Введение к работе
. Актуальность проблемы
Протонные процессы играют важную роль во многих поверхностных явлениях з твердых телах. Отметим наиболее характерные из них: 1) поверхностная электропроводность ряда диэлектриков, определяющая пробойные характеристики, 2) формирование структуры оксида и межфазных границ в процессах окисления ряда важнейших полупроводников и металлов, 3) пассивация поверхностно-активных дефектов, 4) межфазные явления в биологических мембранах, 5) участие в ряде реакций гетерогенного катализа и адсорбции, 6) конверсия солнечной энергии в энергию полезных химических и многих других интересующих технику процессов.
Однако до сих пор остается много дискуссионных вопросов, касающихся: 1) происхождения поверхностных протонов, 2) механизма их образования и транспорта и 3) механизма их взаимодействия с поверхностной фазой твердого тела. На нашей кафедре развита концепция о тесной взаимосвязи молекулярных процессов с электронной подсистемой полупроводника. Предполагается, что собственными источниками протонов на поверхности являются координационно связанные молекулы воды (Н20)к, захватывающие свободные дырки полупроводника. Рождающиеся протоны приводят к нейтрализации центров быстрого захвата и рекомбинационных центров, что в свою очередь влияет на темновые и фотоэлектрические свойства. Однако предложенные механизмы носили гипотетический характер и не были достаточно обоснованны. В частности, в работах по протонным процессам на поверхности полупроводников не проводилось четкое разделение воздействий на адсорбционные поверхностные электронные состояния (АПЭС) протонов и нейтральных атомов водорода. Кроме того, механизм эффекта нейтрализации атомами водорода (и
протонами) обсуждался только для систем быстрых и рекомбинаци-онных состояний. Оставался открытым вопрос влияния на ловушки диэлектрика для электронов (ЛД-) и дырок (ЛД+), а также на медленные состояния межфазной границы раздела (МСГ). Ввиду сложности элементарных процессов диссоциации собственных источников протонов (Н20)к и транспорта продуктов диссоциации, многие вопросы остались невыясненными. Что касается внешних источников протонов, которые приводят к нейтрализации части ПЭС, то следует отметить, что эксперименты проводились при высокой температуре Т (Т>60О-70ОК) в плазме водорода. При этом нет никаких доказательств того, что причиной нейтрализации является атом водорода или протон. Поэтому актуальным является поиск управляемых источников протонов, которые позволили бы получить однозначную информацию об их роли в изменении электрофизических свойств поверхности важнейших полупроводников.
Для решения задачи выбраны германий и кремний, как наиболее исследованные полупроводники. Для этих материалов накоплен значительный материал о ПЭС, выяснено влияние адсорбции разнообразных молекул, исследовано воздействие поперечных электрических полей, видимого света и жесткого оптического излучения. Для однозначного доказательства влияния именно протонов в указанных полупроводниках мы впервые использовали в качестве адсорбированных молекул - фотокислоты (нафтолы), широко используемые исследователями для изучения протонных процессов в растворах.
Цель работы 1. Исследовать возможность генерации протонов в поверхностных
фазах германия и кремния путем адсорбции молекул фотокислот-
нафтолов.
-
Разработать комплекс измерительных методов, позволяющих исследовать люминесцентные свойства адсорбированного нафтола параллельно с измерением изменений основных электрофизических параметров поверхности: поверхностного потенциала Ys, полного ее заряда Qs, плотности ПЭС, обусловленных влиянием продуктов диссоциации нафтола.
-
Используя плавленный кварц в качестве модельного диэлектрика структуры Si-Si02, исследовать возможность возникновения протонной фотопроводимости за счет фотодиссоциации адсорбированных молекул нафтолов.
-
Исследовать влияние продуктов фотодиссоциации нафтолов на ловушки диэлектрической пленки и границы раздела диэлектрик-полупроводник и релаксацию заряда в этих состояниях.
-
Исследовать влияние продуктов фотодиссоциации нафтолов на характер энергетического спектра быстрых поверхностных состояний и влияние на центры поверхностной рекомбинации.
-
Сравнить воздействие биографических собственных источников протонов со сторонними источниками - нафтолами на все группы поверхностных состояний.
Научная новизна
-
Доказано возникновение свободных поверхностных протонов в результате фотодиссоциации адсорбированных молекул нафтола.
-
Впервые показана возможность возникновения протонной электропроводности на поверхности диэлектрика (плавленный кварц) при освещении в полосе поглощения адсорбированных молекул нафтола.
-
Обнаружено влияние продуктов диссоциации на поверхностный потенциал Ys и полный заряд поверхности Qs, на характер релаксации заряда в группе медленных состояний ДП-структуры. Обна-
ружена зависимость эффекта от степени гидратации поверхности и ее химической неоднородности.
-
Обнаружено воздействие продуктов фотодиссоциации молекул нафтола на оптическое заряжение ловушек диэлектрика.
-
Впервые показано, что индуцированные протоны увеличивают плотность БС на границе раздела ДП, изменяют эффективную скорость поверхностной рекомбинации S. На характер изменения S влияет концентрация молекул Н20 на поверхности.
-
Показано обратимое полевое влияние локализованных протонов на спектр БС, что дает независимое подтверждение флуктуацион-ной теории ПЭС.
Автор защищает
-
Новые данные о возникновения протонной электропроводности на поверхности диэлектрика (плавленный кварц) при фотодепрстони-зации адсорбированных молекул фотокислоты.
-
Доказательство генерации протонов на реальной поверхности германия и кремния в результате адсорбции нафтола. Новую информацию о влиянии продуктов диссоциации молекул нафтола на интегральные электрофизические характеристики поверхности, на отдельные группы поверхностных электронных состояний и на релаксацию локализованного в них заряда.
-
Обнаруженное влияние химической неоднородности поверхности на механизм взаимодействия генерируемых протонов с разными группами ПЭС.
-
Прямое доказательство увеличения плотности БС на границе раздела ДП при дополнительной генерации протонов нафтола и изменение эффективной скорости поверхностной рекомбинации S на этой границе. Показана роль воды в этих процессах.
5. Установлено обратимое полевое влияние локализованных протонов на спектр БС и параметры рекомбинацнонных центров. Эти результаты объяснены с позиции флуктуационной теории поверхностных состояний.
Практическая и научная ценность
Полученные в работе данные могут представлять существенный интерес для решения важной проблемы стабилизации поверхностных характеристик приборов на основе германия и кремния, для раскрытия механизмов процессов, происходящих в газовых сенсорах на основе ДП-структур, а также для выяснения роли протонных процессов в эффективности конверсионных систем солнечной энергетики и путей поиска методов борьбы с деградацией этих систем. Экспериментальные результаты по фотодиссоциации будут способствовать раскрытию механизма процессов, разыгрывающихся в элементах молекулярной электроники с различными фотохромними пленками, получаемыми, например, по технологии Лэнгмюра-Блоджетт.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на научных конференциях "Ленинские горы-95" и "Ломоносов-96", международном симпозиуме "Фотохимия и фотофизика молекул и ионов" (С.-Петербург, 1996), городских семинарах по физико-химии поверхности (Москва, МГУ, 1994; 1996).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 5 печатных работ, список которых приведен в автореферате, 3 статьи приняты к печати.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и основных выводов и содержит 94 страницы текста, 34 рисунка, 2 таблицы и список цитируемой литературы из 75 наименований.
