Введение к работе
Актуальность темы. Вычислительная техника, использующая традиционную логику, магнитную память и проводную связь, в настоящее время близка к достижению своих предельных возможностей как по быстродействию, так и по массе и габаритам. Радикальное решение данной проблемы можно ожидать на основе достижений квантовой оптики и акустоэлектро-ники, позволяющих создать многофункциональные активные элементы на базе прямозонных полупроводников типа ZnO.
Его электрические, опто- и акустоэлектронные свойства пока не получили должное применение, поскольку нет надежного метода синтеза образцов с воспроизводимыми свойствами. Поэтому получение монокристаллических образцов ZnO, универсального материала для постановки научных исследований в области физики твердого тела, его поверхности и применения различных свойств в технике, является еще не до конца решенной научно-практической проблемой.
В целях решения такой проблемы нами реализован метод его кристаллизации путем осуществления термохимической реакции восстановления в атмосфере водорода. Выполнением термодинамического анализа определены основные технологические параметры этой реакции, позволяющие в контролируемых условиях осуществлять процесс формирования монокристаллической структуры получаемых образцов в виде кристаллов, слоев и пленок путем реализации самого распространенного варианта газофазной кристаллизации - метода прямого температурного градиента между двумя зонами реакций с различными температурами.
Целью выполнения данной работы была разработка технологии получения ZnO в монокристаллическом состоянии с учетом его структурной особенности, исследование степени совершенства самой структуры, ее ориентации относительно подложки известной ориентации и природы, а также электрических свойств в зависимости от условий осуществления синтеза его образцов в виде слоев и пленок.
Поставленная выше цель нами достигнута:
расчетом основных параметров осуществления обратимой термохимической реакции восстановления оксида цинка водородом и созданием лабораторной аппаратуры для практического осуществления этой реакции в контролируемых условиях;
установлением механизма ориентированного зарождения и роста ZnO на подложках различной ориентации и химической природы, а также
!
* IIHM '
определением ориентации роста слоев и пленок и ориентационных соотношений для большого количества систем типа подложка — ZnO;
- исследованием электрических свойств эпитаксиальных и поликри
сталлических пленок и слоев ZnO, полученных в различных условиях, а
также изучением температурной зависимости этих свойств.
Научная новизна данной работы:
доказательство того, что известные трудности кристаллизации ZnO, которые обнаружились при получении его методом проб и ошибок, обусловлены анизотропией его структуры. Обязательно необходимым условием формирования монокристаллической структуры ZnO является уменьшение внутреннего потенциала взаимодействия ионов цинка и кислорода двойных слоев структуры, параллельных плоскости базиса (0001);
установление того, что эффективными методами снижения степени анизотропности структуры ZnO являются:
а) введение в междоузлия структуры сверхстеохиометрического цин
ка;
б) растворение водорода в условиях образования в решетке комплек
сов типа (0 - Н) и (V0 - Н);
в) легирование образцов по ходу получения атомами трехвалентного
металла, обладающего сравнимыми с цинком кристаллохимическими па
раметрами в ионизованном состоянии;
установление возможности целенаправленного и контролируемого изменения природы и концентрации дефектов в структуре ZnO как в процессе его получения, так и в последующей термообработке в атмосфере водорода в интервале температур от 600 до 980 К;
определение возможности управления стадиями зарождения ориентированных зародышей и роста ZnO со скоростью до 8 мкм/мин путем осуществления окислительно-восстановительной реакции взаимодействия оксида цинка с влажным водородом.
Практическая значимость работы определяется совокупностью рассмотренных параметров условий получения пленок и слоев ZnO с воспроизводимыми свойствами в монокристаллическом состоянии, аппаратурного исполнения самого метода, отработкой практических приемов управления процессами зарождения ориентированных зародышей и их срастания до формирования сплошного слоя на подложке соответствующей ориентации, определением ориентации роста и ориентационных соотношений между подложкой и пленкой для большого количества систем типа подложка-пленка ZnO, а также исследованием электрических свойств
моно- и поликристаллических пленок в зависимости от условий их получения и температурной зависимости этих же свойств.
Пленки различной ориентации и толщины, полученные данным путем, могут быть успешно использованы для постановки научных исследований в областях физики твердого состояния, поверхности, а также для изготовления преобразователей физических величин различного назначения, поскольку ZnO является полупроводником n-типа проводимости, пьезо- и пироэлектриком и достаточно эффективным люминофором. Кроме того «чистая» поверхность ZnO является уникальным объектом для исследования процесса адсорбции и сопровождающих адсорбцию физических явлений, наблюдаемых на поверхности и в приповерхностном слое образцов.
Результаты исследований по теме используются в организации учебного процесса по спецкурсам на кафедре физической электроники.
Основные положения, выносимые на защиту:
Результаты полного анализа условий восстановления оксида цинка в атмосфере водорода и определение механизма зарождения ориентированных зародышей и роста его пленок и слоев монокристаллической структуры.
Создание экспериментальной аппаратуры для практического осуществления метода получения ZnO в монокристаллическом состоянии, параметры которой соответствуют расчетным параметрам реакции и исследование зависимости степени совершенства структуры от условий получения.
Определение ориентации роста и ориентационных соотношений между подложкой и пленкой для большого количества систем типа подложка- пленка оксида цинка.
4. Установление возможности целенаправленного изменения природы
и концентрации дефектов в структуре по ходу синтеза ZnO, также в про
цессе последующей термообработки образцов в атмосфере водорода в ин
тервале температур от 600 до 980 К.
5. Исследование зависимости электрических свойств моно- и поли
кристаллических пленок ZnO от условий их получения, а также темпера
турной зависимости этих же свойств.
Личный вклад соискателя. Диссертационная работа представляет собой итог самостоятельной работы автора. Задачи исследований ставились научным руководителем. Он же принимал участие в выборе методов исследований и обсуждении полученных результатов. В некоторых случаях была использована помощь сотрудников лаборатории, в которой выполнял работу.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались: на 8-й Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученых (г.Екатеринбург, 2002 г.), на 2-й Всероссийской конференции по физической электронике - ФЭ 2003 (г.Махачкала, 2003 г.), на ежегодных научных конференциях профессорско-преподавательского состава физического факультета Дагтосуниверситета (2001-2004 гг.) и на научных семинарах аспирантов кафедры физической электроники (2002-2004 гг.).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 5 печатных работ, в том числе две статьи.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, основных выводов (заключения) и списка цитированной литературы. Работа изложена на 150 страницах машинописного текста, содержит 40 рисунков, 4 таблиц. В конце диссертации приведен список литературы из 111 наименований.
