Влияние адсорбции молекул на электрофизические и магнитные свойства нанокомпозитов на основе пористого кремния Антропов, Илья Михайлович

Введение к работе

Актуальность темы

Бурное развитие микроэлектроники, начиная со второй половины ХХ века, повлекло за собой интенсивные исследования в области физики полупроводников и физики поверхности твёрдого тела. В настоящее время монокристаллический кремний (с-Si) является основным материалом микроэлектронной технологии. На базе кремния выпускаются различные полупроводниковые приборы от дискретных диодов и транзисторов до сверхсложных интегральных схем и микропроцессоров.

Электронными свойствами кремния можно управлять с помощью формирования на его основе наноструктур - пространственно разделённых фрагментов кремния с размерами в несколько нанометров. Благодаря своим уникальным свойствам наноматериалы на основе кремния находят всё большее применение в различных областях науки и техники. Одним из распространенных способов формирования наноструктурированного кремния является электрохимическое травление монокристаллических подложек, приводящее к образованию пористого слоя на поверхности c-Si. При определенных режимах приготовления пористый кремний (ПК) представляет собой систему пересекающихся квантовых нитей кремния и относительно изолированных нанокристаллов с характерными поперечными размерами порядка нескольких нанометров. Актуальность исследования слоев ПК определяется возможностью управления его физическими свойствами в широких пределах путем изменения молекулярного окружения и адсорбционного покрытия поверхности составляющих его нанокристаллов.

Действительно, важным свойством ПК является наличие чрезвычайно развитой (до 1000 м /г) и открытой для воздействия молекул окружающей среды поверхности. Поверхность ПК пассивирована, однако, остаётся химически активной, что является существенной особенностью ПК.

ПК является весьма перспективным материалом для создания на его основе различных газовых сенсоров. Как упоминалось выше, наряду с большой внутренней поверхностью и высокой химической активностью ПК, можно, кроме того, отметить следующие преимущества этого материала. Во-первых, технология электрохимического травления с-Si проста и хорошо отработана, поэтому можно существенно упростить и удешевить процесс изготовления газовых сенсоров на основе ПК. Во- вторых, сенсоры на основе ПК можно изготавливать на одной подложке вместе с управляющей микросхемой, что также упрощает процесс создания конечного прибора. В-третьих, в некоторых работах [1-3] сообщается о более низких рабочих температурах структур на основе ПК, по сравнению с металлооксидными датчиками, при которых детектируются многие опасные газы (различные углеводороды, водород, аммиак, диоксид азота, монооксид углерода).

Основными недостатками ПК при его использовании в газовом анализе являются низкая селективность и деградация его свойств со временем (эффект старения) [4]. Селективность потенциальных датчиков на основе ПК можно повысить, внедряя в пористый слой различные металлы- катализаторы или снабжая датчики специальными молекулярными фильтрами.

ПК может также использоваться, как твёрдотельная матрица для внедрения различных веществ. Создаваемые таким образом нанокомпозиты по своим свойствам могут существенно отличаться от первоначального ПК. Особенно актуальной, учитывая огромные возможности органической химии, представляется перспектива создания композитных материалов с использованием органических молекул. Создание на базе ПК таких материалов, обладающих магнитными свойствами, позволило бы значительно расширить возможности кремниевой микроэлектроники и газовой сенсорики.

Цели работы

Изучение возможного повышения чувствительности к молекулам углеводородов при внедрении в ПК нанокластеров никеля или кобальта. Определение механизма газовой чувствительности экспериментальных структур. Исследование влияния адсорбции парамагнитных молекул на магнитные свойства ПК. Из этого вытекает следующий перечень основных задач диссертационной работы:

1. Исследование влияния внедрённого в ПК металла-катализатора (Ni, Co) на чувствительность образцов к молекулам углеводородов.

2. Комплексное изучение влияния адсорбции взрывоопасных газов (метана, бытового газа, водорода) на электрофизические свойства экспериментальных структур.

3. Определение нижней границы температур, при которых детектируются углеводородные молекулы структурами Ме/ПК-№(Со)/c-Si.

4. Выявление механизма газовой чувствительности структур Ме/ПК-№(Со)/с^і к углеводородам.

5. Исследование способности экспериментальных структур обнаруживать углеводороды на фоне атмосферного воздуха.

6. Изучение влияния адсорбции органических парамагнитных молекул на магнитные свойства ПК, с целью формирования нанокомпозитного материала «ПК-кластеры органических молекул».

Научная новизна работы

6. 1. Впервые установлено, что внедрение никеля и кобальта значительно повышает чувствительность гетероструктур на основе ПК к углеводородным молекулам.

   2. Показано, что гетероструктуры Ме/ПК-Ni(Co)/c-Si могут быть использованы в качестве основы для датчиков таких взрывоопасных газов как: метан, бытовой газ, водород.

   3. Установлено, что температура, при которой происходит детектирование метана и бытового газа структурами Ме/ПК-Ni/c-Si существенно ниже, чем для обычно использующихся для этой цели металлооксидных датчиков.

   4. Предложен механизм чувствительности структур Ме/ПК-М(Со)/с^і по отношению к молекулам углеводородов.

   5. Впервые обнаружен суперпарамагнетизм при адсорбции парамагнитных молекул парабензохинона на поверхности ПК при комнатной температуре. В перспективе это позволит использовать ПК в магнитной газовой сенсорике для детектирования парамагнитных молекул.

   Практическая ценность работы

   Полученные в настоящей работе результаты по влиянию адсорбции различных молекул, в первую очередь молекул взрывоопасных газов (метана, бытового газа, водорода) на электрофизические свойства нанокомпозитов на основе ПК, могут быть использованы при разработке химических сенсоров нового типа. Существенно, что рабочие температуры таких сенсоров значительно ниже, чем для обычно применяющихся для обнаружения метана металлооксидных датчиков. Кроме того, результаты экспериментов по влиянию адсорбции парамагнитных углеводородных молекул открывают новые области применения ПК, и предоставляют возможность создавать на его основе магниточувствительные датчики. Положения, выносимые на защиту

   6. 5. 1. Обнаружено, что внесение никеля или кобальта в слой ПК приводит к увеличению чувствительности к молекулам углеводородов.

         2. Показано, что механизм влияния адсорбции углеводородных молекул на проводимость экспериментальных структур состоит в каталитическом разложении углеводородов на нанокластерах Ni или Со, приводящим к образованию атомарного водорода.

         3. Установлено, что экспериментальные структуры способны обнаруживать метан на фоне атмосферного воздуха.

         4. Обнаружено, что адсорбция молекул парабензохинона (ПБХ) на поверхности ПК приводит к формированию нового нанокомпозитного материала, проявляющего свойства суперпарамагнетика.

         Апробация работы

         Материалы, вошедшие в диссертацию, были представлены в виде устных и стендовых докладов на следующих конференциях и научных школах:

         III Высшие курсы стран СНГ для молодых учёных, аспирантов и студентов по современным методам исследований наносистем и материалов «СИН-НАНО 2010», Москва-Дубна, 2010; Международная конференция «Физика диэлектриков», «Диэлектрики-2011», Санкт-Петербург, 2011; XVIII, ХІХ Международная конференция студентов и аспирантов по фундаментальным наукам «Ломоносов-2011», 2011, «Ломоносов-2012», Москва, 2012; XIII Всероссийская молодежная конференция по физике полупроводников и полупроводниковой опто- и наноэлектронике, Санкт- Петербург, 2011; IX, Х Курчатовская молодежная научная школа, Москва, 2011, 2012; Научная конференция «Ломоносовские чтения», Москва, 2011; Х!Х Всероссийская конференция «Структура и динамика молекулярных систем», «Яльчик-2012», 2012. По материалам диссертации опубликовано 9 печатных работ.

         Личный вклад

         Личный вклад автора заключается в проведении комплексного исследования адсорбционных свойств нанокомпозитов на основе ПК, обработке, сопоставлении и анализе результатов измерений в рамках существующих моделей, обсуждении экспериментальных результатов и подготовке публикаций.

         Структура и объём диссертации

         Диссертация состоит из введения, трех глав, включающих в себя: обзор литературы; методику эксперимента, в которую входят описание материалов и методов исследования; результаты собственных экспериментов и их обсуждение; выводов; списка цитируемой литературы. Работа изложена на 139 страницах машинописного текста, содержит 3 таблицы и 52 рисунка. Список цитируемой литературы состоит из 143 наименований.

         Похожие диссертации на Влияние адсорбции молекул на электрофизические и магнитные свойства нанокомпозитов на основе пористого кремния

         Влияние атомарного водорода на свойства кремния, арсенида галлия и структур на их основеШлопак, Николай Владимирович

         

         Формирование и свойства наногетероструктур на основе кремния и дисилицида железаЧусовитин Евгений Анатольевич

         

         Структура и оптические свойства тонкопленочных полупроводниковых соединений на основе кремния, синтезированных импульсными энергетическими воздействиями Баталов Рафаэль Ильясович

         Исследование деградации электрофизических свойств кремния и структур на его основе, легированных переходными, редкоземельными и изовалентными элементамиТалипов, Фархад Магруфович

         Технология и оптические свойства фотонно-кристаллических структур на основе макропористого кремнияЛи, Галина Викторовна

         Электрофизические и фотоэлектрические свойства полупроводниковых материалов и приборов на основе легированного кремния и соединений А4В6Абрамян, Юрий Арсенович

         

         Получение и свойства ультратонких пленок аморфного кремния и многослойных периодических наноструктур на их основеКазанцева Инга Александровна

         Исследование некоторых свойств компенсированных твердых растворов кремний-германий и приборных структур на их основеМатчанов, Нураддин Азадович

         Электрофизические свойства контактов редкоземельный металл-кремний, силицид редкоземельного металла-кремний и поверхностно-барьерных диодов на их основеМилюткин, Евгений Александрович

         

         Влияние спонтанной поляризации на энергетические характеристики гетероструктур на основе политипов карбида кремнияТрошин Алексей Валерьевич