Популярное

Мифы о звукоизоляции



Как построить дом из пеноблоков



Как построить лестницы на садовом участке



Подбираем краску для ремонта



Каркасные дома из дерева


Главная » Эволюция дифракционных картин

Эволюция дифракционных картин пористого кремния

Никитина Е.А. (271163@rambler.ru), Фофанов А.Д.

Петрозаводский Государственный Университет

Проводилось рентгенографическое исследование образцов пористого кремния, полученных анодированием монокристаллического кремния р-типа (ориентация (100)) и n-типа (ориентация (111)). Образцы исследовались сразу после приготовления и по прошествии определенного интервала времени. Для всех образцов наблюдалось изменение дифракционных картин с течением времени, которое обусловлено окислением пористого кремния.

Пористый кремний (ПК) замечателен тем, что он обнаруживает видимую люминесценцию при различных видах возбуждения. Это свойство пористого кремния связывают с особенностями его структуры. Так, известна большая пористость ПК (до 70 %) [1-4], а размеры кристаллитов, с которыми связывают люминесцентные свойства ПК, достаточно малы и составляют десятки ангстрем [2,5,6]. Временные изменения в дифракционных картинах образцов ПК, связанные с процессом его окисления наблюдались ранее и качественно были описаны в [4].

В данной работе было проведено рентгенографическое исследование образцов ПК сразу после их получения и по прошествии определенного интервала времени выдерживания в обычных лабораторных условиях. Образцы ПК были получены анодированием монокристаллического кремния р-типа (ориентация (100)) и n-типа (ориентация (111)). Режимы приготовления образцов описаны в [1]. Рентгенографическое исследование ПК производилось на установках ДРОН-4.0. Использовалось Feica и Cuica -излучения, монохроматизированные кристаллами пиролитического графита в отраженном пучке. Исследовались образцы отделенные и неотделенные от монокристалической подложки. Для получения дифракционных картин неотделенных от монокристаллической подложки образцов ПК использовалась асимметричная геометрия рентгенографирования [7]. Отделенные от подложки образцы осаждались на сапфировую подложку (один и пять слоев ПК). Их толщина была оценена по закону поглощения рентгеновских лучей и составила порядка 1 мкм (однослойный образец ПК) и 3 мкм (пятислойный образец ПК).



Результаты эксперимента

На рис.1 приведены зависимости интенсивности рассеяния от длины дифракционного вектора I(s) (s= 4nsinQ/k), для неотделенного от подложки пористого кремния, полученного на монокристалле с ориентировкой (111). Кривая 1 была получена сразу после изготовления образца. Характер распределения интенсивности рассеяния (размытый максимум в области максимального по интенсивности отражения от кремния (111), несколько смещенный в сторону меньших значений s) свидетельствует о том, что данный образец ПК является аморфным. На кривой 2, отснятой через 9 дней, появляется максимум, смещенный относительно исходного в сторону меньших значений s на 0,4 А-1. На рентгенограмме 3, отснятой через 23 дня после изготовления образца, присутствует только пик соответствующий новой фазе, смещенный относительно пика исходного на кривой 1 на 0,4 А-1.

Изменения в дифракционных картинах с течением времени были так же прослежены для образцов ПК, полученных на монокристалле кремния с ориентацией (100), отделенных и неотделенных от монокристаллической подложки.

Дифракционные картины для однослойного неотделенного от монокристаллической подложки (1) и пятислойного отделенного (2) образцов пористого кремния, полученные сразу после приготовления, представлены на рис.2. В целом вид зависимостей I(s) для этих образцов отличается от кривой 1, приведенной на рис.1. На обеих рентгенограммах ПК, полученного на монокристаллической подложке с ориентировкой (100) (рис.2) присутствуют все отражения характерные для кремния. Это говорит о том, что данные образцы состоят из мелкодисперсных кристаллитов, в то время как образец ПК, полученный на монокристаллической подложке с ориентировкой (111), как уже указывалось, аморфный. Интересно заметить, что для всех свежеприготовленных образцов, полученных на монокристалле кремния с ориентировкой (100), наблюдалось отражение (200) (s=2.3 A-1), которое является запрещенным для структуры типа алмаза. Данное отражение наблюдалось для отделенных и неотделенных образцов ПК как в симметричной, так и в асимметричной геометрии.



кип /сек


> -L

Рис.1. Дифракционные картины пористого кремния, полученного на монокристалле с ориентировкой (111): 1-свежеприготовленный образец , 2-через 9 дней , 3 - через 23 дня.

Рентгенограммы пятислойного и однослойного образцов ПК были получены после хранения в лабораторных условиях в течение 8 и 4 месяцев, соответственно (рис.3, кривые 1,2). Сравнение полученных дифракционных картин с исходными (рис.2, кривые 1,2) показывает, что для обоих образцов наблюдаются однотипные изменения зависимостей I(s), заключающееся в появлении размытого максимума в области s=1.6A-1. Как уже показывалось, аналогичная дифракционная картина наблюдается и для образца ПК, полученного на монокристалле с ориентировкой (111), неотделенного от подложки (рис.3, кривая 3).

Следует заметить, что на кривой (2) для свежеприготовленного пятислойного образца (рис.2, кривая 2) уже просматривается размытый максимум при s=1.6A-1.

Для пятислойного образца пористого кремния, полученного на монокристалле кремния (100), отделенного от подложки, были получены кривые распределения парных функций D(r) по методике, описанной в [7]. Для исходного образца (рис. 4, кривая 1) и для окисленного образца (рис. 4, кривая 2). Поскольку химический состав окисленного пятислойного образца ПК не был известен, то кривые распределения парных функций D(r) рассчитывались из распределений интенсивности рассеяния, нормированных на различный химический состав (SiO2, SiO18, SiO, Si). Расчет кривых D(r) для составов SiOx




--1-1-/-1-1-1-1-1-1->

1 2 3 4 0-1

Рис.2. Дифракционные картины пористого кремния, полученного на монокристалле с ориентировкой (100), отделенные от подложки: 1- однослойный, 2- пятислойный. Штрихдиаграмма поликристаллического кремния.

(x=0.0, 1.0, 1.8, 2.0) показал, что при уменьшении значения x наблюдается возрастание систематической ошибки эксперимента, проявляющейся в увеличении ложных пиков перед первым структурным пиком. Поэтому можно предположить, что для образца ПК, характерно изменение химического состава с течением времени до SiOx, где значение 1.8<x<2.

На рис.4 так же штрихами показаны положения радиусов координационных сфер в кремнии и окисле кремния (а-кварце), высота штрихов пропорциональна значению координационного числа для сферы данного типа и произведению числа электронов атома, находящегося в центре координационной сферы и атомов, находящихся на координационной сфере. Типы сфер для окисла кремния выделены подчеркиванием.



кип /с


Рис.3. Изменения в дифракционных картинах ПК при хранении в лабораторных условиях для отделенных от монокристаллической подложки 1- пятислойного образца, ориентировка подложки (100), 2 - однослойного образца, ориентировка подложки (100), 3-неотделенного от подложки образца с ориентировкой подложки (111).

На рис.5 приведены элементы атомной структуры типичные для окислов кремния, в том числе и для а -кварца - два кислородных тетраэдра, в центре которых находятся атомы кремния, тетраэдры соединены вершинами. Здесь же представлены типичные для а -кварца значения расстояний между атомами и величина угла связи Si-O-Si. Из рис.4 видно, что распределение электронной плотности в образце ПК со временем претерпело существенные изменения. В частности, произошло смещение первого пика, соответствующего кратчайшим расстояниям между атомами в сторону меньших значений r. Если в кремнии кратчайшее расстояние между атомами соответствует 2.352 А, то положение первого пика на кривой 2 соответствует 1.645 А. Это расстояние отвечает парам атомов Si-O и соответствует длине связи Si-O в окислах кремния (1.64 А).




Рис.4. Кривая распределения парных функций D(r) для пятислойного образца ПК (ориентировка монокристаллической подложки (100)) 1- сразу после приготовления, 2-после хранения в лабораторных условиях. Штрихдиаграмма координационных сфер для кремния и окисла кремния.

Таким образом, структурное состояние исходных образцов пористого кремния, зависит от ориентировки монокристаллической подложки кремния. Особенностью дифракционных картин поликристаллического ПК (ориентировка подложки (100)) является факт наличия запрещенного отражения (200). Во всех образцах ПК при хранении в лабораторных условиях протекают процессы окисления. Полученные для таких образцов дифракционные картины рентгеноаморфны. Смещение первого пика кривых распределения парных функций, характеризующих радиальное распределение электронной плотности, отражают факт наличия в образцах Si-O связей.




Рис.5. Кремний-кислородные тетраэдры в структуре окислов кремния.

Авторы статьи выражают искреннюю признательность Кузнецову С. Н. и Пикулеву В.Б. за предоставленные для исследования образцы и заинтересованное обсуждение результатов.

Литература

1. Кузнецов С.Н., Пикулев В.Б., Сарен А. А., Гардин Ю.Е., Гуртов В.А. Физика и техника полупроводников. 2001. Т.35. В.5. С.604

2. Cullis A.G., Canham L.T., Williams G.M., Smith P.W., Dosser O.D. J. Appl. Phys. 1994. T.75. V.1. P.493.

3. Ломов А.А., Бушуев В.А., Караванский В.А. Кристаллография. 2000. Т.45. №5. С.915.

4. Астрова Е.В., Ратников В.В., Витман Р.Ф., Лебедев А.А., Ременюк А.Д., Рудь Ю.В. Физика и техника полупроводников. 1997. Т.31. №10. С.1261.

5. Deb S.K., Neelu Mathur, Roy A.P., Benerjee S., Sardesai A. Solid State Communications.

1997.V.101. № 4. P.283.

6. Cole M.V., Harvey J.F., Lux R.A., Eckart D.W. Appl. Phys.Lett. 1962. T.60. V.22. P. 2800.

7. Л.А. Алешина, А.Д. Фофанов. Рентгеноструктурный анализ аморфных материалов. Петрозаводск, 1987. 88с.



© 2017 РубинГудс.
Копирование запрещено.