Введение к работе
Актуальность темы. Нитевидные формы оксидных полупроводников обладают
рядом уникальных физических свойств, которые обусловлены, прежде всего, их
совершенным монокристаллическим строением и чрезвычайно выраженной
анизотропией кристаллов. Соотношение длины монокристаллов к поперечному размеру
достигает 10 , при этом диаметр полупроводниковых нитей может быть менее 10 нм,
что уже сравнимо с дебройлевской длиной волны электрона в полупроводниках. Таким
образом, движение электронов в полупроводниковых нанонитях при определенных
условиях может приобретать одномерный квантовый характер. Отсутствие структурных
дефектов в нанонитях определяет близкие к предельным характеристики, такие как
механическая прочность, подвижность носителей заряда и т.д. Кроме того, отношение
площади поверхности к объему в квазиодномерных структурах намного больше, чем в
обычных кристаллах, что усиливает их сенсорные свойства, а также позволяет
использовать их в различных эмитирующих устройствах. Планируется, что на основе
нитевидных кристаллов уже в ближайшее время будут созданы высокотемпературные,
радиационностойкие и быстродействующие электронные и оптоэлектронные
устройства.
Первоочередными задачами в области технологии нитевидных материалов являются синтез кристаллов с предсказуемыми геометрическими характеристиками и контролируемое введение примесей, которые обеспечивают их функциональные свойства. Эти задачи в полной мере позволяет решать газотранспортный синтез, основанный на переносе паров оксидного материала в потоке газа-носителя из высокотемпературной зоны в зону роста кристаллов. Оптимизация параметров газотранспортного синтеза позволяет получать совершенные по структуре нитевидные монокристаллы, свободные от нежелательных технологических примесей. Целенаправленное введение в исходную шихту тех или иных примесей позволяет не только контролируемо легировать растущие кристаллы, но и получать оксидные гетероструктуры, что открывает новые перспективы использования этого метода.
Цель работы.
Разработка технологии получения нитевидных кристаллов широкозонных полупроводниковых оксидов Sn02 и 1п20з с заданными характеристиками на основе метода газового транспорта; установление закономерностей роста нитевидных и других форм кристаллов;
зависимости их морфологии и оптических свойств от условий их получения; установление структуры локализованных электронных состояний в запрещенной зоне Sn02. Исходя из поставленной цели, основными задачами исследования являются:
- оптимизация технологических параметров синтеза для получения нитевидных
кристаллов с заданными характеристиками.
синтез нитевидных кристаллов Sn02, In203 и гетероструктур на их основе.
исследование особенностей роста нитевидные оксидных полупроводников Sn02, 1п20з и гетероструктур на их основе.
исследование оптических свойств нитевидных кристаллов в сравнении с другими кристаллическими формами.
Объекты и методы исследования.
Объектами исследований являлись нитевидные кристаллы Sn02, In203 и нитевидные гетероструктуры 1п20з/8п02, которые были полученные методом газотранспортного синтеза. Также изучались порошкообразные и пленочные образцы Sn02, 1п20з, полученные различными методами (магнетронным распылением, лазерной абляцией, химическими методами).
Исследование морфологии нитевидных кристаллов проводилось на растровом электронном микроскопе (РЭМ) JEOL JSM-6380. Кристаллографические исследования проводились на просвечивающем электронном микроскопе (ПЭМ) ЭМВ -100БР методом дифракции электронов. Фазовый состав полученных образцов определяли методом рентгеновской дифракции на дифрактометре ДРОН-4. Размеры кристаллов оценивались по методу Дебая-Шеррера и с помощью электронной микроскопии. Оптические исследования нитевидных и других форм кристаллов были проведены методом спектроскопии в режиме на пропускание и диффузного отражения на двулучевом спектрометре Shimatzu 210А. Спектры фотолюминесценции (ФЛ) получены с помощью автоматизированной установки на базе монохроматора МДР23 и импульсного азотного лазера ИЛГИ 503.
Научная новизна определяется тем, что:
1. Определены технологические режимы газотранспортного синтеза, которые позволяют получать нитевидные кристаллы и нитевидные гетероструктуры с заданными свойствами.
2. Установлены закономерности роста кристаллов различной формы в зависимости
от условий синтеза (температуры, газовой среды, состава шихты).
3. Установлены закономерности сопряжения кристаллических решеток при
образовании гетероструктур In203/Sn02.
4. На основании исследования спектров фотолюминесценции образцов Sn02 различной
кристаллической формы, размеров кристаллов и технологии изготовления определена
структура и определена схема локализованных уровней в запрещенной зоне Sn02 и
излучательных переходов между ними.
Практическая значимость результатов. Установленные в работе
закономерности, термодинамические параметры и режимы газотранспортного синтеза
нитевидных материалов Sn02, 1п20з и гетероструктур Гп20з/8п02, а также выявленные
особенности оптических характеристик нитевидных кристаллов, являются необходимым
и важнейшим этапом для создания новых функциональных материалов для приборов
оптоэлектроники, лазеров и фотонных кристаллов, световодов, полевых транзисторов,
газовых сенсоров, резонаторов и кантиливеров для туннельных микроскопов.
Основные положения, выносимые на защиту.
Закономерности формирования различных микро- и нанокристаллических форм широкозонных полупроводниковых оксидов Sn02 и 1п203 в процессе газотранспортного синтеза при различных термодинамических параметрах и режимах.
Кристаллографические характеристики нитевидных кристаллов Sn02, In203.
Характеристики взаимной ориентации роста и сопряжения кристаллических решеток Sn02 и Гп203 на их межфазной границе в гетероструктурах In203/Sn02.
Оптические характеристики и их особенности для нитевидных образцов Sn02, синтезированных методом газового транспорта в сравнении с образцами, полученными другими методами.
Схема локализованных электронных уровней и излучательных переходов между ними, соответствующая экспериментально наблюдаемым спектрам фотолюминесценции образцов Sn02.
Личный вклад автора. Настоящая работа выполнена на кафедре физики твердого тела и наноструктур Воронежского госуниверситета и проводилась в соответствии с планом научно-исследовательских работ кафедры. Все включенные в диссертацию данные получены лично автором или при его непосредственном участии. Автором осуществлено обоснование метода исследования и проведены экспериментальные исследования, проведен анализ и интерпретация полученных
результатов, совместно с научным руководителем сформулированы основные выводы и научные положения, выносимые на защиту.
Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на: Международной конференции «Форум по нанотехнологиям» (Москва, 2008); VI Международной конференции «Аморфные и микрокристаллические полупроводнки» (Санкт-Петербургский, 2008); IV Всероссийской конференции «Физико-химические процессы в конденсированном состоянии и на межфазных границах» (Воронеж, 2008); Международной конференции студентов, аспирантов и молодых учёных по фундаментальным наукам (Воронеж, 2008); VII Всероссийской конференции-школы «Нелинейные процессы и проблемы самоорга-низации в современном материаловедении (индустрия наносистем и материалы)» (Воронеж, 2009); На Всероссийской конференции с элементами научной школы для молодежи (Белгород, 2009); XI Всероссийской молодежной конференции по физике полупроводников и полупроводниковой опто- и наноэлектронике физикотехнологического научно-образовательного центра РАН (Санкт-Петербург 2009 и 2010).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 17 печатных работ, в том числе 7 статей, из которых 4 в журналах, рекомендуемых перечнем ВАК, 10 работ в трудах конференций.
Объем и структура диссертационной работы. Диссертация состоит из
введения, 4 глав и заключения, изложенных на 120 страницах машинописного текста,
включая 79 рисунков, 3 таблицы и список литературы из 96 наименований.
