Зміни структури та властивостей кремнію під час легування ітербієм: результати комплексного аналізу
Анотація
У цій роботі проведено комплексне дослідження структурних, хімічних та електрофізичних властивостей монокристалічного кремнію (Si), легованого ітербієм (Yb). Легування проводили методом термодифузії при температурі 1473 К в умовах високого вакууму з подальшим швидким охолодженням. Для аналізу зразків використовували атомно-силову мікроскопію (АСМ), інфрачервону Фур’є-спектроскопію (FTIR), спектроскопію глибокого рівня (DLTS) і раманівську спектроскопію (RAMAN). АСМ-зображення легованих зразків продемонстрували суттєві зміни рельєфу поверхні. Середньоквадратична шорсткість зросла з менш ніж 10 нм до 60–80 нм, а максимальна висота нерівностей досягла 325 нм. Ці зміни зумовлені утворенням наноструктур внаслідок нерівномірного розподілу атомів ітербію у кристалічній решітці кремнію та виникненням внутрішніх напруг. ІЧ-Фур'є-спектроскопія виявила зниження концентрації оптично активного кисню (NOopt) на 30-40% після легування, що пов'язано з хімічною взаємодією ітербію з кремнієм. Спектри RAMAN виявили утворення нових фаз та нанокристалів, що свідчить про перебудову кристалічної решітки внаслідок введення ітербію. Коефіцієнт дифузії ітербію в кремнії становить 1,9×10⁻¹⁵ см²/с, що свідчить про повільний процес дифузії, характерний для рідкоземельних металів. Це також сприяло зниженню густини поверхневих станів на межі Si-SiO₂ і появі глибоких рівнів з енергією іонізації Ec-0,32 еВ.
Завантаження
Посилання
L.T. Canham, “Silicon quantum wire array fabrication by electrochemical and chemical dissolution of wafers,” Appl. Phys. Lett. 57, 1046-1990. https://doi.org/10.1063/1.103561
F. Huisken, H. Hofmeister, B. Kohn, M.A. Laguna, and V. Paillard, “Laser production and deposition of light-emitting silicon nanoparticles,” Appl. Surf. Sci. 154–155, 305 (2000). https://doi.org/10.1016/s0169-4332(99)00476-6
V. Vinciguerra, G. Franzo, F. Priolo, F. Iacona, and C. Spinella, “Quantum confinement and recombination dynamics in silicon nanocrystals embedded in Si/SiO2 superlattices,”J. Appl. Phys. 87, 8165 (2000). https://doi.org/10.1063/1.373513
F. Koch, and V. Petrova-Koch, “Light from Si-nanoparticle systems - a comprehensive view,”J. Non-Cryst. Solids, 198–200, 840 (1996). https://doi.org/10.1016/0022-3093(96)00067-1
Zh. Ma, X. Liao, J. He, W. Cheng, G. Yue, Y. Wang, and G. Kong, “Annealing behaviors of photoluminescence from SiOx:H,” J. Appl. Phys. 83, 7934 (1998). https://doi.org/10.1063/1.367973
M. Zaharias, H. Freistdt, F. Stolze, T.P. Drusedau, M. Rosenbauer, and M. Stutzmann, “Properties of sputtered a-SiOx:H alloys with a visible luminescence,” J. Non-Cryst. Solids, 164–166, 1089 (1993). https://doi.org/10.1016/0022-3093(93)91188-9
U. Kahler, and H. Hofmeister, “Silicon nanocrystallites in buried SiOx layers via direct wafer bonding,” Appl. Phys. Lett. 75, 641 (1999). https://doi.org/10.1063/1.124467
S. Zhang, W. Zhang, and J. Yuan, “The preparation of photoluminescent Si nanocrystal–SiOx films by reactive evaporation,” Thin Solid Films, 326, 92 (1998). https://doi.org/10.1016/S0040-6090(98)00532-X
W. Li, G.S. Kaminski Schierle, B. Lei, Y. Liu, and C.F. Kaminski, „Fluorescent Nanoparticles for Super-Resolution Imaging,” Chemical Reviews, 122, 12495−12543 (2022). https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.2c00050
A.S. Zakirov, Sh.U. Yuldashev, H.D. Cho, J.C. Lee, T.W. Kang, J.J. Khamdamov, and A.T. Mamadalimov, “Functional Hybrid Materials Derived from Natural Cellulose,” Journal of the Korean Physical Society, 60(10), 1526-1530 (2012). https://doi.org/10.3938/jkps.60.1526
A.S. Zakirov, Sh.U. Yuldashev, H.J. Wang, H.D. Cho, T.W. Kang, J.J. Khamdamov, and A.T. Mamadalimov, “Photoluminescence study of the surface modified and MEH-PPV coated cotton fibers,” Journal of Luminescence, 131(2), 301–305 (2011). https://doi.org/10.1016/j.jlumin.2010.10.019
H. Richter, Z.P. Wang, and L. Ley, “The one phonon Raman spectrum in microcrystalline silicon,” Solid State Commun. 39, 625 (1981). https://doi.org/10.1016/0038-1098(81)90337-9
Z. Iqbal, and S. Veprek, “Raman scattering from hydrogenated microcrystalline and amorphous silicon,” J. Phys. C, 15, 377 (1982). https://doi.org/10.1088/0022-3719/15/2/019
J. Gonzales-Hernandez, G.H. Azarbayejani, R. Tsu, and F.H. Pollak, “Raman, transmission electron microscopy, and conductivity measurements in molecular beam deposited microcrystalline Si and Ge: A comparative study,”Appl. Phys. Lett. 47, 1350 (1985). https://doi.org/10.1063/1.96277
I.H. Campbell, and P.M. Fauchet, “The effects of microcrystal size and shape on the one phonon Raman spectra of crystalline semiconductors,” Solid State Commun. 52, 739 (1986). https://doi.org/10.1016/0038-1098(86)90513-2
J. Zi, H. Buscher, C. Falter, W. Ludwig, K. Zhang, and X. Xie, “Raman shifts in Si nanocrystals,” Appl. Phys. Lett. 69, 200 (1996). https://doi.org/10.1063/1.117371
D.R. dos Santos, and I.L. Torriany, “Crystallite size determination in μc-Ge films by x-ray diffraction and Raman line profile analysis,” Solid State Commun. 85, 307 (1993). https://doi.org/10.1016/0038-1098(93)90021-E
Kh.S. Daliev, Z.E. Bahronkulov, and J.J. Hamdamov, “Investigation of the Magnetic Properties of Silicon Doped with Rare-Earth Elements,” East Eur. J. Phys. 4, 167 (2023). https://doi.org/10.26565/2312-4334-2023-4-18
Kh.S. Daliev, Sh.B. Utamuradova, Z.E. Bahronkulov, A.Kh. Khaitbaev, and J.J. Hamdamov, “Structure Determination and Defect Analysis n-Si, p-Si Raman Spectrometer Methods,” East Eur. J. Phys. (4), 193 (2023). https://doi.org/10.26565/2312-4334-2023-4-23
P.A. Temple, and C.E. Hathaway, “Multiphonon Raman Spectrum of Silicon,” Physical Review B, 7(8), 3685–3697 (1973). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.7.3685
K.J. Kingma, and R.J. Hemley, “Raman spectroscopic study of microcrystalline silica,” American Mineralogist, 79(3-4), 269 273 (1994). https://pubs.geoscienceworld.org/msa/ammin/article-pdf/79/3-4/269/4209223/am79_269.pdf
G.E. Walrafen, Y.C. Chu, and M.S. Hokmabadi, “Raman spectroscopic investigation of irreversibly compacted vitreous silica,” The Journal of Chemical Physics, 92(12), 6987–7002 (1990). https://doi.org/10.1063/1.458239
B. Champagnon, C. Martinet, M. Boudeulle, D. Vouagner, C. Coussa, T. Deschamps, and L. Grosvalet, “High pressure elastic and plastic deformations of silica: in situ diamond anvil cell Raman experiments,” Journal of Non-Crystalline Solids, 354(2-9), 569–573 (2008). https://doi.org/10.1016/j.jnoncrysol.2007.07.079
Sh.B. Utamuradova, H.J. Matchonov, Zh.J. Khamdamov, and H.Yu. Utemuratova, “X-ray diffraction study of the phase state of silicon single crystals doped with manganese,” New Materials, Connections Oath Applications, 7(2), 93-99 (2023). http://jomardpublishing.com/UploadFiles/Files/journals/NMCA/v7n2/Utamuradova_et_al.pdf
Kh.S. Daliev, Sh.B. Utamuradova, J.J. Khamdamov, M.B. Bekmuratov, “Structural Properties of Silicon Doped Rare Earth Elements Ytterbium,” East Eur. J. Phys. (1), 375-379 (2024). https://doi.org/10.26565/2312-4334-2024-1-37
Авторське право (c) 2024 Ходжакбар С. Далієв, Шаріфа Б. Утамурадова, Джонібек Дж. Хамдамов, Мансур Б. Бекмуратов Шахрійор Б. Норкулов, Улугбек М. Юлдошев
Цю роботу ліцензовано за Міжнародня ліцензія Creative Commons Attribution 4.0.
Автори, які публікуються у цьому журналі, погоджуються з наступними умовами:
- Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons Attribution License, котра дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Політика журналу дозволяє і заохочує розміщення авторами в мережі Інтернет (наприклад, у сховищах установ або на особистих веб-сайтах) рукопису роботи, як до подання цього рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання, оскільки це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії та позитивно позначається на оперативності та динаміці цитування опублікованої роботи (див. The Effect of Open Access).
