ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЕ СВОЙСТВА СИСТЕМ "ПОРИСТЫЕ КРЕМНИЙСОДЕРЖАЩИЕ МАТРИЦЫ - НАНОЧАСТИЦЫ PBS" Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

Рис.1. Изображение поверхности por-Si (увеличение 250 000 крат)

Рис.2. Спектры поглощения (кривая 1) и люминесценции (кривая 2) коллоидных квантовых точек PbS (тип 935)

исследуемых ККТ. Небольшой сдвиг максимума излучения относительно первого экси-тонного пика на спектре поглощения (малое значение стоксова сдвига) указывает на низкую дефектность частиц. Исследованы два типа образцов (РЬБ 935 и РЬБ 950), отличающихся размерами квантовых точек (рис.3,а), о чем свидетельствует различие в положении максимумов спектра излучения. При этом для частиц, находящихся в жидких средах, разница в местоположении максимума спектра излучения превышала 35 нм.

850 950 1050 1150 850 950 1050 1150

Длина волны, нм Длина волны, нм

а б

Рис.3. Спектры фотолюминесценции ККТ РЬ8, находящихся в растворах (а) и осажденных на подложки (б)

Осаждение наночастиц РЬБ на пористые кремнийсодержащие матрицы по-разному влияет на спектр люминесценции. Нанесение квантовых точек на подложки пористого кремния сразу после анодирования не приводит к существенному изменению спектра их люминесценции (рис.4,а). При использовании подложек пористого кремния, окислившегося на воздухе, наблюдается сдвиг максимума в сторону более коротких длин волн.

Смещение спектра люминесценции можно объяснить следующим образом. Исходный коллоидный раствор содержит квантовые точки различных размеров. Размеры пор в неокисленной подложке могут быть слишком велики для существенного влияния на размеры частиц, попадающих в поры. В случае использования подложки на основе

0

1 -

I

к

10,80,60,40,20"

/ - окисленный пористый кремний + РЬв 935 2 - РЬЭ 935 3 - пористый кремний + РЬ5 935

/ А \ / /* \

1 ч / /* / /* / /* / / * \ А. \ *\

У' \ Л \ Л \ *\ \ %\

и* \ Л \ А \А

(я К

0,8

0,6 0,4

0,2

1 - окисленный пористый кремний 2 - окисленный пористый кремний + РЬБ 935 3 - окисленный пористый кремний + РЬ8 950

Т^Чч

Ч / \ \\ \ V

850

950 1050

Длина волны, нм а

1150

850

950 1050

Длина волны, нм б

1150

Рис.4. Спектры люминесценции ККТ РЬ8, осажденных на пористые подложки или находящихся в растворах (а), и окисленных подложек с осажденными квантовыми точками и без них (б)

окисленного пористого кремния размер пор уменьшается за счет образования оксида. В результате в поры входят только мелкие наночастицы, т.е. происходит их селективный отбор. Также при нанесении и распределении наночастиц по поверхности подложки вследствие воздействия капиллярных и иных сил может происходить распад более крупных частиц с последующим отбором более мелких, что приводит к сдвигу люминесценции в коротковолновую область. При этом начальный размер частиц практически не влияет на величину квантовых точек, осажденных на окисленную пористую матрицу, поскольку спектры излучения осажденных частиц различного типа почти идентичны (рис.3,б).

Нанесение ККТ РЬБ на поверхность пористого кремния приводит к модификации спектров фотолюминесценции материала самой подложки. На рис.4,б представлены спектры фотолюминесценции образцов пористого кремния, не содержащих наночастицы, и структур окисленного рог-Б1, на поверхность которых осаждались ККТ РЬБ. Люминесценция пористого кремния связана с излучением из наностержней, наностенок кремния [6] и частично с поверхностными состояниями. При добавлении квантовых точек они заполняют поры и располагаются на поверхности таких стержней и стенок, что меняет волновые функции кремниевых наноструктур и положение энергетических уровней, приводя к их расщеплению или уширению. При этом уменьшается эффективная ширина запрещенной зоны и пик люминесценции смещается в сторону больших длин волн. Данный эффект аналогичен взаимодействию двух связанных квантовых ям. В этом случае уровни расщепляются и нижний уровень оказывается ниже положения уровня в одиночной яме. Положение уровней зависит от толщины барьера между ямами. При очень тонком барьере данная система преобразуется в квантовую яму с шириной вдвое больше исходной и уровни у новой ямы так же будут лежать ниже. Проведенная оценка ширины такой квантовой ямы и положения уровней свидетельствует об удовлетворительном соответствии с результатами экспериментов. Оценка проводилась исходя из значений положения пика фотолюминесценции и эффективных масс электронов и дырок по выражению

^у = Е% +

2* 2 П П

2* 2 П П

2 2 2шхй 2ш2й

где Ъ\ - энергия, соответствующая максимуму пика люминесценции; Её - ширина запрещенной зоны для «классического» кремния; ш\ и ш2 - эффективная масса электронов и дырок в кремнии соответственно; ё - ширина квантовой ямы.

Полученная ширина квантовой ямы составляет 1,2 нм. Для образцов с осажденными квантовыми точками в выражение подставляются значения эффективной массы носителей заряда в сульфиде свинца. Ширина квантовой ямы для таких образцов составляет 3,190 нм.

Помимо пористого кремния рассматривалась базовая система БЮ2 - 8и02 [8]. Использовалась четырехслойная матрица 90%Бп02 - 10%8Ю2, изготовленная методами золь-гель технологии на подложке из кварцевого стекла. Слои наносились центрифугированием на скорости 3000 об./мин в течение 15 с. После нанесения каждого слоя проводился отжиг при температуре 600 °С в течение 5 мин. Конечная четырехслойная структура отжигалась при той же температуре в течение 30 мин. На рис.5 приведено АСМ-изображение однослойного образца, полученного при тех же условиях. Как и у пористого кремния, имеются относительно крупные поры размером около 200 нм, а также малые поры в перешейках между ними.

Также получен образец, у которого проводился отжиг только конечной структуры, а отдельные слои после нанесения сушились на воздухе. Такая структура должна представлять собой непористую фазу диоксида олова наподобие стекла. Как и у пористого кремния, здесь наблюдаются относительно крупные поры размером около 200 нм и малые поры в перешейках между ними. Результаты исследования спектров люминесценции ККТ сульфида свинца, нанесенных на такие структуры, показали смещение положения максимума длины волны, как у пористого кремния (рис.6).

О 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 мкм

Рис.5. АСМ-изображение однослойной матрицы диоксида олова

900 950 1000 1050 1100 1150 1200 Длина волны, нм

Рис.6. Спектры фотолюминесценции ККТ раствора 950, нанесенных на подложки диоксида олова: 1 - с отжигом; 2 - без отжига

Таким образом, в ходе исследований обнаружено, что взаимодействия между кван-тово-размерными элементами наносистемы «пористый кремний - квантовые точки РЬБ» приводят к смещению спектра фотолюминесценции пористого кремния в область больших длин волн.

Другим результатом взаимодействий является изменение фотолюминесцентных свойств квантовых точек PbS. Установлено, что ККТ сульфида свинца, полученные методом химического осаждения на матрицы пористого кремния и металлооксидных золь-гель структур, обладают эффективной люминесценцией в ИК-области спектра, но со смещенным в коротковолновую сторону максимумом излучения. Структура и состав матрицы оказывают определяющее влияние на спектры люминесценции ККТ, задавая длину волны свечения.

Литература

1. Size-tunable infrared 1000-1600 nm electroluminescence from PbS quantum-dot nanocrystals in a semiconducting polymer / L. Bakueva, S. Musikhin, M.A. Hines et al. // Appl. Phys. Lett. - Vol. 82. -P. 2895-2897.

2. Синтез и самоорганизация квантовых точек сульфида свинца для люминесцентных структур, полученных методом испарения коллоидного раствора / О.А. Александрова, А.И. Максимов, Е.В. Мараева и др. // Нано- и микросистемная техника. - 2013. - №2. - С. 19-23.

3. Исследование процессов самоорганизации квантовых точек сульфида свинца / С.А. Тарасов, О.А. Александрова, А.И. Максимов и др. // Изв. вузов. Электроника. - 2013. - № 3 (101). - С. 28-32.

4. Михайлов И.И., Тарасов С.А., Преснякова А.В., Романовский Д.С. Исследование эволюции спектров фотолюминесценции как метод анализа процессов роста коллоидных квантовых точек // Изв. СПбГЭТУ «ЛЭТИ». - 2013. - Т. 5. - С. 22-28.

5. Lenshin A.S., Kashkarov V.M., Spivak Yu.M., Moshnikov V.A. Investigations of nanoreactors on the basis of p-type porous silicon: Electron structure and phase composition // Materials Chemistry and Physics. -2012. - Vol. 135. - Iss. 2-3. - P. 293-297.

6. ЛеньшинА.С., КашкаровВ.М, Спивак Ю.М., Мошников В.А. Исследование электронного строения и фазового состава пористого кремния // ФХС. - 2012. - Т. 38. - Вып. 3. - С.383-392.

7. Hierarchical nanostructured semiconductor porous materials for gas sensors / V.A. Moshnikov, I.E. Gracheva, V. V. Kuznezov et al. // J. of Non-Crystalline Solids. - 2010. - Vol. 356, № 37-40. - P. 2020-2025.

8. Особенности формирования металлооксидных пористых структур в золь-гель системах SiO2 -SnO2 и SiO2 - CoO / В.С. Левицкий, А.С. Леньшин, А.И. Максимов и др. // Сорбционные и хроматогра-фические процессы. - 2012. - Т. 12. - № 5. - С. 725-733.

9. Атомно-силовая микроскопия и фотолюминесцентный анализ пористых материалов на основе оксидов металлов / С.А. Тарасов, И.Е. Грачева, К.Г. Гареев и др. // Изв. вузов. Электроника. - 2012. -№ 2(94). - С. 21-26.

10. Atomic force microscopy and photoluminescence analysis of porous metal oxide materials / S.A. Tarasov, I.E. Gracheva, K.G. Gareev et al. // Semiconductors. - 2012. - Vol. 46, N. 13. - Р. 1584-1588.

Статья поступила 10 апреля 2014 г.

Тарасов Сергей Анатольевич - кандидат физико-математических наук, доцент кафедры микро- и наноэлектроники СПбГЭТУ «ЛЭТИ». Область научных интересов: коллоидные квантовые точки, фотоника и оптоэлектроника. E-mail: satarasov@mail.ru

Александрова Ольга Анатольевна - кандидат физико-математических наук, доцент кафедры микро- и наноэлектроники СПбГЭТУ «ЛЭТИ». Область научных интересов: нанотехнологии и нанодиагностика.

Ламкин Иван Анатольевич - аспирант кафедры микро- и наноэлектроники СПбГЭТУ «ЛЭТИ». Область научных интересов: оптические методы диагностики, фотоприемники ультрафиолетового и видимого диапазонов спектра.

Максимов Александр Иванович - кандидат физико-математических наук, доцент кафедры микро- и наноэлектроники СПбГЭТУ «ЛЭТИ». Область научных интересов: нанотехнологии и нанодиагностика.

Мараева Евгения Владимировна - ассистент кафедры микро- и наноэлектроники СПбГЭТУ «ЛЭТИ». Область научных интересов: коллоидные квантовые точки, пористые материалы, золь-гель технологии.

Михайлов Иван Игоревич - аспирант кафедры микро- и наноэлектроники СПбГЭТУ «ЛЭТИ». Область научных интересов: коллоидные квантовые точки, лазеры с перестройкой длины волны излучения.

Мошников Вячеслав Алексеевич - доктор физико-математических наук, профессор кафедры микро- и наноэлектроники СПбГЭТУ «ЛЭТИ». Область научных интересов: нанотехнологии и нанодиагностика.

Мусихин Сергей Федорович - кандидат физико-математических наук, доцент кафедры физики полупроводников СПбГПУ. Область научных интересов: нанотех-нологии и нанодиагностика.

Налимова Светлана Сергеевна - кандидат физико-математических наук, ассистент кафедры микро- и наноэлектроники СПбГЭТУ «ЛЭТИ». Область научных интересов: нанотехнологии и нанодиагностика.

Пермяков Никита Вадимович - ассистент кафедры микро- и наноэлектроники СПбГЭТУ «ЛЭТИ». Область научных интересов: атомно-силовая микроскопия.

Спивак Юлия Михайловна - кандидат физико-математических наук, доцент кафедры микро- и наноэлектроники СПбГЭТУ «ЛЭТИ». Область научных интересов: пористые материалы, сканирующая зондовая микроскопия.

Травкин Павел Геннадьевич - аспирант кафедры микро- и наноэлектроники СПбГЭТУ «ЛЭТИ». Область научных интересов: пористый кремний.

Информация для читателей журнала «Известия высших учебных заведений. Электроника»

Вы можете оформить подписку на 2015 г. в редакции с любого номера. Стоимость одного номера - 1000 руб. (с учетом всех налогов и почтовых расходов).

Адрес редакции: 124498, Москва, Зеленоград, проезд 4806, д. 5, МИЭТ, комн. 7231.

Тел.: 8-499-734-62-05. E-mail: magazine@miee.ru http://www.miet.rU/structure/s/894/e/l 2152/191

ТЕХНОЛОГИЯ МИКРО- И НАНОЭЛЕКТРОНИКИ

УДК [537.533.2;621.3.024.6]:621.38

Исследование технологий формирования наноструктурированных эмиссионных сред для сильноточной радиочастотной электроники

1 12 2 2 В.А. Беспалов , Э.А. Ильичев ' , Е.П. Кириленко , А.И. Козлитин , 12 1 2 А.Е. Кулешов , Д.М. Мигунов , Р.М. Набиев , Г.Н. Петрухин ,

Г.С. Рычков2, О. А. Сахаров1, А.И. Трифонов2

1 Национальный исследовательский университет «МИЭТ» 2НИИ физических проблем им. Ф.В. Лукина (г. Москва)

Представлены результаты исследований наноструктурированных сред, сформированных в углеродных и полупроводниковых материалах методами, допускающими интеграцию в микроэлектронные технологии. Исследования проводились с применением широкого спектра приборов и диагностических методов. Показано, что результаты могут использоваться для оптимизации параметров технологических процессов формирования исследуемых объектов.

Ключевые слова: поликристаллическая алмазная пленка; наноконусы; автоэмиссия; вторичная эмиссия; умножитель потока электронов; катодно-сеточный узел.

Автоэмиссионные, вторично-эмиссионные и фотоэмиссионные структуры формируются как в форме массивов наноразмерных конусов в кремниевых (Si) и в карбид-кремниевых (SiC) подложках, так и в виде заданного рисунка в поликристаллических алмазных пленках. В качестве базовых используются следующие технологии: плазмо-стимулированного роста поликристаллических алмазных пленок; плазмохимического травления полупроводниковых и углеродных слоев с применением наноразмерных масок, предварительно сформированных из металлических пленок (например, никеля) на-норазмерной толщины либо выполненных по заданному рисунку; каталитического роста нанообъектов из перераспыленного ионным потоком вещества подложки.

В настоящей работе проведено исследование наноструктурированных сред на основе углеродных и полупроводниковых материалов с использованием широкого спектра приборов и диагностических методов.

Для успешной реализации радиочастотных и оптоэлектронных схем, в основу работы которых положены эффекты полевой и вторичной эмиссии электронов, а также фотоэффект, необходима разработка авто- и фотоэмиссионных структур и структур, умножающих потоки электронов. В частности, для производства мощных СВЧ-устройств необходимы сильноточные, малоинерционные катоды с приемлемым сроком службы. Используемые в этом качестве термоэлектронные катоды имеют низкий КПД, большие массу и габариты, а

© В.А. Беспалов, Э.А. Ильичев, Е.П. Кириленко, А.И. Козлитин, А.Е. Кулешов, Д.М. Мигунов, Р.М. Набиев, Г.Н. Петрухин, Г.С. Рычков, О. А. Сахаров, А.И. Трифонов, 2014