Вплив термічних дефектів на магнітні властивості монокристалічного та ниткоподібного кремнію

30. Klimovskaya A.I., Ostrovskii I.P., Ostrovskaya A.S. Influence of growth conditions on morphology, composition, and electrical properties of n-Si wires// Phys. Stat. Sol. A, - 1996. - V.153. - P.465-472.

Анотація

Павловський Ю.В. Вплив термічних дефектів на магнітні властивості монокристалічного та ниткоподібного кремнію. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.07 - фізика твердого тіла. - Чернівецький національний університет імені Юрія Федьковича, Чернівці, 2007.

Дисертація присвячена експериментальному дослідженню впливу термічних дефектів на магнітні властивості монокристалічного та ниткоподібного кремнію. Вивчено природу парамагнітних центрів, які утворюються в монокристалах кремнію після їх термообробки в інтервалі 650-1100^оС. З результатів вимірювання магнітної сприйнятливості виявлено зростання концентрації парамагнітних центрів, що найбільш чітко проявляється в зразках після термообробки при 900^оС. Встановлено, що зміни магнітної сприйнятливості пов'язані з генерацією кластерів та дислокаційних петель. Показано, що попереднє опромінення швидкими нейтронами прискорює генерацію парамагнітних центрів при наступних термічних обробках. Кінетика зміни магнітної сприйнятливості з тривалістю відпалу корелює з кінетикою процесів преципітації кисню в досліджуваних кристалах.

Виявлено, що чим вища концентрація атомарного вуглецю в зразках, тим більше вводиться парамагнітних центрів в процесі термообробок. Наявність в цих зразках ізовалентної домішки свинцю дещо сповільнює ведення парамагнітних центрів. Це, очевидно, пов'язано з тим, що свинець утворює з частиною вуглецю нейтральні комплекси PbC, виключаючи останній з процесів термічного дефектоутворення.

Встановлено, що магнітні властивості ниткоподібних кристалів кремнію суттєво відрізняються від магнітних властивостей об'ємного матеріалу і пояснюються особливостями їх кристалічної структури.

Аннотация

Павловский Ю.В. Влияние термических дефектов на магнитные свойства монокристаллического и нитевидного кремния. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.07 - физика твердого тела. - Черновицкий национальный университет имени Юрия Федьковича, Черновцы, 2007.

Диссертация посвящена экспериментальному исследованию влияния термических дефектов на магнитные свойства монокристаллического и нитевидного кремния и поиску адекватных подходов к интерпретации полученных результатов.

Изучено влияние термообработки в интервале 650-1100^оС на магнитные свойства монокристаллического кремния. С результатов измерения магнитной восприимчивости выявлено появление парамагнитной компоненты, что объясняется возрастанием концентрации парамагнитных центров, в процессе указанной термообработки. Максимальный эффект наблюдается после отжига образцов при 900^оС. Установлено, что повторная высокотемпературная обработка при 1150^оС отжигает образованные парамагнитные центры в исследуемых образцах, за исключением отожженных при температурах 900^оС и выше. После проведения рентгеноструктурных исследований по методу трехкристальной дифрактометрии установлено, что изменения магнитной восприимчивости связанны с генерацией кластеров и дислокационных петель. Возрастание парамагнитной составляющей магнитной восприимчивости образцов после проведенной термообработки является результатом образования макрокластеров, размеры которых увеличиваются с повышением температуры термообработки. Это сопровождается возрастанием механических напряжений в их окрестности вследствие несоответствия молекулярных объемов с кремниевой матрицей, что, в свою очередь, приводит к образованию значительной концентрации атомов с оборванными связями, которые и являются парамагнитными центрами. При повышении температуры термообработки выше 900^оС интенсивно образовываются дислокационные петли, что приводить к уменьшению внутренних деформационных напряжений и соответственно парамагнитной компоненты. Установлено, что исчезновение парамагнетизма после повторной высокотемпературной обработки, наиболее вероятно, связанно с изменением формы преципитатов с пластинчатых на октаэдрические.

Установлено, что предварительное облучение быстрыми нейтронами ускоряет введение парамагнитных центров при последующих термических обработках, особенно после отжигов при 700-900^оС, вследствие того, что радиационные дефекты выступают дополнительными центрами зарождения кислородосодержащих преципитатов. Показано, что кинетика изменения магнитной восприимчивости с продолжительностью отжига при 800^оС коррелирует с кинетикой процесса преципитации кислорода в исследуемых кристаллах.

Показано, что чем выше концентрация атомарного углерода в образцах, тем более вводится парамагнитных центров в процессе указанных термообработок. Установлено, что легирование кремния изовалентной примесью свинца не влияет на магнитные свойства материала и не образовывает новые дефекты с электронными уровнями в верхней половине запрещенной зоны. В тоже время, показано, что наличие изовалентной примеси свинца несколько замедляет генерацию парамагнитных центров. Это, вероятно, связано с тем, что свинец образует с углеродом нейтральные комплексы PbС и тем самым исключает его из процессов термического дефектообразования.

Установлено, что характер зависимости магнитной восприимчивости от температуры обработки образцов всех исследуемых типов коррелирует с изменением их микротвердости. Выявленные особенности связаны с возрастанием концентрации дефектов в образцах и изменением их структуры.

Установлено, что магнитные свойства нитевидных кристаллов кремния существенно отличаются от магнитных свойств объемного материала, что объясняется особенностями их кристаллической структуры. Так, уменьшение диамагнетизма нитевидных субмикронных кристаллов (d ? 1-3 мкм) объясняется наличием на их поверхности нанопористой оболочки, содержащей оборванные связи, которые являются парамагнитными центрами. Удельная поверхность субмикронных НК увеличивается с уменьшением диаметра кристаллов, что приводит к возрастанию парамагнетизма.

В случае субмиллиметровых кристаллов (d ? 10 мкм) установлено, что с увеличением их размера диамагнетизм уменьшается и возрастает нелинейность зависимости (Н). Первое объясняется возрастанием концентрации парамагнитной примеси платины, и образованием макропреципитатов SiPt, что приводит к значительным механическим напряжениям, вследствие чего на границе раздела преципитатов с кремниевой матрицей образуются краевые дислокации с оборванными связями, которые являются парамагнитными центрами. Второе - с упорядочением электронных спинов на дислокационных структурах.

На нитевидных кристаллах Si и SiGe, диаметры которых приближаются к 2-6 мкм, независимо от их морфологии, выявлено диамагнетизм, который на 40-45% превышает диамагнетизм объемных материалов, что может быть связано проявлением размерного эффекта.

Abstract

Pavlovskyy Yu.V. The influence of thermal defects on the magnetic properties of silicon monocrystals and whiskers. - Manuscript.

Thesis for a candidate of sciences degree in physics and mathematics in speciality 01.04.07. - solid state physics. - Yurij Fedkovych National University of Chernivtsi, Chernivtsi, 2006.

Thesis is focused on the experimental investigation of the influence of thermal defects on the magnetic properties of silicon monocrystals and whiskers.

The nature of paramagnetic centers formed in the silicon monocrystals after their thermal treatment in the range of 650-1100 ^оС is studied. According to the magnetic susceptibility results obtained it is found that the concentration of paramagnetic centers increase after thermal treatment and this feature is enhanced for the samples annealed at 900 ^оС. The changes in the magnetic susceptibility are connected with generation of clusters and dislocation loops.

The preliminary fast neutrons irradiation accelerates the introduction of the paramagnetic centers after next thermal annealing. It is shown that the kinetic of the changes in the magnetic susceptibility correlates with the kinetic of the oxygen precipitation processes in the investigated crystals.

The increasing in the concentration of C atoms in the samples leads to the increasing in the concentration of the paramagnetic centers during thermal treatment. The existence of isovalent Pb impurity in the samples results in reduction in the concentration of the paramagnetic centers. It can be explained by the formation of the neutral complexes PbC between Pb atoms and part of C ones excluding therefore Pb from the thermal defect formation processes.

It is established that the magnetic properties of silicon whiskers are significantly different from the magnetic properties of the bulk material and explained by the peculiarities in their crystalline structure.

Размещено на Allbest.ru