24. Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия фотолюминесцентных нанокомпозитных пленок Si/SiOx (1 < x 2) / А.П. Шпак, А.И. Сенкевич, В.Б. Заболотный, Э.Б. Каганович, Э.Г. Манойлов, И.М. Кизяк // Тези Міжнародної конференції “Нанорозмірні системи: електронна, атомна будова і властивості”. – Київ, 2004. – С. 388.

АНОТАЦІЯ

Манойлов Э.Г. Фотолюмінесценція у видимій області спектра плівок нанокристалічного кремнію, одержаних імпульсним лазерним осадженням. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.07 – фізика твердого тіла. – Інститут фізики напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова НАН України, Київ, 2005.

Дисертація присвячена встановленню природи фотолюмінесценції (ФЛ) у видимій області спектра при кімнатній температурі плівок нанокристалічного кремнію (nc-Sі), одержаних імпульсним лазерним осадженням (ІЛО). Досліджено умови та розроблено способи формування з прямого та зворотного, високо- та низькоенергетичного потоків частинок ерозійного факелу nc-Si плівок з видимою ФЛ. Встановлено взаємозв'язки між спектрами ФЛ з часовим розділенням, структурними властивостями, спектрами електронних станів плівок. З'ясована структурна модель фотолюмінесцентних плівок, одержаних ІЛО, що являє собою нанокомпозитну двофазну систему: квантово-розмірні Si нанокристали (НК) в SiOx (x 2) матриці. Показано, що природа видимої ФЛ цих плівок визначається ефектами розмірного квантування та діелектричного підсилення. Механізм випромінювання – анігіляція екситонів в Si НК. Інтенсивність ФЛ, її спектр та часи релаксації визначаються не тільки параметрами випромінюючого каналу рекомбінації, а і в значній мірі ступенем пригнічення безвипромінювального каналу рекомбінації шляхом насичення обірваних зв'язків кремнію. Встановлено механізм підвищення фотолюмінесцентних властивостей плівок при легуванні золотом. Сформовано гетеропереходи нано-/монокристалічний кремній з фоточутливими та електролюмінесцентними властивостями. Запропоновано технологію формування емітерів електронів холодних катодів на основі наноструктурованого кремнію.

Ключові слова: ефект розмірного квантування, квантові точки, нанокристалічний кремній, фотолюмінесценція, електролюмінесценція, метод імпульсного лазерного осадження плівок.

АННОТАЦИЯ

Манойлов Э.Г. Фотолюминесценция в видимой области спектра пленок нанокристаллического кремния, полученных импульсным лазерным осаждением. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.07. – физика твердого тела. – Институт физики полупроводников им. В.Е. Лашкарева НАН Украины, Киев, 2005.

Диссертация посвящена установлению природы фотолюминесценции (ФЛ) в видимой области спектра при комнатной температуре пленок нанокристаллического кремния (nc-Sі), полученных импульсным лазерным осаждением (ІЛО). Работа относится к актуальной проблеме физики твердого тела – полупроводниковые низкоразмерные состояния, в частности, низкоразмерный кремний. В работе исследованы условия и разработаны способы формирования импульсным лазерным осаждением пленок nc-Sі с ФЛ в видимой области спектра при комнатной температуре. Проведено комплексное исследование фотолюминесцентных свойств, в том числе с измерением спектров ФЛ с временным разрешением, структурных свойств и состава пленок методами сканирующей растровой и атомно-силовой микроскопии, рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии, путем измерения колебательных спектров методами комбинационного рассеяния света и инфракрасного поглощения, спектров электронных состояний методами электронного парамагнитного резонанса и температурной зависимости поверхностной конденсаторной фотоэдс. Методом ИЛО получены nc-Sі пленки с эффективной ФЛ в области 1.4 – 3.2 эВ с временами релаксации ФЛ от десятков нано- до десятков микросекунд. Установлена структурная модель пленок с видимой ФЛ, которая представляет собой нанокомпозитную двухфазную систему: Sі квантово-размерные нанокристаллы (НК) в SіOx (x 2) матрице.

Впервые показано, что введение атомов золота в nc-Si пленки увеличивает интенсивность ФЛ, приводит к появлению низкоэнергетических полос ФЛ в области 1.5 – 1.7 эВ с микросекундными временами релаксации. Эффект объяснен каталитическими свойствами атомов золота для процесса окисления кремния и пассивирующими – для насыщения ОС Sі.

Выяснено, что природа ФЛ определяется эффектами размерного квантования и диэлектрического усиления. Поглощение и излучение фотонов происходит в Sі НК, преобладающий механизм излучения – аннигиляция экситонов. Показано, что эффективность излучательного канала рекомбинации связана с уменьшением размеров Sі НК и увеличением степени стехиометрии SіOx барьерной фазы. В значительной мере интенсивность ФЛ, ее спектр, времена релаксации определяются степенью подавления безызлучательного канала рекомбинации путем насыщения оборванных связей (ОС) кремния. Результаты обобщены на nc-Sі, полученный другими способами, в том числе на пористый кремний, сформированный травлением.

Созданы гетероструктуры nc-Sі/c-Sі и показано, что механизм токопрохождения в них – туннелирование носителей заряда между Sі НК сквозь SіOx барьеры. Установлено, что фоточувствительные свойства структур M/nc-Sі/p-Sі/M определяются гетеропереходом nc-Sі/c-Sі, а электролюминесцентные – инжекцией дырок из слоя p-Sі и электронов из металла в nc-Sі при прямом смещении и излучательной их рекомбинацией в Sі НК. Разработана новая технология формирования эмиттеров холодных катодов в виде матрицы наноструктуированных конусов кремния прямой локальной импульсной лазерной записью по заданному рисунку без применения фотолитографии. Предложено использовать многослойные nc-Sі пленки в качестве сред для записи дифракционных решеток импульсным лазером.

Ключевые слова: эффект размерного квантования, квантовые точки, нанокристаллический кремний, фотолюминесценция, электролюминесценция, метод импульсного лазерного осаждения пленок.

ABSTRACT

Manoilov E.G. Photoluminescence in the visible spectral range of nanocrystalline silicon formed by pulsed laser deposition. – Manuscript.

Thesis is submitted for a candidate of sciences degree in physics and mathematics by speciality 01.04.07. – solid state physics. – V. Lashkaryov Institute of Semiconductor Physics, National Academy of Sciences of Ukraine, Kyiv, 2005.

The dissertation is devoted to elucidation of the nature of photoluminescence (PL) in the visible range of spectrum at room temperature of nanocrystalline silicon (nc-Si) films formed by pulsed laser deposition (PLD). Conditions were explored and methods were elaborated of obtaining nc-Sі films with visible PL from direct and reverse, high- and low-energy particle fluxes of an erosive torch. Interconnections between time-resolved PL spectra, structural properties, spectra of electronic states of films have been established. The structural model of the photoluminescent films formed by PLD has been found. It represents the nanocomposite two-phase system: the low-dimensional Sі nanocrystals (NC) in SіOx (x 2) matrix. It was shown that the nature of visible PL in these films was determined by effects of the dimensional quantization and the dielectric enhancement. The mechanism of radiation is annihilation of excitons in Sі NC. Intensity, spectrum of PL, and times of its relaxation are defined not only by parameters of the radiative channel of recombination, but also, to a great extent, by suppression of the nonradiative recombination due to saturation of silicon dangling bonds. The mechanism of improvement of photoluminescent properties of films doped with gold was established. Nano-/monosilicon heterojunctions with photosensitive and electroluminescent properties have been obtained. The method to form electron emitters of cold cathodes on a basis nanostructured silicon has been offered.

Keywords: quantum-size effect, quantum dots, nanocrystalline silicon, photoluminescence, electroluminescence, pulsed laser deposition method.