Р.Г. Модернизация камеры подготовки образцов установки Riber LAS — 2000 для сверхвысоковакуумного напыления тонких полупроводниковых пленок / Р.Г. Валеев, А.Н. Бельтюков, В.М. Ветошкин, Д.В. Сурнин, O.P. Бакиева, C.B. Хоряков // Вакуумная техника и технология. -2010 №4, т.20. С.235-240.

A3. Валеев Р.Г. Синтез наноразмерных структур на основе Германия в матрице пористого оксида алюминия / Р.Г. Валеев, А.И. Чукавин, А.Н. Бельтюков // Вестник УдГУ, Сер. Физика. -2011. -№2. -С.3-7.

A4. Валеев Р.Г. Способ получения полупроводниковой наноструктуры / Р.Г. Валеев, Д.В. Сурнин, В.М. Ветошкин., А.Н. Бельтюков, A.A. Елисеев, К.С. Напольский, И.В. Росляков, Д.И. Петухов // Патент № 2460166 от 27.08.2012

А5. Валеев Р.Г. Люминесценция наноструктур Ge в пористом А1203 / Р.Г. Валеев, А.Н. Бельтюков, Д.В. Сурнин, P.M. Закирова // Химическая физика и мезоскопия. 2014. Т. 16. № 1. С. 115-118.

А6. Beltiukov A. Formation of ordered array of core/shell ZnS/Ge/ZnS nanostructures by thermal evaporation method / A. Beltiukov, R. Valeev, E. Romanov, V. Mukhgalin // P hys. Status Solidi С 11, No. 9, 1452-1454 (2014)

A7. Сурнин Д.В. EXAFS-исследование нитевидных наноструктур Ge / Д.В. Сурнин, Р.Г. Валеев, А.Н. Бельтюков, В.М. Ветошкин, A.A. Елисеев, В.В. Кривенцов, Я.В.

Зубавичус // VII Национальная конференция РСНЭ-НБИК - 2009, Москва, 2009 г., тезисы докладов - стр. 137 А8. Бельтюков А.Н. Синтез пористых пленок оксида алюминия / А.Н. Бельтюков // VIII Всероссийская школа-конференция молодых ученых" КоМУ-2010", Ижевск, 2010 т., сборник тезисов докладов - стр. 23 А9. Валеев Р.Г. Исследование механизмов формирования полупроводниковых наноструктур в пористых матрицах А1203 / Р.Г. Валеев, Э.А. Романов, В.М. Ветошюш, А.Н. Бельтюков, А.И. Чукавпн, C.B. Хохряков, A.A. Елисеев, В В. Кривенцов // XIV Национальная конференция по росту кристаллов, Москва, 2010 г., тезисы докладов Т.2 - стр. 166 А10. Бельтюков А.Н. Формирование упорядоченного массива наноструктур ZnS/Ge/ZnS в порах анодного А1203 / А.Н. Бельтюков, Р.Г. Валеев, Э.А. Романов // X Всероссийская школа-конференция молодых ученых" КоМУ-2013", Ижевск, 2013 г., сборник тезнсов докладов - стр. 17 All. Бельтюков А.Н. Фотолюминесценция наноструктур германия в матрице пористого оксида алюминия / А.Н. Бельтюков // XX Всероссийская конференция студентов физиков и молодых ученых ВНКСФ-20, 2014 г., Ижевск, тезисы докладов - стр. 279 - 280

А12. Бельтюков А.Н. Формирование и оптические свойства полупроводниковых наноструктур в матрице пористого оксида алюминия / А.Н. Бельтюков, Р.Г. Валеев // II Всероссийская научная молодежная конференция «Актуальные проблемы нано- и микроэлектроники», 2014 г., Уфа, тезисы докладов - стр. 115

СПИСОК ЦИТИРУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Зебрев, Г.И. Физические основы кремниевой наноэлектроники: учебное пособие для вузов / Г.И. Зебрев - М. : БИНОМ. Лаборатория знаний, 2011.

2. White Paper Intel Labs July 2010. The 50G Silicon Photonics Link // www.intel.com/go/sp.

3. Наумов, A.B. Мировой рынок германия и его перспективы / А.В. Наумов // Известия вузов. Цветная металургия. №4 2007.

4. Cheng S.L. Room temperature 1.6 цт electroluminescence from Ge light emitting diode on Si substrate / S.L. Cheng , J. Lu , G. Shambat , H.Y. Yu , K. Saraswat , J. Vuckovic, Y. Nishi // Optics Express 17, 10019,2009.

5. Maeda Y. Visible photoluminescence of Ge microcrystals embedded in Si02 glassy matrices / Y. Maeda, N. Tsukamoto, Y. Yazawa // Appl. Phys. Lett. 1991. V.59. P.3168.

6. Paine D. C. Visible photoluminescence fro nanocrystalline Ge formed by Hz reduction of Si0,6Ge0,4O2 / D. C. Paine, C. Caragianis, T. Y. Kim // Appl. Phys. Lett. 1993. V.62. P.2842.

7. Zacharias M. Blue luminescence in films containing Ge and Ge02 nanocrystals: The role of defects /М. Zacharias, P. M. Fauchet//Appl. Phys. Lett. 1997. V.71. P.380.

8. Poinern G. E. J. Progress in Nano-Engineered Anodic Aluminum Oxide Membrane Development / G. E. J. Poinern, N. Ali, D. Fawcett//Materials 2011,4,487-526.

9. Кортом Г. Принципы и методика измерения в спектроскопии диффузного отражения / Г. Кортюм, В. Браун, Г. Герцог //Успехи физических наук 1965. Т. 85, вып. 2. С. 365-380.

10. Фролова Е.В. Природа люминесценции в Ge-содержащих оксидных системах / Е В. Фролова, С.В. Ващенко, Е.А. Тявловская, Ю.В. Бокщпц, Г.П. Шевченко, С.К. Рахманов // Известия национальной академии наук Белоруси, Серия химических наук № 1, 2011

11. Cosentino S. The role of the surfaces in the photon absorption in Ge nanoclusters embedded in silica / S. Cosentino, S. Mirabella, M. Miritello, G. Nicotra, R.L. Savio, F. Simone, C. Spinella, A. Terras // Nanoscale Research Letters 2011, 6:135.

Отпечатано с оригинал-макета заказчика

Подписано в печать 02.03.15. Формат 60x84 '/16. Тираж 100 экз. Заказ № 435.

Типография ФГБОУ ВПО «Удмуртский государственный университет» 426034, Ижевск, ул. Университетская, 1, корп. 2. Тел.68-57-18