Національна Академія Наук України

Інститут фізики

Сальников Вадим Олександрович

УДК 538.913;536.97;623.385;

537.311;621.315.59

Фотоакустична спектроскопія

нанометрових напівпровідникових структур

01.04.07 – фізика твердого тіла

Автореферат дисертації

на здобуття вченого ступеню

кандидата фізико-математичних наук

Київ – 2002

Дисертація є рукопис.

Робота виконана в Інституті фізики НАН України.

Науковий керівник: член-корр. НАН України,

доктор фіз.-мат. наук, професор

Блонський Іван Васильович

Інститут фізики НАН України,

Завідувач лабораторії

Офіційні опоненти: доктор фіз.-мат. наук, професор

Корбутяк Дмитро Васильович

Інститут фізики напівпровідників

НАНУ,завідувач відділу

кандидат фіз.-мат. наук,

Бурбело Роман Михайлович

Київський національний університет,

фіз.факультет, доцент кафедри заг.

фізики

Провідна організація: Львівський національний

університет ім. І.Франка,

кафедра фізики напівпровідників

Захист дисертації відбудеться  “28” березня 2002 року о 1430 годині, на засіданні Спеціалізованої Вченої Ради Д 26.159.01 в Інституті фізики НАН України за адресою: 03650, Київ-39, проспект Науки, 46.

З дисертацією можна ознайомитися у науковій бібліотеці Інституту фізики НАН України.

Автореферат розісланий “26” лютого 2002 р.

Вчений секретар

Спеціалізованої Вченої Ради Д 26.159.01 Іщук В.А.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. З середини 80-х років в практику наукових досліджень в області фізики твердого тіла активно впроваджуються нові об’єкти – напівпровідникові “квантові крапки”, або як їх ще називають квазінульмірні структури. Така назва відмічених структурних форм випливає із того, що у всіх трьох напрямках просторова область локалізації хвильової функції електронних збуджень співмірна з геометричними розмірами нанокристаліту. В результаті, енергетичний спектр їх електронних збуджень відчуває вплив квантово-розмірного ефекту. На нанометровій шкалі розмірів величина енергетичної поправки, зумовлена проявом квантово-розмірного ефекту, може бути близькою за величиною до значення ширини забороненої зони відповідних трьохмірних (об’ємних) структур. Останнє відкриває можливості не тільки переведення напівпровідникових матеріалів електронної техніки на новий метричний рівень (мікро – нано), а й керування їх електронними властивостями шляхом зміни розміру і форми наночасток. Модельними об’єктами для досліджень на початковому етапі переважно були наночастки різних напівпровідникових фаз, інкорпоровані в пористі стекла, полімерні матриці, мінерали з власними пустотами нанометрових розмірів (цеоліти, опали, тощо), а також пористий кремній. Останній об’єкт викликав значний науковий і практичний інтерес у зв’язку з відкриттям яскравого явища – сильного люмінесцентного випромі-нювання у видимому діапазоні спектра, що обіцяло перспективу його практичного використання в пристроях інтегральної кремнієвої оптоелектроніки. При експериментальному дослідженні таких матеріалів центральне місце займала проблема розмірного перенормування енергетичного спектра електронних збуджень. Як правило, для її вирішення на практиці використовують методи оптичної спектроскопії. Але для випадку перерахованих вище об’єктів класичні оптичні методи діагностики є малоприйнятними, принаймні внаслідок двох причин: досліджувані об’єкти є “мутними” середовищами, для яких вклад в загальну екстинкцію від дифузної компоненти розсіяного світла є досить значним; такі речовини часто являють собою плівкові структури мікронних товщин, які знаходяться в механічному контакті з підкладкою (наприклад шар пористого кремнію в контакті з монолітним кремнієм), або структури складної геометричної форми (нанокластерні фази в порах силікагелю, цеолітів, опалів). У зв’язку з такими проблемами було виправданим використання методів, для яких відзначені особливості не були б проблемними. До таких належать спектральні методи, основані на фотоакустичному ефекті (ФАЕ). В основі ФАЕ лежить генерація пружних хвиль у досліджуваному середовищі під впливом його опромінення промодульованим по інтенсивності світлом. В залежності від властивостей досліджуваних об’єктів і експериментальних умов можливі різні механізми фотогенерації звуку: термопружний, електрон-деформаційний, стрикційний, пов’язаний з дією пондеромоторних сил, руйнуванням структури, тощо. Частими також є випадки комбінованого прояву різних механізмів. Проте найчастішою є реалізація термопружного механізму. В цьому випадку фотоакустичний відклик є згорткою трьох фундаментальних характеристик досліджуваної речовини: оптичних, теплових і пружних. Відповідно, досліджуючи залежності амплітуди РФА, зсуву фаз ФА фотоакустичного відклику від частоти модуляції світла і довжини хвилі збудження і при використанні існуючих алгоритмів обробки таких залежностей, можна не тільки відтворювати спектр оптичного поглинання структурно складних об’єктів, але й отримувати важливу інформацію про його теплові та пружні властивості. Особливості ж реалізації ФАЕ на пористому кремнії та кластерних фазах напівпровідників, інкорпорованих в різні діелектричні матриці, до моменту виконання даної дисертаційної роботи не вивчались.

Зв’язок роботи з науковими програмами. Результати дисертаційної роботи були отримані в рамках виконання планових досліджень Інституту фізики НАН України і представлені в звіті про науково-дослідну роботу “Фото-акустика нових матеріалів електронної техніки” (1996 –  рр., шифр 1.4.1 В/30, державний рег. № 0196U014439) та “Фотоакустична та люмінесцентна спектроскопія напівпровідникових наноструктур” (1999 –  рр., шифр 1.4.1 B/50, державний рег. № 0199U000880). Частина результатів, що увійшли до роботи, була отримана в рамках виконання гранту CRDF № UP1-386.

Мета дисертаційної роботи полягала у дослідженні особливостей прояву фотоакустичного ефекту в пористому кремнії та напівпровідникових наночастках, що інкорпоровані в діелектричні матриці різної щільності та поширенні методу фотоакустичної спектроскопії на вивчення оптичних і теплових властивостей напівпровідникових наноструктур.

Реалізація мети досліджень вимагала розв’язання таких задач:

1. Створення фотоакустичних спектрометрів з газомікрофонною та п’єзоелектричною реєстрацією сигналу і їх адаптація для дослідження різнотипних неоднорідних структур з включеннями напівпровідникових нанофаз.

2. Дослідження впливу щільності діелектричних матриць з інкорпорованими напівпровідниковими фазами на структуру фотоакустичних спектрів.

3. Встановлення основних механізмів фотогенерації звуку в ансамблі термоізольованих наночасток, інкорпорованих в матриці різної щільності.

4. Дослідження в режимі товщинного профілювання фотоакустичних спектрів крайового поглинання шарів пористого кремнію, які заходяться в природному контакті з монолітним кремнієм та інших напівпровідникових нанофаз, інкорпорованих в діелектричні матриці.

5. Розвиток методики і її використання для визначення коефіцієнтів температуропровідності шарів пористого кремнію, які заходяться в природному контакті з монолітною кремнієвою підкладкою.

В якості об’єктів дослідження було вибрано пористий кремній, наночастки напівпровідників CdS в цеолітах, нанофази PbI2, Pb1-xMnxI2, BiI3, HgI2 в полімерних матрицях та силікагелі.

Предметом дослідження були механізми фотогенерації звуку, оптичні та теплові властивості гетерогенних середовищ, однією з компонент яких є нанофази напівпровідників.

Застосовані методи дослідження основані на фотоакустичному ефекті з використанням газомікрофонного та п’єзоелектричного способів реєстрації сигналу в співставленні з фотолюмінесцентними дослідженнями.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в тому, що в ній вперше отримано і пояснено такі наукові результати:

1. Встановлені основні механізми фотогенерації звуку в системі термоізольованих напівпровідникових нано- і мікрочасток, інкорпорованих в діелектричні матриці різної щільності, а також в пористому кремнії за різних експериментальних умов. Виявлено значне зростання амплітуди ФА-відклику в усіх досліджуваних об’єктах в порівнянні з однорідними матеріалами, природу якого пояснено з позицій реалізації пульсаційого механізму генерації звуку, зумовленого сильними локальним перегрівом напівпровідникових фаз.

2. Запропоновано і реалізовано метод фотоакустичної спектроскопії для визначення спектру крайового поглинання шару пористого кремнію, який знаходиться в природному контакті з монолітною кремнієвою підкладкою. Виявлено “фіолетовий” зсув крайового поглинання por_Si, природу якого пояснено з позицій прояву квантово-розмірного ефекту.

3. На основі досліджень залежностей амплітуди PФА і зсуву фаз ФА від частоти модуляції світла визначено коефіцієнт температуро-проводності шарів пористого кремнію, який є функцією міри пористості структури.

4. Встановлені особливості спектральних залежностей амплітуди PФА і зсуву фаз ФА в системі CdS/цеоліт, зумовлені пористою структурою матриць. Знайдено кореляції між розмірами напівпровідникових часток PbI2, Pb1MnxI2, BiI3, HgI2 інкорпорованими в різні діелектричні матриці і їх фото-акустичними спектрами.

Практичне значення роботи полягає в тому, що продемонстровано можливості фотоакустичної спектроскопії для пошарового відтворення оптичних характеристик неоднорідних структур. Запропоновано метод визначення коефіцієнта температуропроводності двошарових структур, оснований на ФА-ефекті. На основі проведених досліджень вказано на перспек-тивність використання пористого кремнію як матеріалу для тепло-ізоляційних шарів в елементах кремнієвої мікроелектроніки.

Особистий внесок здобувача в отриманні представлених дисертаційній роботі результатів полягав в розвитку методик фотоакустичної і люмінесцентної спектроскопії в частині їх автоматизації і створення програмного забезпечення для керування експериментом та обробки отриманих результатів; самостійному проведенні експериментальних вимірювань фотоакустичних спектрів досліджуваних зразків; участі в обговоренні отриманих результатів та створенні моделей, з позицій яких пояснено отримані результати; участі в підготовці наукових статей; самостійних доповідях на міжнародних конференціях.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертаційної роботи були представлені та доповідались на таких міжнародних наукових конференціях:

1. Optical Diagnostics of Materials for Opto-, Micro- and Quantum Electronics (OPTDIM) – Kiev, May, 1997

2. ECASIA-97 (nanomaterials) – Stokholm, 1997

3. XIII National Seminar-School with international participation “Spectroscopy of Molecules and Crystals” – Sumy, April, 1997

4. 2nd International Conference “Electronic Processes in Organic Materials” (ICEPOM) – Kiev, May, 1998

5. Optical Diagnostics of Materials and Devices for Opto-, Micro- and Quantum Electronics (OPTDIM) – Kiev, October, 1999

6. NATO Advanced Research Workshop on Modern Aspects of ferroelectricity and Open Ukrainian-French Meeting on Ferroelectricity (UFMF-1) – Kiev, May 6-11, 2000.

Публікації За результатами дисертації опубліковано 7 наукових робіт, в тому числі 4 статті у провідних фахових журналах та 3 тези доповідей на міжнародних конференціях.

Структура та обсяг дисертації

Дисертаційна робота складається з вступу, чотирьох розділів, загальних висновків та списку цитованої літератури. Вона викладена на 147 сторінках і містить 38 рисунків та 3 таблиці. Список літератури включає 156 першоджерел, в тому числі 85 зарубіжних.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність вибраної теми дисертації, сформульована мета і розв’язувані задачі, визначена наукова новизна та практичне значення виконаних досліджень, зв’язок роботи з плановими завданнями; наведені відомості, що стосуються апробації роботи, публікацій, структури та короткого змісту дисертації за розділами.

Перший розділ присвячено огляду літератури з вибраної теми досліджень. У ньому приведені основні відомості про природу фотоакустичного ефекту. Окрему увагу приділено аналізові основних механізмів фотогенерації звукових коливань у твердих тілах: термо-пружного (пов’язаного з релаксацією тепла, яке утворюється при поглинанні збуджуючого світлового потоку змінної інтенсивності), електрон-деформаційного (зумовленого збудженням носіїв заряду в зону провідності при зона-зонному поглинанні світла), стрикційного (генерація звуку внаслідок безпосередньої взаємодії коротких світлових імпульсів з гетерогенним середовищем), а також механізму, пов’язаного з руйнуванням опромінюваних зразків. Обговорено умови прояву кожного з цих механізмів та зроблено оцінки, які характеризують їх ефективність за означених умов. Показано, що для більшості твердих тіл основним механізмом фотогенерації звуку є термопружний.

Розглянуто особливості газомікрофонного та п’єзоелектрич-ного методів реєстрації сигналу. Газомікрофонний метод реєстрації звукових коливань відносять до класу непрямих методик, оскільки при його використанні джерелом звукових коливань є тонкий шар газу, що омиває приповерхневу область опромінюваного зразка. Метод перспективний для дослідження зразків "неправильної форми", гетерогенних та неоднорідних матеріалів. Ще однією позитивною рисою методу є можливість відтворення за його допомогою оптичних характеристик на різних товщинах досліджуваного зразка. Необхідною умовою для використання газомікрофонного методу реєстрації є реалізація термопружного механізму генерації звуку. Послідовність відповідних фізичних процесів при цьому така: поглинання світла виділення тепла розповсюдження теплової хвилі до поверхні зразка нагрів приповерхневого шару газу виникнення в об’ємі газу звукових коливань, що реєструються за допомогою високочутливого мікрофону. В результаті розв’язку системи диференційних рівнянь, що описують вказані процеси, показано, що можлива реалізація різних режимів, при яких результуючий фотоакустичний сигнал по-різному залежить від параметрів експерименту та властивостей досліджуваного зразка. Ключовими величинами, співвідношення між якими визначає фізичну природу фотоакустичного відклику, є товщина зразка l, довжина теплової хвилі Тk/)1/2 та довжина поглинання світла l /, де  – коефіцієнт поглинання, k – коефіцієнт температуропроводності, – частота модуляції світла. У так званому випадку термічно (Т l) та оптично (l << l) товстого зразка при виконанні умови (Т < l) залежність амплітуди фотоакустичного сигналу від довжини хвилі збуджуючого світла відображає спектральну залежність коефіцієнта поглинання матеріалу. В протилежному випадку (Т > l), реалізується режим насичення, коли ФА-сигнал перестає залежати від оптичних властивостей зразка. Таким чином, умова Т < l є основною для коректного проведення експериментів фотоакустичної спектроскопії з газомікрофонним методом реєстрації сигналу і накладає обмеження на вибір значення частоти модуляції збуджуючого світла .

На відміну від газомікрофонного, п’єзоелектричний метод реєстрації акустичних коливань є прямим, оскільки реєструє акустичний сигнал, що генерується в досліджуваному зразку внаслідок реалізації фотоакустичного ефекту. Реєстрація здійснюється за допомогою п’єзоелектричного датчика, що знаходиться в акустичному контакті з поверхнею зразка. Основною перевагою даної методики є те, що використання п’єзоелектричної кераміки дає можливість роботи на значно вищих частотах модуляції. Відповідно, одним з різновидів фотоакустичної спектроскопії є її імпульсний варіант, при якому збудження звуку здійснюється за допомогою потужних імпульсів лазерного випромінювання наносекундної тривалості.

Окрім цього, в першому розділі наведено основні положення теорії квантово-розмірного ефекту та його прояву в оптичних властивостях напівпровідникових матеріалів.

У другому розділі дано опис фотоакустичних і люмінесцентних методик і методів, які використовувалися в дисертаційній роботі для відтворення краю фундаментального поглинання і визначення коефіцієнта температуропровідності досліджуваних речовин. Докладно описано функціональну схему та принцип дії фотоакустичних спектрометрів з газомікрофонною та п’єзоелектричною реєстрацією сигналу. Особливу увагу звернуто на фізичні принципи роботи газомікрофонних комірок, а також оптимізацію реєстрації акустичних сигналів при використанні п’єзоелектричних комірок з метою покращення відповідного співвідношення сигнал/шум. Зокрема, пояснена необхідність використання в схемі ФА-спектрометра додаткового вимірювального каналу, призначення якого – реєстрація шумової компоненти ФА-відклику. Для реалізації такої задачі були розроблені спеціальні диференційні ФА-комірки, що складаються з двох ідентичних камер, в одній з яких міститься зразок, а в іншій – чорне тіло. Сигнал, що реєструється мікрофоном першої з комірок, є сумою шумової компоненти та корисного сигналу від досліджуваного зразка. Мікрофон другої комірки реєструє тільки фоновий сигнал. Віднімання двох сигналів на вході диференційного підсилювача в системі обробки дозволяє відокремити із загального сигналу його шумову компоненту. Використання такої схеми реєстрації також дозволило мінімізувати флуктуації сигналу, пов’язані з лінійчастістю спектрів та часовими нестабільностями випромінювання дугової лампи ДКСШ-2500. В загальних рисах блок-схему фотоакустичного спектрометру ілюструє рис. .

У розділі 2 в стислій формі також описано технологію отримання досліджуваних зразків: структур пористого кремнію, кластерів Pb1-xMnxI2 та BiI3 в полімерах, PbI2 та HgI2 в силікагелі, а також напівпровідникових часток CdS в цеолітних матрицях.

Рис. . Функціональна схема ФА-спектрометра з газомікрофонною реєстрацією сигналу.

В третьому розділі подано результати досліджень напівпровідникових часток CdS, інкорпорованих в матрицю цеоліту. Важливою особливістю будови цеолітів є наявність періодичної структури пустот з діаметром, близьким до 1 нм. Шляхом іон-замінних реакцій в Інституті фізичної хімії НАНУ відпрацьована технологія вирощування в таких пустотах різних кластерних напівпровідникових фаз, в першу чергу CdS, рис. .

Основним експериментальним результатом цього розділу є спостереження ефекту аномально високої ефективності фотогенерації звуку кластерами CdS в цеолітній матриці при збудженні лазерними імпульсами в область власного поглинання. Дослідження були проведені за допомогою методу імпульсної ФА-спектроскопії з п’єзоелектричною реєстрацією сигналу. Показано, що ефективність генерації звуку в системі CdS/цеоліт, що являє собою ансамбль термоізольованих напівпровіднико-вих часток, майже в 20 разів вища, ніж для монокристалічних зразків CdS таких же розмірів. Запропоновано модель, яка пояснює отриманий результат з позицій прояву пульсаційного механізму генерації звуку фотозбуджених часток CdS внаслідок їх значного локального перегріву.

а) б)

Рис. . Фрагменти структури Y-цеоліту (а) та Y-цеоліту з капсульованими в його власних пустотах кластерів напівпровідникової фази CdS (б).

В цьому розділі також наведено результати експериментальних досліджень по люмінесцентній та фотоакустичній спектроскопії зразків CdS/цеоліт з різною концентрацією напівпровідникової фази. Результати люмінесцентного аналізу засвідчили про існування в досліджуваних зразках різних структурних форм CdS: мікрокристалічної фази та змішаної, до складу якої входять кластери нанометрових розмірів. Вперше методом фотоакустичної спектроскопії з газомікрофонною реєстрацією сигналу відтворені спектри крайового поглинання зразків різних структурних форм. Виявлено „фіолетовий” зсув крайового поглинання на величину ~  нм в зразках, що вміщують нанометрові включення CdS в порівнянні з зразками, в яких середній розмір напівпровідникових часток складає десятки мікрон. Природу „фіолетового” зсуву пояснено з позицій прояву квантоворозмірного ефекту в перенормуванні ширини забороненої зони.

В області „теплового насичення” ФА-відклику, яка відповідає умові Т > l, виявлено особливості в спектральних залежностях амплітуди і зсуву фаз ФА-відклику. Дається трактовка їх природи, основана на додатковому вкладі в сумарний ФА-відклик від тієї компоненти перегрітого буферного газу, який омиває напівпровідникові частки, що містяться глибоко в порах діелектричної матриці. Фотоакустичні спектри різних структурних форм CdS/цеоліт приведено на рис. .

Четвертий розділ присвячено фотоакустичній спектроскопії кластерних фаз напівпровідників у щільних діелектричних матрицях, а саме: PbI2 та BiI3 в полімерних матрицях, HgI2 та BiI3 у власних пустотах силікагелів та Pb1MnxI2 у щільних полімерних та желатинових матрицях. Для всіх досліджуваних об’єктів за допомогою ФА-спектроскопії відтворено спектри крайового поглинання, на основі аналізу яких виявлено зсув краю фундаментального поглинання в короткохвильову область спектра. Ефект пояснюється як результат прояву квантового обмеження в напівпровідникових кластерах зразків нанометрових розмірів. За величиною енергетичної поправки положення краю спектра поглинання вирахувані середні значення розмірів кристалітів нанокластерної фази, які відповідають максимуму функції розмірного розподілу f(L).

Рис 3. Спектральні розподіли амплітуди ФА відклику при частоті модуляції світла 75 Гц зразків CdS/Y-цеоліт з вмістом мікрокристалічної (1) та змішаної (2) фази. Залежність 3 якісно відображає спектральний розподіл коефіцієнта поглинання масивних монокристалів CdS.

Ще один з висновків за результатами досліджень цього типу зразків полягає в тому, що продемонстрована можливість застосування ФА-методики до аналізу крайового поглинання зразків “незручної” геометричної форми, наприклад, кульової для випадку напівпровідникових фаз HgI2 та BiI3, інкорпорованих в пустоти кульок силікагелю.

Також досліджено вплив щільності матриці на формування загального ФА-відклику в досліджуваних гетерогенних середовищах. Показано, що у випадку щільних матриць загальна амплітуда ФА-сигналу менша за амплітуду сигналу в зразках з пористою структурою матриці. Зокрема, для зразків зі щільними матрицями в області теплового насичення (Т > l) в залежностях РФА() та ФА() спостерігається плато. У випадку ж зразків з пористою матрицею в тій же спектральній області спостерігається додаткова структура. Такі експериментальні результати підтверджують той факт, що спостережуване підсилення сигналу в зразках з поруватою структурою відбувається за рахунок вкладу в загальний тиск газу в газомікрофонній комірці від тієї газової компоненти, що міститься у внутрішніх пустотах пористих зразків.

Заключний п’ятий розділ присвячено дослідженням оптичних властивостей шарів пористого кремнію, які знаходяться в природному контакті з монолітною кремнієвою підкладкою. В основі дослідження лежить ідея зміни просторової густини зони тепловиділення і її просторової локалізації при зміні і . Приводяться результати досліджень залежностей РФА та ФА від і при газомікрофонній реєстрації сигналу, а також дослідження залежності РФА() при збудженні зразків лазерними імпульсами з фіксованою тривалістю (  нс) і перебудовою спектру генераційного випромінювання в межах (550 –  нм).

Методами фотоакустичної спектроскопії з газомікрофонною реєстрацією сигналу відтворено спектр крайового поглинання товстого (~50 мкм) шару por-Si. Виявлено значний "фіолетовий" зсув крайового поглинання, який пояснено з позиції прояву квантово-розмірного ефекту в перенормуванні ширини забороненої зони кремнію. Звернуто увагу, що для por-Si з на порядок меншою товщиною шарів ФА-спектроскопія з газомікрофонною реєстрацією сигналу є мало-перспективним методом, оскільки в цьому випадку ФА-спектри зразків з тонким шаром por-Si практично співпадають з відповідними спектрами об’ємного монокристалічного кремнію (рис.4). Причина цього полягає в тому, що при вибраній частоті модуляції світла   Гц довжина теплової хвилі в десятки раз перевищує товщину пористого шару і практично локалізована в підкладковому об’ємному монокристалічному кремнії, яким і формується ФА-віклик (рис. ).

Вперше досліджено особливості прояву імпульсного ФА-відгуку por-Si при п’єзоелектричній реєстрації сигналу. В рамках цієї серії експериментів, як і в експериментах з нанокластерами CdS в цеоліті, було виявлено ефект фотогенерації звуку високої інтенсивності, який має загальність для гетерогенних систем, компонентами яких є ансамбль термоізольованих поглинаючих світло включень напівпровідникової фази і діелектрична матриця. Проаналізовано можливі механізми, що пояснюють прояв спостережуваного ефекту: в області поглинання збуджуючого випромінювання такий механізм пов’язаний з реалізацією пульсаційного режиму генерації звукових коливань; в області прозорості при імпульсному збудженні найімовірнішою є генерація звуку за рахунок реалізації стрикційного механізму.

Рис. 4. Спектральні залежності P() і () ФА_відгуку при газомікрофонній реєстрації сигналу для зразків з товщинами пористого шару 5 мкм (3, 4) і 50 мкм (1, 2), відповідно.

Рис. 5. Залежність просторової локалізації зони тепловиділення при фіксованій частоти модуляції світла від довжини хвиль збудження для варіантів: а) сильне поглинання зовнішнім пористим шаром; б) проміжне значення поглинання зовнішнім пористим шаром; в) слабке поглинання зовнішнім пористим шаром.

Методами імпульсної ФА-спектроскопії при збудженні зразків лазерним випромінюванням наносекундної тривалості з перебудовою спектра генераційного випромінювання в діапазоні, який охоплює край поглинання por-Si, відтворено спектр оптичного поглинання шарів por-Si мікронної товщини, дослідження яких методом фотоакустичної спектроскопії з газомікрофонною реєстрацією сигналу було неможливим. Положення краю власного поглинання узгоджується з відповідними результатами, отриманими на зразках з товстими шарами por-Si.

В цьому ж розділі описано метод і наведено результати дослідження залежностей амплітуди та зсуву фази ФА-відгуку від частоти модуляції збуджуючого світла, на основі яких визначено коефіцієнт температуропровідності k шарів por-Si. Показано, що величина k є функцією міри пористості речовини і для  ~  % її значення співвимірне зі значенням параметра k для SiO2, тобто рівне 0,02 см2/сек. Це демонстує можливості використання шарів por-Si з таким ступенем пористості в пристроях мікроелектроніки в якості теплоізоляційних елементів.

Основні результати і висновки

1. Вперше проведено систематичні дослідження особливостей прояву фотоакустичного ефекту з газомікрофонним і п’єзоелектричним методом реєстрації сигналу в неоднорідних просторовообмежених напівпровідникових фазах: por-Si, кристаліти CdS і типу PbI2, інкорпоровані в діелектричні матриці різної структурної щільності. В ансамблі термоізольованих напівпровідникових часток виявлено ефект підсилення ефективності фотогенерації звуку, зумовлений їх локальним перегрівом з подальшою релаксацією теплової енергії через генерацію пульсаційних коливань. Досліджено вплив структури матриці на ФА-відклик системи “напівпровідникові частки – діелектрична матриця” при газомікрофон-ному методі реєстрації сигналу. Показано, що для пористих матриць (цеоліт) має місце додаткове підсилення сигналу за рахунок нагріву “буферного” газу, що омиває внутрішні поверхні пористого середовища.

2. Запропоновано і на прикладі досліджуваних зразків реалізовано метод визначення коефіцієнта температуропровідності, оснований на дослідженнях залежностей амплітуди і зсуву фази фотоакустичного відгуку від частоти модуляції світла. Величина коефіцієнта температуропровідності є мірою пористості досліджуваних зразків і для por-Si з пористістю 70рівна 0,02 см2/сек, що еквівалентно значенню цього ж параметра для SiO2. Останнє демонструє можливість використання por-Si з заданою пористістю як теплоізоляційних покрить.

3. Продемонстрована перспективність використання фотоакустичної спектроскопії для відтворення спектрів крайового поглинання зразків складної форми і морфології (кульки, пористі середовища, багатошарові структури тощо) на основі дослідження залежностей амплітуди і зсуву фази ФА-відклику від довжини хвилі збуджуючого випромінювання при фіксованій частоті модуляції, для якої задовольняється умова Т < l.

4. В досліджуваних зразках por-Si, нанокластерних фаз CdS, інкорпорованих у власні пустоти цеолітних матриць, напівпровідникових нанофаз, введених в різні типи щільних матриць, виявлено “фіолетовий” зсув спектра крайового поглинання по відношенню до його положення в об’ємних монокристалах. Ефект пояснено з позицій впливу квантово-розмірного ефекту на перенормування ширини забороненої зони.

5. Показано, що основними механізмами генерації звуку під впливом оптичного збудження в досліджуваних неоднорідних матеріалах є термопружний, електрон-деформаційний, стрикційний; визначено найбільш оптимальні умови прояву кожного з них.

Основні результати дисертації опубліковані в статтях:

1. І.В. Блонський, М.С. Бродин, Р.Р. Малендевич, Г.М. Тельбіз, Р.М. Турчак, В.А. Тхорик, В.О. Сальников. Особливості фотоакустичних спектрів дисперсної фази напівпровідників в різних діелектричних матрицях. Укр. фіз. журнал, т. , № (1998) c.   .

2. І.В. Блонський, В.Г. Гриц, В.О. Сальников, В.А. Тхорик, О.Г. Філін, І.А. Чайковський. Фотоакустика пористого кремнію. Укр. фіз. журнал, т. , № –2 (1999) c. 197  .

3. I.V.V.A.R.R.V.O.A.J.G.M.R.V.Photothermal spectroscopy of heterostructures containing semiconductor quantum dots in organic matrix. Functional materials, v. 5, N (1998) p.   .

4. S.L. Bravina, I.V. Blonsky, N.V. Morozovsky, V.O. Salnikov. Thermowave Studies of Porous Silicon as Substrate Material for Pyroelectric Detectors. Ferroelectrics, v.254, (2001), p. 65-76.

та тезах конференцій

1. I.Blonskij, V.Tkhoryk, G.Tel'biz, R.Turchack, V.Salnikov. Photoacoustic Spectroscopy of Semiconductor Nanoclusters Incorporated into Various Dielecric Matrices. Proc. SPIE Internetional workshop on “Optical Diagnostics of Materials for Opto-, Micro- and Quantum Electronics” (Kiev, Ukraine), 1997, v. , p. .

2. M.Brodin, I.Blonskij, V.Tkhoryk, A.Filin, V.Salnikov. Role of Interface in Photogeneration of Sound by CdS Nanoparticles. “ECASIA-97 (nanomaterials)” (Stokholm, Sweden), 1997, pp. 717-720.

3. I.Blonskij, V.Tkhoryk, V.Salnikov. Photogeneration of Sound by Semiconductor Quantum Dots Ensamble. Reports of XIII National Seminar-School with international participation “Spectroscopy of Molecules and Crystals” (Sumy, Ukraine), 1997, p. 84.

Сальников В.О. Фотоакустична спектроскопія нанометрових напівпровідникових структур. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.07. – фізика твердого тіла. – Інститут фізики НАН України, Київ, 2002.

Дисертація присвячена дослідженню властивостей напівпровідникових структур з квантовими точками за допомогою фотоакустичної спектроскопії. В дисертації вперше експериментально показано, що для ансамблю поглинаючих світло термоізольованих часток властивий ефект фотогенерації звуку гігантської інтенсивності, який є наслідком локального перегріву фотозбуджених часток і релаксації енергії перегріву через генерацію пружних пульсаційних коливань. Виявлено і пояснено природу відмінностей спектральних і частотних залежностей амплітуди і зсуву фаз фотоакустичного відклику при газомікрофонній реєстрації сигналу кластерних фаз прямозонних напівпровідників в залежності від щільності діелектричних матриць. Виявлено “фіолетовий” зсув крайового поглинання нанофаз CdS і PbI2, який пояснено з позицій впливу квантово-розмірного ефекту в перенормування спектра електронних збуджень. Запропоновано новий метод визначення коефіцієнта температуропровідності, за допомогою якого показано, що для шарів пористого кремнію при пористості 70значення коефіцієнта температуропровідності тотожне відповідному для SiO2.

Отримані результати поглиблюють розуміння фізичних процесів, які протікають в ансамблі фотозбуджених напівпровідникових наночасток, та засвідчують перспективність використання фотоакустичної спектроскопії як методичної бази для вивчення властивостей цього класу матеріалів.

Ключові слова: фотоакустичний ефект, нанометрові напівпровід-никові структури (квантові точки), квантово-розмірний ефект, спектр крайового поглинання.

Сальников В.А. Фотоакустическая спектроскопия нанометровых полупроводниковых структур. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.07 – физика твердого тела. – Институт физики НАН Украины, Киев, 2002.

Диссертация посвящена исследованию свойств полупроводниковых структур с квантовыми точками методами фотоакустической (ФА) спектроскопии. Преимущества данной методики по сравнению с традиционной спектроскопией заключаются в возможности исследования оптических (а также некоторых тепловых и упругих) свойств материалов, обладающих сильным рассеянием, образцы которых могу иметь к тому же "неудобную" для исследований геометрическую форму (нанокластерные фазы в порах силикагелей, опалов, цеолитов, многослойные структуры, пористый кремний). ФА-методы базируются на использовании фотоакустического эффекта, то есть явления генерации упругих волн в исследуемой среде под воздействием на нее модулированного по интенсивности светового потока.

При проведении экспериментов использовались две различные ФА-методики – с газомикрофонной и пьезоэлектрической (импульсной) регистрацией сигнала. Газомикрофонная методика характеризуется возбуждением в образце звуковых колебаний при помощи модулированного со звуковой частотой монохроматического светового потока и регистрации их высоко-чувствительным микрофоном, помещенным вместе с исследуемым образцом в герметичный объем, заполненный буферным газом. В случае пьезоэлектрической методики для возбуждения звуковых волн применяют мощные световые импульсы малой длительности (как правило, используется лазерное возбуждение), а регистрация звуковых колебаний в образце производится при помощи пьезокерамического датчика. Вторая методика позволяет работать на ультразвуковых частотах (до МГц), что позволяет при ее использовании добиться более высокой чувствительности по сравнению с газомикрофонной методикой, однако на ее использование существенное ограничение накладывает отсутствие лазерного источника, перестраиваемого в широком диапазоне длин волн.

На основе экспериментов по импульсной ФА-спектро-скопии в диссертации впервые эксперимен-тально показано, что для ансамбля поглощающих свет термоизолированных частиц является свойственным эффект генера-ции звука гигантской интенсивности. В рамках предложенной теоретической модели показано, что эффект может проявляться вследствие локального перегрева фотовозбужденных частиц с последующей релаксацией энергии перегрева вследствие генерации упругих колебаний (пульсационный механизм генерации звука).

Обнаружена взаимосвязь свойств диэлектри-ческой матрицы с характером спектральных зависимостей амплитуды и сдвига фаз фотоакустического отклика в системах квантовых точек прямозонных полупроводников. Дано объяснение природы этой взаимосвязи в рамках пульсационного механизма генерации звуковых колебаний в данном типе материалов. Обнаружен также “фиолетовый” сдвиг краевого поглощения нанофаз CdS і PbI2, который трактуется с позиций влияния квантово-размерного эффекта на перенормировку спектра электронных возбуждений.

Предложен новый метод определения коэффициента температуро-проводности на основе анализа зависимостей амплитуды и фазы ФА-отклика от частоты модуляции возбуждающего света. Показано, что для слоев пористого кремния при пористости 70значение коэффициента температу-ро-про-вод-ности равно соответствующему значению для SiO2.

Полученные результаты углубляют понимание физических процессов, протекающих в ансамбле фотовозбужденных полупроводниковых нано-частиц, и подтверждают перспективность использования фотоакустической спектроскопии в качестве методической базы для изучения свойств этого класса материалов.

Ключевые слова: фотоакустический эффект, нанометровые полупроводниковые структуры (квантовые точки), квантово-размерный эффект, спектр краевого поглощения.

Salnykov V.O. Photoacoustic spectroscopy of nanoscale semiconductor structures. – Typescript.

Thesis for the title of Physics and Mathematic Candidate; specialization: 01.04.07. – Solid State Physics. – Institute of Physics, National Academy of Sciences of Ukraine, Kyiv, 2002.

The thesis is devoted to study of properties of semiconductor structures, containing quantum dots, by means of photoacoustic (PA) spectroscopy technique. It is shown at the first time that effect of generation of sound of giant intensity is peculiar to the systems of thermally insulated light-absorbing particles. The nature of this phenomenon is explaned by local overheating of photoexited particles and subsequent relaxation of thermal energy through the generation of elastic oscillations. The correlation between density of dielectric matrix and some peculiarities of PA spectral and frequency dependences is discovered. The origin of such behavior in the case of porous sample has been explained by contribution from interstitial (i.e. contained inside the pores of sample) gas into the total photoacoustic signal.

Also, the effect of blue shift of absorption edge for CdS and PbI2 nanophases is observed. The effect is explained as a manifestation of the quantum-size effect in energy spectrum renormalization in investigated structures if compared with corresponding bulk materials.

A new technique for thermal diffusivity coefficient determination is proposed. Using this technique we have shown that the thermal diffusivity is a measure of porosity of material and for samples of por-Si with porosity of 70 % the thermal diffusivity value is equal to corresponding value of SiO2 layers.

All the results obtained extend the understanding of physical processes inside the ensemble of photoexcited semiconductor nanoparticles and confirm the perspectives of using the PA-spectroscopy as a methodical base for studying of this class of mals.

Keywords: photoacoustic effect, nanoscale semiconductor structures (quantum dots), quantum-size effect, and absorption edge spectrum.