Отчет о научно-исследовательской работе «Разработка и исследование новых кристаллических, аморфных и наноструктурированных материалов для сцинтилляционных и люминесцентных преобразователей, сенсоров и других применений»

где τ – среднее время жизни ФЛ, β – параметр неэкспоненциальности. Характерные значения параметров τ и β для nc-Si/SiO₂-структур в этом случае составляли 10-150 мкс и 0.7-0.8, соответственно. Подобный характер спада люминесценции некоторые исследователи связывают с наличием неупорядоченности в твердотельной системе, вызванной, например, распределением содержащихся в образце нанокристаллов по размерам и форме, или вариациями их пространственного расположения [22-24]. В результате этой неупорядоченности появляется разброс по энергиям и вероятностям рекомбинации электрон-дырочных пар, что, вероятно, приводит к кинетике люминесценции вида. В свою очередь, в других работах высказывается предположение, что основной причиной искажения моноэкспоненциального спада люминесценции является наличие переноса энергии между соседними нанокристаллами [25-26]. Такой обмен энергией может осуществляться за счёт миграции экситонов от нанокристаллов меньшего размера к более крупным вследствие меньшей ширины запрещённой зоны в последних. Таким образом, время жизни экситона начинает зависеть от числа актов переноса, в результате чего кинетика спада ФЛ “растягивается”. Это предположение подтверждается исследованиями временных характеристик ФЛ ансамблей nc-Si, разделённых достаточно толстыми (~ 5 нм) пространственными барьерами SiO [24]. При этом можно полагать, что нанокристаллы являются хорошо изолированными, в результате чего между ними не происходит обмена энергией, и среднее время жизни является постоянной величиной. Действительно, наблюдаемые в таких системах кинетики ФЛ оказываются моноэкспоненциальными с характерными временами от 0.2 до 0.8 мс (рис. 1.32, b). Заметим, однако, что теоретические исследования [27] предсказывают форму кинетики ФЛ типа даже для одиночных изолированных нанокристаллов в случае преобладания темпа повторного захвата носителей ловушками над темпом их рекомбинации. Для подтверждения последнего утверждения, очевидно, требуются соответствующие экспериментальные исследования.

Рисунок 1.12 – (а) – кинетики ФЛ образца nc-Si/SiO₂, приготовленного методом ионной имплантации в сравнении с кинетиками ФЛ пористого кремния [17], (б) – кинетики ФЛ образца nc-Si/SiO₂, полученного высокотемпературным отжигом сверхрешеток Si/SiO₂ [37].

С момента открытия эффективной фотолюминесценции пористого кремния при комнатной температуре [28] началось интенсивное исследование его люминесцентных свойств с целью выяснения механизма излучения. Следует отметить, однако, что большинство исследований были проведены на образцах, полученных анодным травлением. Для объяснения механизма излучения было предложено несколько моделей. Одной из наиболее распространенных стала квантово-размерная модель [28], которая связывает процессы генерации носителей и их излучательной рекомбинации с кремниевыми кристаллитами, а увеличение вероятности излучательной рекомбинации — с уменьшением их размеров. Последнее влечет также увеличение ширины запрещенной зоны в кристаллитах, что должно отражаться в сдвиге спектрального положения максимума полосы люминесценции в высокоэнергетическую сторону. Такая зависимость действительно была экспериментально получена в работе [29]. Кроме того, в ряде работ [30-31] в низкотемпературных спектрах ФЛ при резонансном возбуждении наблюдались особенности, связанные с фононами кремния, а зависимость ширины запрещенной зоны кристаллитов от температуры в ряде случаев была подобна зависимости для объемного кремния.

Вместе с тем в ряде работ наблюдались экспериментальные факты, которые трудно объяснить квантово-размерной моделью, что повлекло появление альтернативных моделей излучения. Например, в [32-33] было показано, что в зависимости от исходного положения максимума ФЛ могут наблюдаться как низкоэнергетический, так и высокоэнергетический его сдвиги при естественном окислении образцов, тогда как в соответствии с квантово-размерной моделью максимум ФЛ должен сдвигаться в высокоэнергетическую сторону в результате уменьшения размеров кристаллитов при их окислении. В [29] наблюдался высокоэнергетический сдвиг максимума ФЛ при повышении температуры, что также противоречит модели рекомбинации в кремниевых кристаллитах. Для объяснения этих фактов предложены модели [34-35], в которых предполагалось, что интенсивная ФЛ связана с суперпозицией полос, обусловленных кремниевыми кристаллитами и поверхностными центрами, и в частности центрами в окисле. В некоторых работах предполагалось, что поверхностный канал рекомбинации может доминировать в спектре.

Таким образом, даже для пористого кремния, полученного анодным травлением, полной ясности относительно природы полос излучения до сих пор не достигнуто. Остается, в частности, открытым вопрос — в каких случаях каждый из возможных каналов излучательной рекомбинации является доминирующим. Еще в большей мере все сказанное касается пористого кремния, полученного химическим травлением, который по некоторым характеристикам отличается от ПК, получаемого анодным травлением. Так, образцы, полученные химическим травлением, являются более окисленными, т.е. кремниевые частицы в них покрываются слоем окисла в процессе получения, что может влиять на их размеры и структуру.

В работе [36] методами сканирующей туннельной микроскопии и фотолюминесценции исследовался механизм излучения пористого кремния, полученного методом химического травления. В ней были исследованы зависимости спектров ФЛ от температуры, а также структурные характеристики слоев пористого кремния, сформированного методом химического травления. Полученные результаты, а именно значительное уширение полосы и составной вид формы спектра при охлаждении до низких температур, а также при деградации, свидетельствуют о том, что полоса ФЛ является составной. Авторами показано, что в области низких температур максимум с увеличением температуры сдвигается в низкоэнергетическую сторону в соответствии с изменением ширины запрещенной зоны кремния, в то время как в области температур, близких к комнатной, его энергия не зависит от температуры. На основе этой зависимости сделан вывод, что полоса ФЛ состоит из двух компонент, одна из которых (высокоэнергетическая) обусловлена рекомбинацией экситонов в кремниевых нанокластерах, а другая (низкоэнергетическая) — рекомбинацией носителей через поверхностные дефекты, например, через дефекты в окисле.

5. 
   
   жүктеу/скачать 4,61 Mb.
   
   Достарыңызбен бөлісу: