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

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