350 руб
Журнал «Динамика сложных систем - XXI век» №2 за 2009 г.
Статья в номере:
Исследование структурно-фазовых трансформаций и оптических свойств композитов на основе нанокластеров кремния в матрице оксида кремния
Ключевые слова: кремниевые нанокластеры перколяция оптические и структурные свойства кремния
Авторы:
В.Н. СЕМИНОГОВ, В.И. СОКОЛОВ, В.Н. ГЛЕБОВ, А.М. МАЛЮТИН, Е.В. ТРОИЦКАЯ, С.И. МОЛЧАНОВА, А.С. АХМАНОВ, В.Я. ПАНЧЕНКО, В.Ю. ТИМОШЕНКО, Д.М. ЖИГУНОВ, П.А. ФОРШ, О.А. ШАЛЫГИНА, Н.Е. МАСЛОВА, С.С. АБРАМЧУК, П.К. КАШКАРОВ Институт проблем лазерных и информационных технологий РАН, МГУ им. М.В. Ломоносова, Физический факультет, E-mail: timoshen@phys.msu.ru; zhigunov@ofme.phys.msu.ru
Аннотация:
Исследованы структурно-фазовые и оптические свойства нанокомпозитов на основе нанокластеров кремния в матрице оксида кремния, полученных термическим осаждением исходных пленок SiOx с x  1 на кремниевые, кварцевые и сапфировые подложки с последующим термическим отжигом при различных температурах. Проведена разработка количественных методов характеризации структурных и фазовых свойств полученных образцов методами ИК-спектроскопии и комбинационного рассеяния света (КРС), что позволило определить состав (стехиометрию) исследуемых нанокомпозитов, а также объемные доли аморфного и кристаллического кремния, содержащегося в нанокластерах Si. На основе перколяционного подхода дана картина структурно-фазовых трансформаций и связанных с ними фотолюминесцентных свойств нанокомпозита с ростом температуры термического отжига. Определены температуры достижения первого и второго перколяционного порога по аморфным и кристаллическим нанокластерам Si, при которых следует ожидать существенных изменений ряда физических (оптических, электрических, электролюминесцентных) свойств нанокомпозитных пленок, что продемонстрировано на примере их фотолюминесцентных характеристик.
Страницы: 3
Список источников
  1.  Zhao J., Green M.A., Wang A. High-efficiency optical emission, detection, and coupling using silicon diodes // Journal of Applied Physics. 2002. V. 92. N. 6. P. 2977-2979.
  2.  Green M.A., Zhao J., Wang A., Trupke T. High-efficiency silicon light emitting diodes //  Physica E. 2003. V. 16. P. 351-358.
  3.  Lazarouk S.K., Jaguirno P.V., Leshok A.A., Borisenko V.E. Reverse biased porous silicon light-emitting diodes for optical intra-chip interconnects // Physica E. 2003. V. 16.
    P. 495 - 498.
  4. Gellos B., Koshida N. Electroluminescence with high and stable quantum efficiency and low threshold voltage from anodically oxidized thin porous silicon diode // Journal of Applied Physics. 2000. V. 88. P. 4319 - 4324.
  5.  Лазарук С.К., Лешок А.А., Лабунов В.А., Борисенко В.Е. Эффективность лавинных светодиодов на основе пористого кремния // Физика и техника полупроводников. 2005. Т. 39. № 1. С. 149 - 152.
  6. Franzo G., Irrera A, Moreira E.C. et al. Electroluminescence of silicon nanocrystals in MOS structures // Applied Physics A: Materials, Science and Processing, 2002. V. 74. P. 1 - 5.
  7. Iacona F., Pacifici D., Irrera A. et al. Electroluminescence at 1.54 mm in Er-doped Si nanoclaster-based devices // Applied Physics Letters. 2002. V. 81. N. 17. P. 3242 - 3244.
  8. Castagna M.E., Coffa S., Monaco M. et al. Si-based materials and devices for light emission in silicon // Physica E. 2003. V. 16. P. 547 - 553.
  9.  Dal Negro L., Cazzanelli M., Daldosso N. et al. Stimulated emission in plasma-enhanced chemical vapour deposited silicon nanocrystals // Physica E. 2003. V. 16. P. 297-308.
  10.  Dal Negro L., Pavesi L., Pucker G. et al. Optical gain in silicon nanocrystals // Optical Materials. 2001. V. 17. P. 41-44.
  11. Toshikiyo K., Fujii M., Hayashi S. Enhanced optical properties of Si nanocrystals in planar microcavity // Physica E. 2003. V. 17. P. 451 - 452.
  12. Pacifici D., Irrera A., Franzo G. et al. Erbium-doped Si nanocrystals: optical properties and electroluminescent devices // Physica E. 2003. V. 16. P. 331-340.
  13. Pavesi L. Routes toward silicon-based lasers // Materials Today. 2005. January. P. 18 - 25.
  14. Zhigunov D.M., Seminogov V.N., Timoshenko V.Yu. et al. Effect of thermal annealing on structure and photoluminescence properties of silicon-rich silicon oxides // Physica E. 2009. V. 41. P. 1006-1009.
  15. Timoshenko V. Yu., Lisachenko M. G., Kamenev B. V. et al. Highly efficient sensitizing of erbium ion luminescence in size-controlled nanocrystalline  superlattice structures // Applied Physics Letters. 2004. V. 84. P. 2512 - 2514.
  16. Тимошенко В.Ю., Шалыгина О.А., Лисаченко М.Г. и др. Люминесценция ионов эрбия в слоях кремниевых нанокристаллов в матрице диоксида кремния при сильном оптическом возбуждении // Физика твердого тела. 2005. Т. 47. C.116 - 119.
  17. Nakamura M., Mochizuki Y., Usami K. et al. Infrared absorption spectra and composition of evaporated silicon oxides () // Solid State Communications. 1984. V. 50. N. 12. P. 1079 - 1081.
  18. Bell R.J., Bird N.E., Dean P // J. Phys. C1, 1968. P. 299.
  19.  Nozaki T., Iwamoto M., Usami K. et al // J. Radioanal. Chem. 1979. V. 52. P. 449.
  20. Лисовский И.П., Индутный И.З., Гненный Б.Н. и др. Фазово-структурные превращения в пленках  в процессе вакуумных термообработок // Физика и техника полупроводников. 2003. Т. 37. С. 98 - 103.
  21. Rinnet H., Vergant M., Burneau A. Evidence of light-emitting amorphous silicon clusters confined in a silicon oxide matrix // Journal of Applied Physics. 2001. V. 89.
    N. 1. P. 237-243.
  22. Шкловский Б.И., Эфрос А.Л. Электронные свойства легированных полупроводников. М.: Наука. 1979. С. 126 - 183.
  23. Голубев В.Г., Давыдов В.Ю., Медведев А.В. и др. Спектры рамановского рассеяния и электропроводность тонких пленок кремния со смешанным аморфно-кристаллическим составом: определение объемной доли нанокристалической фазы // Физика твердого тела. 1997. Т. 39. № 8. C. 1348 - 1353.
  24. Richter H., Wang Z.P., Ley L. The one phonon Raman spectrum in microcrystalline silicon // Solid State Communications. 1981. V. 39. N. 5. P. 625 - 629.
  25. Campbell L.H., Fauchet P.M. The effects of microcrystal size and shape jn the one phonon Raman spectra of crystalline semiconductors // Solid State Communications, 1986. V. 58. N. 10. P. 739-741.
  26. Nesbit L.A. Annealing characterization of Si-rich SiO2 films // Applied Physics Letters. 1985. V. 46. N. 1. P. 38-40.
  27. Iacona F., Bongiorno C., Spinella C. et al. Formation and evolution of luminescent Si nanoclusters produced by thermal annealing of SiOx films // Journal of Applied Physics. 2004. V. 95. P. 3723 - 3732.
  28. Емельянов В.И., Семиногов В.Н. Зависимость доли кристаллической фазы в системе нанокластеров Si в матрице SiO2 от температуры отжига // Письма в ЖТФ. 2006. Т. 32. Вып. 24. С. 18 - 23.
  29. Гайслер С.В., Семенова О.И., Шарафутдинов Р.Г., Колесов Б.А. Анализ рамановских спектров аморфно-нанокристаллических пленок кремния // Физика твердого тела. 2004. т. 46. С. 1484 - 1488.
  30. Bustarred E., Hachicha M.A. Experimental determination of the nanocrystalline volume fraction in silicon thin films from Raman spectroscopy // Applied Physics Letters. 1988. V. 52. N. 20. P. 1675 - 1677.
  31.  Paillard V., Puech P., Laguna M.A., Carles R. Improved one-phonon confinement model for an accurate size determination of silicon nanocrystals // Journal of Applied Physics. 1999. V. 86. N. 4. P. 1921 - 1924.
  32. Voutsas A.T., Hatalis M.K., Boyce J., Chiang A. Raman spectroscopy of amorphous and microcrystalline silicon films deposited by low-pressure chemical vapor deposition // Journal of Applied Physics. 1995. V. 78. N. 12. P. 6999 - 7006.
  33. Tsu R., Gonzalez-Hernandez J., Chao S.S. et al. Critical volume fraction of crystallinity conductivity percolation in phosphorus-doped Si:F:H alloys // Applied Physics Letters. 1982. V. 40. N. 6. P. 534 - 535