Электронный научный журнал
Международный студенческий научный вестник
ISSN 2409-529X

КРЕМНИЙ В МИКРО- И НАНОСТРУКТУРАХ

Кроткевич Д.Г. 1 Буйлук А.О. 1 Мустахиева Д.А. 1
1 Национальный исследовательский Томский политехнический университет
Экспериментальные и теоретические исследования показывают, что переход размеров структурных элементов вещества в диапазон намного меньше обычного кристаллического, где в частице содержится несколько десятков либо сотен атомов приводит к существенным изменениям свойств самого вещества. Ярким примером влияния размера на свойства служит нано-кремний. В данной работе приведены кристаллические решетки кремния, параметры решеток, зона Бриллюэна и поверхность Ферми. Представлена таблица сравнительных характеристик свойств кремния в микро и нано структурах. Уменьшение размеров кристалла кремния до нескольких сотен атомов делает его совершенно новым материалом, который обладает новыми свойствами как электронными, так и фотофизическими. Указано влияние квантового размерного эффекта на свойства нано-кремния, рассмотрены применение и способы получения.
кремний
микроструктура
наноструктура
размерный эффект
свойства
применение
получение
1. Кремний. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9A%D1%80%D0%B5%D0%BC%D0%BD%D0%B8%D0%B9
2. А.А. Ищенко, Г.В. Фетисов, Л.А. Асланов. Нанокремний: свойства, получение, применение, методы исследования и контроля. – 2-е изд., испр. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2012. – ISBN 978-5-9211-1369-4.
3. Зи С. Физика полупроводниковых приборов. В 2кн. – М.: Мир, 1984. Кн. 1. – 456 с.
4. Д.В. Кузнецов, С.И. Миляева, А.Г. Юдин, Д.С. Муратов, М.А. Костицын, С.Э. Кондаков, Е.А. Сопова, А.Ю. Годымчук, А.А. Гусев. Свойства нанопорошков кремния, полученных химико-термическим методом// Нано статьи/ УДК 546.06, 54.03.
5. А.Н. Михайлов, А.И. Белов, М.О. Марычев, В.А. Бурдов, Д.И. Тетельбаум. Физические основы ионно-лучевого формирования и свойства квантовых точек кремния в диэлектрике// ННГУ/ 2010.
6. Н.Т. Баграев, Л.Е. Клячкин, А.А. Кудрявцев, А.М. Маляренко, В.В. Романов. Сверхпроводящие свойства кремниевых наноструктур// Физика и техника полупроводников/ 2009, том 43, вып. 11.
7. Koshida N. (Ed.). Device applications of silicon nanocrystals and nanostructures. – Springer, 2009. – xii+344 p.

Краткая информация о кремнии

Кремний (Si) – химический элемент, расположенный под номером 14 в периодической таблице Менделеева. Имеет структурное строение - 3s23p2, с соответствующим типом гибридизации - sp3. Атомы кристаллизуются в кубическую гранецентрированную пространственную решетку [1].

Кристаллический кремний имеет решетку подобную алмазной. Базис, состоящих из двух атомов с координатами 0,0,0, и ¼,¼,¼, относится к примитивной г.ц.к. ячейке. Атомы кремния расположены в тетраэдрической координации, соответственно каждый атом имеет четыре ближайших соседа. Постоянная решетки имеет 5.43 Å , а постоянная обратной решетки определена по формуле 1.

(1)

На рисунке 1 показана прямая и обратная решетки кремния.

аб

Рис.1. Прямая (а) и обратная (б) решетки кремния.

Электрические свойства кремния напрямую зависят от зонной структуры полупроводников. Схема зоны Бриллюэена показана на рисунке 2.

На данной схеме используются общепринятые обозначения точек и осей симметрии:

· Точка Г – центр зоны Бриллюэна с координатами (0,0,0);

· Точки L с координатами () – пересечение осей ‹111› (линия А) с гранями зоны;

· Точки X с координатами (0,0,1) – пересечение осей ‹100› (линия Δ) с гранями зоны;

· Точка К с координатами () – пересечение осей ‹110› (линия Σ) с краями зоны.

зона б.png

Рис. 2. Аксонометрическое изображение первой зоны Бриллюэна монокристалла кремния [2].

Кремний является непрямозонным материалом. Изоэнергетические поверхности, указанные на рисунке 3, представляют собой эллипсоиды вращения, вытянутые вдоль соответствующих осей семейства направлений [100] [3].

1.png

Рис.3. Изоэнергетические поверхности кремния.

Сравнительный анализ свойств кремния в микро- и нано-структурах представлена в таблице 1.

Таблица 1.

Параметры

Микроструктура

Нано-структура(2-30нм)

Температура плавления

1415ºС

1600ºС

Температура кипения

2350ºС

2230ºС

Молярная масса

28,08 г/моль

59,96 г/моль

Плотность

2,33г/см3

2,4 г/см3

Ширина запрещенной зоны

1,12 эВ

2,5 эВ

Подвижность электронов

1200 см2/В·с

1400 см2/В·с

Собственное удельное сопротивление

3,2·105 Ом·см

 

Концентрация собственных носителей заряда

1,5·1010 см-3

 

 

Как следует из таблицы, температура плавления в нано-структурах увеличивается на 215°C, также можно заметить, что уменьшилась температура кипения на 20°C. Молярная масса возрастает на 31,88 г/моль. Ширина запрещенной зоны увеличивается в два раза. Подвижность электронов в переходе от микро к нано-структуре колеблется в приделах 1200 -1400 см2/В·с.

Влияние на изменения свойств кремния оказывают размерные эффекты. Существует два вида размерных эффектов: классические и квантовые [4]. Изменения свойств кремния в структуре 2нм вызывают, в основном, квантовые размерные эффекты (КРЭ). Квантовые размерные эффекты проявляются, когда один из геометрических размеров наноструктуры (2нм) порядка или меньше длины волны де Бройля. Основное влияние на свойства наноматериалов размером 30нм оказывают классические размерные эффекты. Квантовые размерные эффекты связаны с квантованием квазиимпульса, когда энергетические зоны электронного спектра расщепляются на подзоны и формируется зонная структура вещества.

Квантово-размерный эффект для запрещенной зоны усиливается при переходе от 2D к 0D (при понижении размерности наноструктуры) [5].

С уменьшением размеров нанокристаллов Si спектр люминесценции сдвигается в высокоэнергетичную (коротковолновую) область вследствие квантового размерного эффекта. Кулоновское взаимодействие электронов и дырок в нанокристалле приводит к возникновению экситона (), что несколько ослабляет квантово-размерный сдвиг полосы люминесценции.

(3)

В настоящее время большинство исследований учитывает квантово – размерные эффекты для объяснения природы кремния. Квантовые ямы, точки и нити можно описывать только в системе пониженной размерности, нежели в монокристалле. Интерес к нано-частицам вызван тем, что они могут использоваться для описания необычных электрических, фотооптических свойств [6].

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. Как известно, 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») [2].

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. 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. Также 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. Существует способ получения кремниевых наноструктур, который относится к технологии получения наноэлектронных структур с помощью потока заряженных частиц. 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/; 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 [7].


Библиографическая ссылка

Кроткевич Д.Г., Буйлук А.О., Мустахиева Д.А. КРЕМНИЙ В МИКРО- И НАНОСТРУКТУРАХ // Международный студенческий научный вестник. – 2017. – № 3.;
URL: http://eduherald.ru/ru/article/view?id=17211 (дата обращения: 22.10.2020).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074