Рассмотрим прямую и обратную решетки кремния, а так же параметры решеток.
![Рис. 1. Прямая (а) и обратная (б) решетки кремния [6].](/i/2016/6/925/image001.jpg) |
Кристаллический кремний имеет такую же структуру, как и алмаз. Напомним, что пространственная решетка структуры алмаза - г.ц.к., а базис состоит из двух атомов с координатами 0,0,0 и 1/4,1/4,1/4 в примитивной г.ц.к. ячейке. Атомы в структуре кремния имеют тетраэдрическую координацию: каждый атом имеет четыре ближайших соседа. Постоянная решетки равна 5,43 Å для кремния. Известно, что для примитивной кубической решетки обратная решетка тоже примитивная кубическая решетка, поэтому легко получить обратную решетку кремния, 
[6]. На рис. 1 показана прямая и обратная решетки кремния. Связь между атомами кремния является ковалентной.
Рассмотрим зону Бриллюэна и поверхность Ферми кремния.
На рис. 2 показан вид зоны Бриллюэна для гранецентрированного кубического кристалла (рис. 2. (б)), а рис. 2. (а) иллюстрирует положение границ энергетических зон для такого кристалла с указанием направлений и характерных точек внутри зоны Бриллюэна.
Здесь символом Г обозначен центр зоны Бриллюэна, а символами ?, Λ, Σ, L, К, W – симметричные точки в зоне Бриллюэна для гранецентрированного кубического кристалла. Положение этих точек определяется с использованием методов теории групп. Направления ?, Λ, Σ для ГЦК ячейки будут соответственно [100], [111], [110] .
Поверхность Ферми кремния, который является непрямозонным полупроводником, состоит из шести эллипсоидов вращения в k-пространстве.
![Рис. 2. Зонная структура в одноэлектронном приближении для гранецентрированного кубического кристалла [1].](/i/2016/6/925/image003.jpg) |
В таблице приведены сравнительные свойства кремния в микроструктурах и наноструктурах.
|
Параметры |
Макроструктура |
Наноструктура (2-5нм) |
|
Температура плавления |
1414,85 °C (1688 K) |
1600°C (1873 K) |
|
Температура кипения |
2349,85 °C (2623 K) |
2230°C(2503 K) |
|
Плотность |
2,33 г/см3 |
2,4 г/см3 |
|
Ширина запрещенной зоны |
1,12 эВ |
2,5 эВ |
|
Молярная масса |
28,08 г/моль |
59,96 г/моль |
Сравнивая свойства кремния в микроструктурах и наноструктурах, отметим, что при превращении из макроструктуры в наноструктуру увеличилась температура плавления почти на 200°C, уменьшилась температура кипения на 119°C, плотность осталась такой же, ширина запрещенной зоны приблизительно в два раза больше, молярная масса увеличивалась в два раза.
Рассмотрим влияние размерных эффектов на свойства кремния.
Существует два вида размерных эффектов: классические и квантовые. Как будет указано ниже, изменение свойств кремния вызывают, в основном, квантовые размерные эффекты (КРЭ). Квантовые размерные эффекты проявляются, когда один из геометрических размеров наноструктуры порядка или меньше длины волны де Бройля. Квантовые размерные эффекты связаны с квантованием квазиимпульса, когда энергетические зоны электронного спектра расщепляются на подзоны и формируется зонная структура вещества. КРЭ играют основную роль, когда размер области локализации свободных электронов становится соизмеримым с их длиной волны де Бройля 
.
![Рис. 3. Основные типы идеальных твердотельных наноструктур [3].](/i/2016/6/925/image005.jpg) |
Для электрона в полупроводнике с mе* = (0.1?1) m0, где mе* является эффективной массой электронов, и длина де Бройля лежит в промежутке 3 нм < λδ < 30 нм. В наноструктурах с минимальными размерами 1 ? 100 нм электроны, дырки и другие квазичастицы будут испытывать ограничения при движении, что приводит к квантовому размерному эффекту. На рис. 3 показаны основные типы идеальных твердотельных наноструктур: квантовые пленки (2D), квантовые проволоки (1D), квантовые точки (0D). Квантовый размер d приближается к длине волны де Бройля, т.е. d ~ λδ = h/p, где p – квазиимпульс электрона или дырки в кристалле.
![(а) (б)
Рис. 4. (а) Схема зон кремния. (б) Квантово-размерный эффект для запрещенной зоны усиливается при переходе от 2D к 0D (при понижении размерности наноструктуры) [5].](/i/2016/6/925/image006.jpg) |
Используя понятие эффективной массы, можно исследовать квантово-размерный эффект, который для запрещенной зоны кремния усиливается при переходе от 2D к 0D (при понижении размерности наноструктуры), как показано на рис. 4.
У наноструктурого кремния много специальных свойств:
Кремний (с-Si) имеет кубическую решетку, ширину запрещенной зоны Eg=1.17 эВ (Т=4 К), хорошо изучены и управляемые электрические и фотоэлектрические свойства. На его основе делаются основные компоненты микроэлектроники и фотовольтаики. Но эффективность излучательной рекомбинации в чистом с-Si очень низкая ввиду непрямозонной природы оптических переходов. Эффективность излучательной рекомбинации можно увеличить, формируя нанокристаллы с размерами 2-3 нм [7].
Сверхпроводящие свойства кремниевых сандвич-наноструктур на поверхности Si (100) n-типа, которые представляют собой сверх узкие кремниевые квантовые ямы p-типа, ограниченные δ-барьерами, сильно легированными бором, проявляются в измерениях температурных и полевых зависимостей удельного сопротивления, термо-ЭДС, теплоемкости и статической магнитной восприимчивости [4].
Благодаря разным свойствам наноструктурого кремния, он в наноструктуре широко используется во многих областях:
Кремний (с-Si) в различных своих формах (кристаллический, поликристаллический, аморфный) является основой современной микроэлектроники и фоточувствительной оптоэлектроники (фотовольтаики).
Системы, содержащие кремниевые нанокристаллы в диэлектрической матрице, являются перспективными для создания светоизлучающих устройств, совместимых с технологией интегральных схем. Легирование структур кремниевых нанокристаллов ионами редкоземельных металлов позволяет реализоваться уникальному процессу практически полной передачи энергии экситонов на внутренние степени свободы ионов.
Искусственные среды с требуемыми оптическими свойствами могут быть сформированы путем наноструктурирования гомогенных изотропных материалов методом электрохимического травления. Высококачественные одномерные фотонные кристаллы на основе пористого кремния имеют ярко выраженную запрещенную зону в видимом или ближнем ИК диапазоне, что позволяет компенсировать дисперсию материала для достижения условий фазового согласования в процессах волнового смешения. Анизотропный пористый кремний является отрицательным одноосным кристаллом с огромной величиной двулучепреломления. Подобные слои могут использоваться в качестве сред для фазового согласования нелинейно-оптических взаимодействий. Анизотропное наноструктурирование полупроводников открывает широкие возможности для изготовления искусственных сред с новыми оптическими свойствами для различных приложений в фотонике (поляризаторы, фазокомпенсирующие пластины, дихроичные зеркала, плоские “окна Брюстера”) [1].
Существуют разные способы получения наноструктурного кремния.
Известен способ получения наноразмерных кластеров на плоской поверхности подложки с помощью туннельного атомного силового микроскопа. По этому способу на подложку окисленного кремния наносят тонкий слой титана. На поверхности напыленного металлического слоя сорбируется тонкая пленка воды. В присутствии сильного электрического поля между подложкой и зондом микроскопа в результате электрохимических процессов происходит локальное окисление титана. В результате этого процесса формируется транзистор с толщиной базовой области в несколько десятков нанометров. Данный способ обеспечивает получение наноструктур различной конфигурации, однако их формирование происходит лишь на поверхности подложки и требует применения сложного оборудования [1].
Известен способ создания элементов проводящей структуры на диэлектрических слоях, включающий разрушение оксидного слоя на поверхности алюминия под действием мощного излучения и возбужденных частиц упрочняющего материала, который переносится с подложки на поверхность алюминия. При этом при помощи отклоняющего излучение устройства на обрабатываемой поверхности создается слоистая металлизированная структура с заданной геометрией рисунка. Но, данный способ имеет ограниченную область применения, так как он может быть использован только для алюминиевых подложек и не позволяет получать структуры с размерами отдельных элементов в несколько нанометров [1].
Известен способ получения кремниевых наноструктур, включающий воздействие потоков электронов с энергией 5-25 кэВ и плотностью электронов в потоке 1-102 мА/см2 в течение не менее 50 с на пористую силикатную матрицу и последующее осаждение выделяющегося кремния в наноразмерных полостях силикатной матрицы.
Ещё есть способ получения кремниевых наноструктур, который относится к технологии получения наноэлектронных структур с помощью потока заряженных частиц [8]. Подобные структуры используют для передачи, преобразования, хранения или генерации информационных сигналов. Данный способ включает воздействие на кремнийсодержащее вещество потоком заряженных частиц. Новым в способе является предварительное нанесение на поверхность кремнийсодержащего вещества металлического покрытия и воздействие ускоренными тяжелыми ионами, при этом длительность облучения кремнийсодержащего вещества ионами определяют из соотношения j?t = N, 1/см2, где j – заданная плотность потока ионов, 1/см2.с; t – длительность облучения слоя ионами, с; N – заданная плотность кремниевых наноструктур, 1/см2. Металлическое покрытие может быть нанесено в виде сплошной пленки или в виде участков заданной геометрии, например нитей.
Библиографическая ссылка
Сюэ Ю.С., Инь Х.И., Инь Ш.И. Изучение свойства кремния в микро и наноструктурах // Международный студенческий научный вестник. – 2016. – № 6. ;URL: https://eduherald.ru/ru/article/view?id=16775 (дата обращения: 16.04.2024).