Научная статья на тему 'Исследование свойств тонких пленок ZnO, выращенных на подложках пористого Si'

Исследование свойств тонких пленок ZnO, выращенных на подложках пористого Si Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

CC BY
912
313
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ОКСИД ЦИНКА / ПОРИСТЫЙ КРЕМНИЙ / ТОНКИЕ ПЛЕНКИ / ФОТОДИОДЫ / ГЕТЕРОСТРУКТУРА / ZINC OXIDE / POROUS SILICON / THIN FILM / LIGHT-EMITTING DIODES / HETEROSTRUCTURE

Аннотация научной статьи по нанотехнологиям, автор научной работы — Захвалинский Василий Сергеевич, Борисенко Лилия Владиславовна, Хмара Александр Николаевич, Колесников Дмитрий Александрович, Пилюк Евгений Александрович

На полученных методом анодирования в растворе подложках пористого кремния, методом многократного центрифугирования, разложения, сушки и отжига образцов были получены пленки ZnO. Технология получения пленок была основана на многократном нанесении слоев растворов ацетата цинка Zn(CH 3COO) 2∙12H 2O в изопропиловом спирте и моноэтаноламине и их термическом разложении. Методами рентгено-спектрального энергодисперсионного анализа (EDAX), рентгенофазового анализа (РФА) и растровой электронной микроскопии (РЭМ) была исследована морфология поверхности, химический и фазовый состав тонких пленок

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по нанотехнологиям , автор научной работы — Захвалинский Василий Сергеевич, Борисенко Лилия Владиславовна, Хмара Александр Николаевич, Колесников Дмитрий Александрович, Пилюк Евгений Александрович

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

ZnO. Было проведено исследование вольтамперной характеристики полученной гетероструктуры.On the obtained by the anodizing in a solution of the porous silicon substrates, by repeated centrifugation, decomposition drying and annealing the ZnO film samples were obtained. The technology for films producing were based on multiple coats of solutions of zinc acetate Zn(CH 3COO) 2∙12H 2O in isopropyl alcohol and monoethanolamine and their subsequent thermal decomposition. Using X-ray energy dispersive analysis methods (EDAX), X-ray diffraction (XRD) and scanning electron microscopy (SEM) the surface morphology, chemical and phase composition of ZnO thin films were investigated. Study of the current-voltage characteristics of the prepared heterostructure was carried out.

Текст научной работы на тему «Исследование свойств тонких пленок ZnO, выращенных на подложках пористого Si»

УДК 533.72;532

ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ ТОНКИХ ПЛЕНОК ZnO, ВЫРАЩЕННЫХ НА ПОДЛОЖКАХ ПОРИСТОГО 81

© В.С. Захвалинский, Л.В. Борисенко, А.Н. Хмара, Д.А. Колесников, Е.А. Пилюк

Ключевые слова: оксид цинка; пористый кремний; тонкие пленки; фотодиоды; гетероструктура. На полученных методом анодирования в растворе подложках пористого кремния, методом многократного центрифугирования, разложения, сушки и отжига образцов были получены пленки ZnO. Технология получения пленок была основана на многократном нанесении слоев растворов ацетата цинка Zn(CH 3COO)2•12H2O в изо-пропиловом спирте и моноэтаноламине и их термическом разложении. Методами рентгено-спектрального энергодисперсионного анализа (EDAX), рентгенофазового анализа (РФА) и растровой электронной микроскопии (РЭМ) была исследована морфология поверхности, химический и фазовый состав тонких пленок ZnO. Было проведено исследование вольтамперной характеристики полученной гетероструктуры.

ВВЕДЕНИЕ

Развитая поверхность пористого кремния является хорошей подложкой для нанокомпозитных источников белого света на основе ZnO. Установлено, что композиты оксид цинка - пористый кремний (ZnO-PS) демонстрируют усиление эмиссии белого света в интервале спектра электромагнитных волн от 1,4 до 3,3 эВ

[1]. Распространенным решением при создании интенсивного источника белого света является смешение излучений красного, зеленого и голубого светодиодов

[2]. В то время как использование (ZnO-PS) наноком-позитов позволяет генерировать одним светодиодом смесь ультрафиолетового (3,1 эВ), желтого-зеленого (2,34-2,48 эВ), излучаемого ZnO и красного (1,82 эВ), излучаемого PS, результаты исследования фотолюминесценции (ZnO-PS) нанокомпозита при возбуждении (3,81) эВ HeCd лазером подтверждают наличие в интенсивном спектре интервала от 1,4 до 3,3 эВ трех пиков красного (1,69 эВ), зеленого (2,34 эВ) и голубого (2,88 эВ) [1]. Для получения гетероструктур на основе (ZnO-PS) нанокомпозита осаждение пленок ZnO осуществлялось влажным золь-гельным методом с использованием центрифугирования [3] и высокочастотного напыления [4]. Различные методы получения нанораз-мерных образцов ZnO различного типа [5] направлены на использование электронных, оптических и пьезоэлектрических свойств, например, при разработке низкопороговых ультрафиолетовых лазеров, работающих при комнатной температуре [6-7].

Использование (ZnO-PS) нанокомпозита для получения светодиодов белого света - это только одно из направлений использования пористого кремния. Настоящая работа посвящена получению пленок ZnO на подложках пористого кремния и исследованию их свойств.

ЭКСПЕРИМЕНТ

На зеркальную поверхность кремния р-типа марки КДБ-2 были нанесены при помощи термического вакуумного напыления пленки алюминия и серебра, далее они были отожжены в вакууме в течение 30 мин. при Т = 550 °С. Нанесение обратного металлического электрода является частью процесса получения пористого кремния методом анодирования в растворе.

Получение слоя пористого кремния было произведено посредством анодирования их в растворе состава H2O:HF:C2H5OH = 1:1:2 с принудительным перемешиванием при плотности тока j = 20 мА/см2. Время травления t = 26 мин.

Далее образцы покрывались оксидом цинка методом центрифугирования по следующей технологии. Сначала подготавливался 0,3 М раствор ацетата цинка Zn(CH3COO)2-12H2O в изопропиловом спирте, затем к нему добавлялся моноэтаноламин (МЭА) в таком же молярном количестве. Далее раствор наносился N = 7 раз на поверхность образца, после каждого нанесения образец подвергался центрифугированию, затем предварительному отжигу в течение 10 мин. при Т = 275 °С. В заключение многослойные образцы отжигались в течение 10 мин. при Т = 650 °С.

Фазовой состав и кристаллическую структуру полученных пленок ZnO исследовали методом рентгено-фазового анализа на дифрактометре Rigaku IV, съемка 0-20, в диапазоне углов 10-100 град., фильтр Ni (Kß), Cu Ka X = 1,54056 Ä, без монохроматора, в геометрии Брен-Брентано. Было установлено, что полученные пленки состояли из гексагонального оксида цинка, пространственная группа № 186 P63mc (a = 3,2533 Ä, c = 5,2073 Ä). Химический состав полученных пленок контролировался методом энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии (EDX) с помощью сфокуси-

рованного высокоэнергетического пучка электронов в сканирующем электронном микроскопе. Было установлено, что состав пленок соответствовал ZnO.

Спектры EDX, поперечное сечение нанокомпозита (ZnO-PS) и морфология поверхности пленки ZnO были исследованы на сканирующем электронном микроскопе Quanta 600 3D.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Полученные методом анодирования подложки пористого кремния имели развитую, ячеистую структуру. На рис. 1 представлен поперечный скол гетерострукту-ры ZnO/PS.

Хорошо видна развитая поверхность пористого кремния с входным диаметром пор порядка 1+1,5 мкм, покрытая пленкой ZnO. В исследованном образце поры проникают вглубь кремния на глубину 15+20 мкм. На рис. 2 хорошо видны заполненные ZnO поры кремния. Примененная нами технология нанесения пленок способствовала проникновению Zn содержащего раствора в поры за счет капиллярного эффекта, с последующим образованием оксида кремния в результате отжигов при температуре разложения ацетата цинка. На рис. 2 хорошо видны поры в монокристаллической подложке Si (100), заполненные оксидом цинка. Существенный недостаток настоящей технологии, которым является растрескивание пленки ZnO, преодолевается последовательным нанесением N слоев оксида цинка. На рис. 3 хорошо видны развитая поверхность и трещины в верхнем слое пленки ZnO.

Тот факт, что многократное нанесение слоев оксида цинка позволяет в результате создать сплошную пленку, подтверждается результатами исследования вольт-амперной характеристики композитной гетерострукту-ры ZnO/PS. Омические контакты к пленке n-ZnO и подложке p-Si (100) были изготовлены с использованием проводящей серебряной пасты. Исследование вольтамперной характеристики гетероструктуры Ag/n-ZnO/PS/Ag (рис. 4) было выполнено при комнатной температуре без учета освещенности помещения в атмосфере воздуха. Из литературы известно, что диодные и транзисторные структуры на основе ZnO и просто проводящие слои оксида цинка чувствительны к воздействию освещения, газовой атмосферы и температуры [8-9]. Дальнейшие исследования предполагают

Рис. 2. Поперечный скол гетероструктуры ZnO/PS с порами кремния, заполненными оксидом цинка

Рис. 3. Морфология поверхности пленки ZnO

Рис. 4. Вольтамперная характеристика Ag/n-ZnO/PS/Ag

гетероструктуры

Рис. 1. Поперечное сечение гетероструктуры ZnO/PS, полученное на сканирующем электронном микроскопе Quanta 600 3D

учет влияния освещенности и температуры на электрофизические свойства полученных гетероструктур.

Таким образом, в настоящей работе на подложках пористого кремния, полученного методом анодирования в растворе пластин (100), были получены

пленки ZnO толщиной порядка 1 мкм и гетерострукту-ры на их основе. Были проведены исследования состава полученных пленок оксида кремния методами рент-гено-спектрального энергодисперсионного анализа (EDAX) и рентгенофазового анализа (РФА). Было установлено, что использованная нами технология разложения ацетата цинка с последующими отжигами позволяет получить однородные и близкие по составу к стехиометрии пленки ZnO. В результате исследовании на сканирующем электронном микроскопе установлено, что входной диаметр пор в Si составил порядка 1+1,5 мкм, зафиксирован развитый характер поверхности пленки ZnO и наличие наноразмерных трещин. Многократное нанесение слоев оксида цинка позволяет залечивать трещины на нижних слоях и избегать несплошности пленки, что подтверждается полученной на нескольких образцах воспроизводимой ВАХ. Наличие ВАХ свидетельствует, что нами была на основе ZnO и PS получена диодная структура Ag/n-ZnO/PS/Ag.

ЛИТЕРАТУРА

1. Singh R.G., Singh F., Kanjilal D., Agarwal V. andMehra R.M. White light emission from chemically synthesized ZnO-porous silicon nano-composite // J. Phys. D: Appl. Phys. 2009. V. 42. P. 062002.

2. SchubertE.F. Light Emitting Diodes. Cambridge: Cambridge University Press, 2006. 431 p.

3. Kim Y.-S., Taib W.-P., Shu S.-J. Effect of preheating temperature on structural and optical properties of ZnO thin films by sol-gel process // Thin Solid Films. 2005. V. 491. P. 153-160.

4. Kayahan E. White light luminescence from annealed thin ZnO deposited porous silicon // Journal of Luminescence. 2010. T. 130. P. 12951299.

5. Nikoobakht B. Toward Industrial-Scale Fabrication of Nanowire-Based Devices // Chem. Mater. 2007. V. 19. № 22. P. 5279.

6. Ли Л.Е., Демьянец Л.Н., Никитин С.И., Лавриков А.С. Стимулированное излучение разупорядоченных сред на основе кристаллических порошков ZnO // Квантовая электрон. 2006. Т. 36. С. 233.

7. Демьянец Л.Н., Ли Л.Е., Уварова Т.Г., Мининзон Ю.М. Генерация лазерного излучения в нанокристаллах ZnO, полученных методом гидротермального синтеза // Неорган. материалы. 2008. Т. 44. С. 45.

8. Грузинцев А.Н., Волков В.Т. Модификация электрических и оптических свойств пленок под действием ультрафиолетового излучения // Физика и техника полупроводников. 2011. Т. 45. Вып. 11. С. 1476-1480.

9. Пронин И.А., Аверин И.А., Димитров Д.Ц., Крастева Л.К., Папа-зова K.И., Чаначев Л.С. Исследование чувствительности к этанолу переходов ZnO-ZnO :Fe на основе тонких наноструктурированных пленок, полученных с помощью золь-гель-технологии // Нано- и микросистемная техника. 2013. № 3. С. 6-10.

БЛАГОДАРНОСТИ: Работа частично поддержана Государственным заданием № 2014/420-367 и ЦКП НИУ БелГУ «Диагностика структуры и свойств наноматериа-лов» в рамках соглашения № 14.594.21.0010.

Поступила в редакцию 22 января 2015 г.

Zakhvalinskii V.S., Borisenko L.V., Khmara A.N., Kolesni-kov D.A., Pilyuk E.A. INVESTIGATION OF THE PROPERTIES OF ZnO THIN FILMS, GROWN ON THEPOROUS Si SUBSTRATES

On the obtained by the anodizing in a solution of the porous silicon substrates, by repeated centrifugation, decomposition drying and annealing the ZnO film samples were obtained. The technology for films producing were based on multiple coats of solutions of zinc acetate Zn(CH3COO)2-12H2O in isopropyl alcohol and monoethanolamine and their subsequent thermal decomposition. Using X-ray energy dispersive analysis methods (EDAX), X-ray diffraction (XRD) and scanning electron microscopy (SEM) the surface morphology, chemical and phase composition of ZnO thin films were investigated. Study of the current-voltage characteristics of the prepared heterostructure was carried out.

Key words: zinc oxide; porous silicon; thin film; light-emitting diodes; heterostructure.

Захвалинский Василий Сергеевич, Белгородский государственный национальный исследовательский университет, г. Белгород, Российская Федерация, кандидат физико-математических наук, профессор кафедры общей и прикладной физики, e-mail: zakhvalinskii@bsu.edu.ru

Zakhvalinskii Vasilii Sergeevich, Belgorod State National Research University, Belgorod, Russian Federation, Candidate of Physics and Mathematics, Professor of General and Applied Physics Department, e-mail: zakhvalinskii@bsu.edu.ru

Борисенко Лилия Владиславовна, Белгородский государственный национальный исследовательский университет, г. Белгород, Российская Федерация, аспирант, кафедра общей и прикладной физики, e-mail: 440127@bsu.edu.ru

Borisenko Lilia Vladislavovna, Belgorod State National Research University, Belgorod, Russian Federation, Postgraduate Student, General and Applied Physics Department, e-mail: 440127@bsu.edu.ru

Хмара Александр Николаевич, Белгородский государственный национальный исследовательский университет, г. Белгород, Российская Федерация, ассистент кафедры общей и прикладной физики, e-mail: hmara.aleks@yandex.ru

Khmara Aleksander Nicolaevich, Belgorod State National Research University, Belgorod, Russian Federation, Assistant of General and Applied Physics Department, e-mail: hmara.aleks@yandex.ru

Колесников Дмитрий Александрович, Белгородский государственный национальный исследовательский университет, г. Белгород, Российская Федерация, зав. лабораторией электронной микроскопии и рентгеновского анализа, e-mail: kolesnikov_d@bsu.edu.ru

Kolesnikov Dmitry Aleksandrovich, Belgorod State National Research University, Belgorod, Russian Federation, Head of the Laboratory of Electron Microscopy and X-ray Analysis, e-mail: kolesnikov_d@bsu.edu.ru

Пилюк Евгений Александрович, Белгородский государственный национальный исследовательский университет, г. Белгород, Российская Федерация, старший преподаватель кафедры общей и прикладной физики, e-mail: pilyuk@yandex.ru

Pilyuk Evgeny Aleksandrovich, Belgorod State National Research University, Belgorod, Russian Federation, Senior Lecturer of General and Applied Physics Department, e-mail: pilyuk@yandex.ru

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.