文摘
工作,与观测到的光致发光多孔硅是由p型硅衬底掺杂硼和晶体取向(100)使用电化学蚀刻的方法在解决方案包含H2(SiF6)(硅氢氟酸)和酒精。薄碳膜喷在室温下通过高频磁控溅射到多孔硅的表面。结果carbon-doped薄膜的多孔硅在脉冲电子辐照助推器和比较未照射的电影是用多孔硅。理解的影响碳的性质由拉曼光谱分析了多孔硅薄膜样品,分光光度法和扫描探针显微镜(SPM)。SPM的结果表明,样品的粗糙度增加后碳掺杂多孔硅表面。因此,第一次试验结果的影响辐照carbon-doped获得的多孔硅在溶液中含有氢hexafluorosilicate H2(SiF6)和显著改变其光学性质。研究结果表明,辐照样品carbon-doped未照射样品相比,多孔硅光致发光更好。
1。介绍
多孔硅(PS)是一种很有前途的材料由于其较高的机械和热性能,其明显的兼容硅微电子和发光效率在室温和低成本。创建现代纳电子学设备实现通过简化工艺过程的强度,功能元素的几十个纳米的顺序形成的物理性质可以从散装材料的性质差别很大。属性的差异是由于表面能的贡献更大份额,在特定的特征是一个离散的能级结构以及quantum-dimensional效应的出现1,2]。
由于创建多孔结构的可能性和预期的光学性质,PS是用于制造太阳能电池作为增透的涂料,它被称为“黑硅”(3- - - - - -5]。发光性质起源于量子限制的影响,生物降解性,生物活性的纳米硅用于生物医学和制药研究的许多领域,尤其是作为靶向药物输送生物标志物和代理,包括长期的行动6,7]。
目前,它已成为可能的制造发光结构(8),太阳能光电转换器(9)、湿度传感器(10),电子气体传感器(11,12),化学传感器(13基于PS)和其他半导体器件层。这种传感器的工作原理是基于外部分子的电子态的影响。在多孔结构的情况下,由于高的比表面积,这一效应变得更加有效和传感器高度敏感。通常,这类传感器检测电容的变化,PS导电、发光性质的受控环境中指定的分子和化合物的存在。
到目前为止,一个可用的和便宜的方法获得多孔结构晶体硅晶片在电解质的电化学阳极处理含有氢氟酸(HF) /硅氢氟酸(H2(SiF6))和乙醇(14,15]。
众所周知的文学的集成纳米材料和金属纳米粒子如黄金(Au) (16),银(Ag) [17)、铜(铜)18)、铝(Al) [19)和镍(镍)20.到PS矩阵改变其光学性质,特别是,光致发光强度(PL)增加。在实践中,有各种各样的方法来集成一个金属或金属氧化物在PS表面,如电镀(21),溅射(22)、电化学或无电极化学淀积23),和电子束蒸发24]。
掺杂纳米硅的含碳材料的角度创建差距的需求材料。此外,缺陷中心的能级的影响和掺杂物的光谱依赖性可以显著提高,在可见和红外范围内,总共将大大增加光伏结构的吸收带25,26]。
热碳化(TC)方法可用于稳定的PL PS。这种方法的目的是取代氢末梢与其他更稳定的物种。TC,根据现有Si-H终止妊娠,如果更换品种,可以被认为是一个突破提高PS的稳定结构。碳化硅(SiC)的独特的特点,如化学惰性和热稳定性,PS加固的主要动机是使用TC的方法。碳化硅层PS的形成是可能的乙炔气体在高温的作用下(27- - - - - -29日]。尽管有一定的优势,该方法的一些缺点。首先,PS表面上一层薄的氧化物可以防止硅骨架碳原子的扩散,从而导致减少的报道处理表面或热解碳的形成。其次,碳化PS的结构和性质是高度依赖于加工温度。
最近,多孔硅材料处理各种类型的辐射,如电子束,γ中子辐照射线,因为相信辐照可以改善多孔硅的性质。少量的出版物都致力于研究辐照多孔硅的结构和光学性质(30.,31日]。
无线电频率(RF)磁控溅射沉积是一种方便的方法均匀薄膜的碳在PS表面没有结构性缺陷。这种方法可以很容易地控制通过改变物理参数如衬底温度、操作压力、喷雾,和沉积时间。这些参数可以单独优化,因为它们是相互独立的(32]。
许多先前的研究已经使用各种过渡金属和金属氧化物提高PS的光学性质。我们的研究的目的是为了提高PS的光学特性获得的晶体硅的电化学阳极氧化电解液含有硅、氢氟酸(H2(SiF6))和酒精。为了这个目的,碳是用射频磁控溅射沉积的薄膜在室温下PS表面,然后由此导致样本辐照脉冲电子助推器。辐射对光学性质的影响以及形态学的PS样本调查获得的。
2。材料和方法
PS,制造单晶p型硅基质掺杂硼磷浓度的1015厘米−3和晶体取向(100)。
前获得PS,硅片在氢氟酸脱脂,然后去离子水清洗,蚀刻10分钟在H的混合物2(SiF6),在去离子水彻底清洗。在阳极氧化电流密度PS样本获得的J= 20 mA /厘米2和腐蚀时间t= 10分钟,10 V电源电压。电解液的腐蚀过程进行了含硅氢氟酸(H2(SiF6))和乙醇比例3:1。乙醇是重要的PS表面润湿,衬底的横向均匀性也有所改善。确定再现性,3组样本的准备。如获得多孔硅在传统的解决方案包含氢氟酸和酒精,再现性相当高的水平。
碳膜沉积到表面的PS直流磁控管使用真空获得的普遍Post-5设置。石墨的磁控管水来冷却,目标是放置在室。石墨衬底之间的距离和目标是40毫米。直流电源的负极连接到磁控管阴极。阳极和阴极之间的电压和电流是500 V和100毫安,分别。喷洒时间为20分钟。纯粹的基于“增大化现实”技术的流动(99.999%)作为工作气体。基于“增大化现实”技术的流量是6厘米3/分钟,由使用一个控制mcv - 500 sccm气体流量调节器。
结果carbon-doped PS薄膜在茶500脉冲电子辐照剂量率的助推器5 Gy /分钟的梁电压20 kV和电子束电流1马。暴露的持续时间是5分钟。
组样本,通过各个阶段的处理表现出良好的重现性。介绍了实验数据的平均值。
3所示。结果与讨论
PS的带隙增加由于纳米硅的存在集群形成孔隙壁附近,这是一个明显的证据光致发光(PL)在PS PL光谱测量在室温下使用一个NT-MDT NtegraSpectra光谱仪在激发20 mW激光波长为477 nm。图1显示了两种类型的PS的PL光谱样本。从图可以看出1(一),最初的纳米多孔硅的PL光谱是典型的这种材料。图1(b)显示了PL光谱辐照PS掺杂碳在不同时刻的延迟时间的登记。增加延迟时间的检测相对于激光脉冲最大的时刻td从0到35µ年代,最大时间分辨PL光谱变化的长波长区域,是位于550 - 600 nm的波长范围。观察到的动态变化的微秒级的时间分辨PL光谱的量子尺寸效应可以解释nanocrystallites制度不同的大小,以及本地化州PS带隙的影响。此外,这种转变是可能的结果足够小尺寸量子化效应的大小的碳化硅(SiC)微晶形成。样品的发射最大值在图1(b)显示一个明显的峰值在550纳米,这对应于一个光子的能量∼2 2电动汽车。这样强烈的行为准备多孔样品的PL的结果在纳米晶体量子限制的运营商。基于上述实验数据,可以认为PS辐照导致PL强度的增加和转变其最大的长波长区域的光谱。数据显示一个高辐射抗性的PS掺杂碳相比原来的PS。
PS辐射电阻的增加的原因是它非常发达的表面,它可以作为一个地区有效的水槽和随后的湮没辐射缺陷。此外,当高能离子与元素的多孔结构,能量可以不仅对单个原子也转移到集群或部分硅纳米晶体。这样接收能量的机制可能是由于纳米硅结构的声子谱的变化。PS纳米结构受到团体的原子的能量小于接收到单个原子的能量,减少了离子束的破坏性影响。因此,辐射PS光电结构会有高辐射抗性。
重要的是要注意,第一次试验结果的影响辐照carbon-doped获得的多孔硅在溶液中含有氢hexafluorosilicate H2(SiF6光致发光光谱)和一个重大变化是显示。
获得的拉曼光谱样本记录使用NT-MDT-Ntegra光谱分光计和图所示2。拉曼光谱是一种无损方法描述结晶度的变化在硅微结构和量子尺寸效应。大多数对拉曼光谱的研究通常集中在同单晶硅峰值为520厘米−1与如果一阶光学声子振动模式。这峰的形状为PS辐照掺杂碳不同于批量Si。有各种各样的因素减少或扩大同单晶硅的拉曼光谱的峰值。掺杂程度,这些因素包括结晶度无定形化,尺寸、温度和溶解的材料(33,34]。重要的是要注意,当分析硅微型和纳米结构的拉曼光谱,也关注另一个可见的宽峰的存在从900到1000厘米−1PS掺杂碳。这些山峰的存在与二阶横向声学系统在横向光学点l为900厘米−1高峰。样品的拉曼光谱辐照PS掺杂碳演示两个强烈的峰值为521厘米1和970厘米1,特征同单晶硅的单晶(图2)。这两个峰叠加在类似的山峰在PS和PS掺杂碳。PS和PS掺杂碳的拉曼光谱显示峰值强度的增加在该地区的950:1000厘米−1(横向two-phonon散射声模式)。这个观察表明实际的大小减少nanocrystallites PS和carbon-doped PS样本,导致更强烈的对这些纳米晶体声子散射。
所有组的反射光谱样本获得在日本岛津公司uv - 3600分光光度计波长范围从200纳米到800纳米和呈现在图3。从反射光谱的比较分析,由此可见,carbon-doped PS样本的全反射辐照显著低于原始基质特征。紫外区域的平均反射系数谱的原始PS衬底是12%,和光谱中的可见光区域的18%,当应用碳纳米颗粒的平均在紫外区域的光谱反射值降低到9%,并且在可见区域为12%。
应该注意的是,全反射的所有PS样品的紫外光谱区域仍然很低,可见区域,增加观察是由于漫反射分量的增加。这是由于光线定位由于多次反射的影响PS墙壁和进一步吸收结构。PS辐照并不影响峰值的位置的样品掺杂碳,但只有改变了这个峰值强度。最低有效反射率记录样品的辐照PS掺杂碳,这表明反射在辐照有所下降。的高光捕获能力和低反射率carbon-doped PS辐照的样品,这是由于增加了表面粗糙度和孔隙度的样本,是光电探测器的主要动机制造基于衬底。
电影的形态carbon-doped PS表面辐照的样品是研究使用一个NT-MDT NtegraTherma扫描探针显微镜(SPM)。表面形态学研究的结果提出了数字4(一)和4 (b)。
(一)
(b)
(c)
沿着中线的截面图所示4 (c)。根据三维图像,一个强大的不均匀性是观察样品的表面(图4 (b))。从这张图片可以看到,PS与密集的气孔,有柱状结构不规则和随机分布的纳米晶体硅列和整个表面的孔隙是可见的。根据二维图像,近似程度的孔隙度为80%,微晶高度达到160海里。如果我们假设碳原子形成一个统一的si c层在整个表面的多孔结构,碳层的厚度可以估计5海里。这微不足道的碳层厚度减少了比表面积的多孔基质,这并不影响PS形态。表面一层超薄如果的存在阻止了表面硅原子的扩散,即使表面积略有变化。因此,这个如果结构可以作为防护层硅电子辐照过程中墙,防止严重的PS结构发生的变化。
4所示。结论
总之,组织获得的多孔硅薄膜的电化学腐蚀的p型单晶硅电解质包含(H2(SiF6))和乙醇的比例3:1。之后,碳膜气急败坏的在PS表面在室温下的磁控溅射。PS的结果薄膜掺杂碳在脉冲辐照电子助推器和比较是用unirradiated多孔硅的电影。高能电子辐照沿着轨迹板的电阻率变化。这可以改变多孔硅的结构和光学特性。从比较分析的反射光谱,它遵循carbon-doped PS样本的全反射,辐照显著低于原始基质的特点。获得的新的实验数据表明,PS辐照并不影响carbon-doped样品的峰的位置,但是只有改变了这个峰值强度并导致减少光谱的可见区域的反射率从18%到12%的波长375纳米。它建立了PS辐照导致增加光致发光强度和转变其最大的长波长光谱区域。光致发光的最大强度照射后样品在550纳米,这对应于一个光子的能量∼2 2电动汽车。表面形态的研究结果表明,PS掺杂碳与密集的气孔,有柱状结构不规则和随机分布的纳米晶体硅列和空洞是可见的在整个表面。 The carbon structure on the PS surface can act as a protective layer for silicon walls during electron irradiation processes and prevent serious changes in the PS structure from occurring.
数据可用性
作为工作的一部分获得的数据可从相应的作者。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突。
确认
这项研究是由教育部科学委员会和科学哈萨克斯坦共和国(批准号AP13268784)。