Анотація до роботи:

Стара Т.Р. Природа люмінесценції та процеси старіння структур з кремнієвими наночастинками в оксидній матриці. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.07 – фізика твердого тіла. – Інститут фізики напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова НАН України, Київ, 2007.

Дисертація присвячена дослідженню термостимульованих перетворень у системах SiO_x, одержаних методом магнетронного розпилення, а також природи свічення та процесів старіння ряду низьковимірних кремнієвих систем. Показано, що в системах, одержаних магнетронним розпиленням, з великою концентрацією надлишкового кремнію (C_Si) кристаліти, оточені окислом, утворюються, переважно, при розпаді SiO_х, який виникає при окисленні фази кремнію в процесі напилення або при старінні. У відпалених шарах з C_Si > 40 % поблизу інтерфейсу шар-підкладка виявлено область збіднення на кремній. В шарах з C_Si > 55 % вперше спостерігався ефект орієнтації кристалітів.

Показано, що фотолюмінесценція (ФЛ) щойновиготовлених зразків нано-пористого кремнію, одержаного електролітичним травленням, обумовлена реком-бінацією екситонів у кремнієвих нвнокристалітах. В процесі старіння цих зразків в їх спектрах ФЛ з'являються додаткові смуги, обумовлені рекомбінацією носіїв через центри в окислі. В спектрах ФЛ макропористого кремнію, одержаного електролітичним травленням, та нанопористого Si, одержанного хімічним трав-ленням, ці смуги присутні відразу після виготовлення.

Встановлено, що основною причиною нестабільності ФЛ-характеристик систем з наночастинками кремнію є їх окислення. Стабільність даних систем визначається кількома факторами: ступенем окислення вихідних зразків, наявністю хімічних комплексів на їх поверхні та щільністю матеріалу, в який вміщені наночастинки кремнію.

1. Показано, що шари SiO_x, одержані в процесі магнетронного розпилення з двох мішеней, є пористими, а їх хімічний склад є однорідним за товщиною. Високотемпературний відпал шарів призводить до їх ущільнення та формування в них нанокристалітів кремнію, оточених окислом. Ці шари демонструють наявність в них яскравої ФЛ в близькій ІЧ-області спектру. Показано, що природою цієї ФЛ є рекомбінація екситонів у нанокристалітах кремнію.

2. Встановлено, що в шарах з C_Si > 50 % кристаліти, оточені окислом, утво-рюються, переважно, при розпаді SiO_х, який виникає при окисленні фази кремнію. При цьому склад окислу, який оточує кристаліти, залежить від ступені окислення Si-фази.

3. Показано, що високотемпературний відпал магнетронно напилених шарів з C_Si = 40 – 68 % призводить до неоднорідного розподілу кремнію та кисню за глибиною шару, а саме, до появи поблизу інтерфейсу шар-підкладка області, збідненої на кремній, і відповідно, збагаченої киснем. Зменшення концентрації надлишкового кремнію з глибиною шару супроводжується зменшенням розмірів наночастинок, вміщених у матрицю.

4. В магнетронно напилених шарах з C_Si > 55 % вперше виявлений ефект орієнтації кристалітів. При зменшенні С_Si з глибиною шару орієнтація кристалітів зникає.

5. З’ясовано природу свічення шарів нано- та макропористого кремнію, одержаних методом електролітичного травлення, а також нонапористого кремнію, одержаного методом хімічного травлення. Показано, що в спектрах ФЛ щойновиготовлених зразків нанопористого кремнію, одержаних методом електролітичного травлення, при Т = 77 К присутня лише ІЧ-смуга, пов’язана з рекомбінацією екситонів у нанокристалітах Si. В процесі зберігання цих зразків на повітрі у їх спектрах ФЛ з’являються додаткові більш високоенергетичні смуги, які пов’язуються з рекомбінацією носіїв через центри в окислі. Показано, що смуга ФЛ зразків макропористого кремнію та нанопористого кремнію, одержаного методом хімічного травлення, завжди є суперпозицією смуг, пов’язаних з рекомбінацією носіїв через центри в окислі та з рекомбінацією екситонів у наночастинках кремнію, причому в макропористому кремнії наночастинки є кристалічними, а в хімічно травленому нанопористому – аморфними.

6. Показано, що шари, одержані магнетронним розпиленням, змінюють свої характеристики в процесі старіння, однак, слабше і більш повільно, ніж шари нанопористого кремнію, одержані електролітичним травленням. На відміну від останніх, в магнетронно напилених шарах при старінні не відбувається помітного зменшення розмірів кристалітів. При зберіганні на повітрі в спектрах ФЛ даних зразків, як і у випадку зразків нанопористого кремнію, з’являються додаткові смуги, пов’язані з рекомбінацією носіїв на центрах в окислі.

7. Встановлено, що основною причиною нестабільності систем з наночастин-ками кремнію є їх окислення. Ступінь стабільності даних систем при цьому визначається кількома факторами: ступенем окислення вихідних зразків, наявністю хімічних комплексів, що містяться на поверхні зразка та щільністю матеріалу, в який вміщені наночастинки кремнію. Показано, що найбільш стабільними є шари nc-Si/SiO₂, одержані осадженням з газової фази, та шари нанопористого кремнію, одержані методом хімічного травлення.

Список цитованої літератури

1. Structure and luminescence study of nanoporous silicon layers with high internal surface / V.A. Makara, M.M. Melnichenko, K.V. Svezhentsova, L.Yu. Khomen-kovа, O.M. Shmyryeva // Semiconductor Physics, Quantum Electronics and Optoelectronics. – 2003. – Vol. 6, № 4. – P. 492-495.

2. Room temperature visible light emission from Si/SiO₂ multilayers: roles of interface electronic states and silicon phase / C. Ternon, F. Gourbilleau, C. Du-four, J.L. Doualan, B. Garrido // J. Luminescence. – 2002. - Vol. 99. – P. 361-364.

3. Особенности окисления пористого кремния при водном дотравливании / Б.М. Костишко, С.В. Апполонов, С.Я. Саломатин, А.Е. Костишко // Письма в ЖТФ. – 2004. – Т. 30, № 7. – С. 1-5.

Публікації автора:

1. Radiative channel competition in silicon nanocrystallites / N. Korsunska, L. Kho-menkova, M. Sheinkman, T. Stara, V.Yuhimchuk, T. Torchynska, A. Vivas Hernan-dez // J. Luminescence. - 2005. - Vol. 115. - P. 117-121.

2. The nature of red emission in porous silicon / N.E. Korsunska, L. Khomenkova, B.M. Bulakh, M.K. Sheinkman, T.R. Stara // Semiconductor Physics, Quantum Electronics and Optoelectronics. - 2005. - Vol. 8, № 1. - P. 60-63.

3. Investigation of Aging Process of Si-SiO(x) Structures with Silicon Quantum Dots / M. Baran, N. Korsunska, L. Khomenkova, T. Stara, M. Sheinkman, Y. Goldstein, J. Jedrzejewski, E. Savir // J. Appl. Phys. - 2005. – Vol.98.- P.113515-1 – 113515-5.

4. О влиянии процесса окисления на эффективность и спектр люминесценции пористого кремния / Б.М. Булах, Н.Е. Корсунская, Л.Ю. Хоменкова, Т.Р. Старая, М.К. Шейнкман // ФТП. – 2006. - T. 40, № 5. – C. 614-620.

5. Growth peculiarities of silicon nanoparticles in an oxide matrix prepared by magnetron sputtering / L. Khomenkova, B. Bulakh, N. Korsunska, T. Stara, Y. Goldstein, J. Jedrzejewski, E. Savir, C. Sada, D. Bisello, V. Khomenkov, Yu. Emirov // Phys. Stat. Sol. С. – 2007. - Vol. 4, № 8. - P. 3061-3065.

6. Depth redistribution of components of SiO_x layers prepared by magnetron sputtering in the process of ther decomposition / L. Khomenkova, N. Korsunska, T. Stara, Ye. Venger, C. Sada, E. Trave, Y. Goldstein, J. Jedrzejewski, E. Savir // Thin Solid Films. – 2007. – Vol. 515. – P. 6749 – 6753.

7. Stability and emission properties of Si-based nanostructures / M. Baran, N. Korsunska, L. Khomenkova, T. Stara, M. Sheinkman, V. Yukhymchuk, V. Khomenkov, Y. Goldstein, E. Savir, J. Jedrzejewski // Proc. of the 11^th International Autumn Meeting Giens (close to Marseilles). - France, 25-30 September 2005. - Solid State Phenomena. - 2005. - Vol. 108-109. - P. 59-64.

8. Khomenkova L., Stara T. Study of aging process in Si-rich/SiO₂ layers // Abstract of the Fourth International Young Scientist Conference “Problems of Optics and High Technology Materials Science – SPO 2003”. - Kyiv, Ukraine, October 23-26, 2003.- P. 193.

9. Radiative channel competition in silicon nanostructures / L. Khomenkova, N. Korsunska, M. Sheinkman, T. Stara, T. Torchynska, A. Vivas Hernandez // Materials of the 4th International Conference Porous Semiconductors – Science and Technology (PSST-2004). - Valencia, Spain, 14–19 March 2004. - P. 434-435.

10. Chemical composition and light emission properties of Si-rich-SiO_x layers prepared by magnetron sputtering / L. Khomenkova, N. Korsunska, M. Sheinkman, T. Stara // Тези конференції молодих вчених з фізики напівпровідників „Лашкарьовські читання 2007”. - Київ, 25-26 квітня 2007. - C. 39-40.

11. Structural and luminescence characteristics of macro porous silicon / B. Bulakh, N. Korsunska, L. Khomenkova, T. Stara, Ye. Venger, T. Kryshtab, J. A. Andraca-Adame // Abstract of the International Conference on Optical, Optoelectronic and Photonic Materials and Applications. - London, 29 July – 3 August 2007. - P. p030.