Получение и исследование морфологии массивов микро- и наностержней ZnO на подложках Si с пленочным подслоем ZnO
Массивы нитевидных нанокристаллов и наностержней ZnO как элементная база высокоэффективных электрооптических устройств. Прикладные характеристики массивов нанокристаллов ZnO, способы их определения. Управление морфометрическими параметрами массивов.
| Рубрика | Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника |
| Вид | статья |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 28.05.2017 |
| Размер файла | 1,1 M |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
10
Размещено на http://www.allbest.ru/
Южный федеральный университет
Получение и исследование морфологии массивов микро- и наностержней ZnO на подложках Si с пленочным подслоем ZnO
Н.В. Лянгузов, А.Г. Дрюков, Е.М. Кайдашев, И.В. Галий
Ростов-на-Дону
Содержание
- Введение
- Экспериментальная часть
- Результаты
- Выводы
- Литература
Введение
Массивы нитевидных нанокристаллов и наностержней ZnO в настоящее время рассматриваются в качестве элементной базы высокоэффективных электрооптических устройств (cветоизлучающих диодов, лазеров и фотодиодов УФ-видимого диапазона, преобразователей солнечной энергии), эмиттеров электронов, сенсоров химических и биологических веществ, микро - и наноэлектромеханических систем (фильтры и генераторы на объемных акустических волнах, датчики вибраций, акселерометры, пьезоэлектрические преобразователи энергии). Значительный интерес также представляет разработка технологии самоорганизованного роста массивов полупроводниковых нитевидных нанокристаллов и гибридных структур на их основе.
В последние два десятилетия разработано множество различных химических и физических методов синтеза полупроводниковых микро - и нанокристаллов, в том числе на основе ZnO. Благодаря простоте технической реализации, группа CVD-методов рассматривается как одна из наиболее перспективных для промышленного получения массивов нанокристаллов ZnO. К данной группе относятся метод карботермического синтеза и метод термического испарения [1-3]. К настоящему времени широко изучены оптические, электрические, структурные свойства наноструктур ZnO, синтезируемых данными методами [4, 5]. Продолжается поиск различных катализаторов роста нитевидных нанокристаллов для возможности варьирования технологии получения и улучшения их оптических и электрических свойств [6-8].
Прикладные характеристики массивов нанокристаллов ZnO определяются не только механическими, оптическими, электрическими и структурными свойствами их отдельных элементов, но так же и свойствами, связанными с морфометрическими параметрами массивов (характерные размеры отдельных элементов, степень дисперсности, плотность и однородность распределения по поверхности). Для многих приложений морфологические характеристики являются определяющими. Актуальной задачей является управление данными параметрами посредством изменения условий синтеза (температуры синтеза и потока вещества, применения различных подслоев и катализаторов роста и т.д.). В данной задаче все еще существует множество нерешенных проблем. Интерес к данному кругу проблем вызван существенной, а зачастую и определяющей ролью интегральных свойств массивов нанокристаллов ZnO в процессах транспорта носителей заряда, поглощения и рассеяния света, чувствительности к химическим веществам, распространения акустических колебаний и т.д.
Кроме этого, при создании устройств на основе массивов ZnO нанокристаллов необходимо производство электрических контактов и/или формирование гетеропереходов на поверхности кристаллов, возможное только посредствам напыления различных материалов. Разработка технологии напыления металла или полупроводникового материала на структуру с развитой поверхностью представляет собой весьма сложную технологическую задачу, требующую большого объема исследовательской и экспериментальной работы. Процессы создания гетеропереходов и электрических контактов во многом будут определяться морфометрическими параметрами исходных массивов нанокристаллов ZnO.
Целью данной работы является изыскание возможностей управления морфометрическими параметрами массивов нано - и микрокристаллов ZnO на подложках Si с пленочным подслоем ZnO в процессе карботермического синтеза с использованием меди в качестве катализатора роста. В задачи входит изучение влияния температуры синтеза и толщины пленочного подслоя на морфометрические параметры нано - и микрокристаллов ZnO: длины и диаметры, степень дисперсности, плотность и однородность распределения по поверхности подложки.
морфология массив нанокристалл наностержень
Экспериментальная часть
Получение наностержней ZnO осуществлялось методом карботермического синтеза с использованием подложек Si (100). В качестве катализатора роста применялась медь в виде сверхтонких пленок (эквивалентной толщиной 1 nm) [9]. Синтез наностержней проводился на предварительно нанесенных пленочных подслоях ZnO толщиной 30 - 120 нм. Получение пленок Cu осуществлялось методом магнетронного распыления на постоянном токе при следующих условиях: расстояние мишень-подложка 80 мм, напряжение разряда 150 В, ток разряда 30 мА, давление аргона 1,5Ч10-3 мм. рт. ст. Получение пленочных подслоев ZnO производилось методом импульсного лазерного напыления. Лазерное излучение KrF-лазера CL-7100 ( = 248 нм, ф = 15 нс) с энергией 300 мДж фокусировалось на поверхность вращающейся мишени с плотностью энергии ~ 2 Дж/см2. Расстояние мишень-подложка составляло 75 мм. Напыление пленок ZnO происходило в атмосфере кислорода при давлении 1,5Ч10-2 мм. рт. ст. Подложка нагревалась до температуры ~ 500 оС. Толщина покрытий ZnO контролировалась по числу импульсов.
При проведении карботермического синтеза в качестве ростовой камеры использовалась кварцевая труба с внешним резистивным нагревателем. Подложка располагалась в центр нагревателя на расстоянии L = 10 мм от источника испаряемого материала - таблетки ZnO: С в молярном соотношение 1:
1. В качестве транспортного газа использовался Ar при давлении 750 мм. рт. ст. и скорости потока 20 см3/мин. Центральная часть печи нагревалась в течении 18, 25 и 35 мин. до рабочих температур 720, 770 и 820 С соответственно. Время выдержки рабочей температуры составляло 15 мин. Охлаждение рабочей зоны осуществлялось естественным образом до температуры ~ 150 оС, после чего образец вынимался из камеры синтеза.
Морфология полученных образцов изучалась методом сканирующей электронной микроскопии на приборе Zeiss SUPRA 25. Для характеризации морфометрических параметров массивов наностержней выполнялся статистический анализ: с помощью прикладной программы Image Scope по электронно-микроскопическим изображениям определялись диаметры и длины наностержней на поверхности площадью ~ 4 мкм2. Полученные статистические данные визуализировались графически в виде гистограмм распределения по размеру и обрабатывались в программе Origin 7.0.
Результаты
При описании морфологии получаемых структур далее будем пользоваться следующими терминами и положениями. Средняя длина и диаметр стержней - положение максимума функции, используемой для аппроксимации гистограммы распределения по длине и диаметру соответственно. Средняя степень дисперсности - ширина на половине высоты функции, используемой для аппроксимации гистограммы распределения (по длине или диаметру стержней) в единицах размера (нм). При этом, будем говорить, что средняя степень дисперсности по длине соответствует среднему перепаду высоты в образце. Если аппроксимация гистограммы производится двумя кривыми, то за значение ширины результирующей кривой (и, следовательно, средней степени дисперсности) будет приниматься сумма ширин отдельных кривых. Аппроксимация гистограмм распределения по длине производилась функцией Гаусса, а гистограмм распределения по диаметру - функцией логнормального распределения. Под поверхностной плотностью массивов стержней будет пониматься общее количество стержней, приходящихся на единицу площади поверхности.
Исходя из результатов электронно-микроскопических исследований, было установлено, что наиболее интенсивный рост стержней ZnO наблюдался при температуре синтеза 770 оС (рис.1 b). Снижение температуры до 720 оС и увеличение до 820 оС приводило к подавлению роста стержней. При более низкой температуре синтеза формировались отдельно стоящие кристаллы поперечным сечением ~ 300 нм в плоскости и высотой не более 150 нм (рис.1 a). Форма таких кристаллов представляла собой призму с неправильным многогранником в основании. При более высокой температуре (820 оС) формировались стержни длиной не более 300 нм и диаметром ~ 100 нм (рис.1 с) на массивных основаниях неправильной формы Основания стержней срастались друг с другом в плоскости поверхности подложки, имея поперечное сечение ~ 400 нм и высоту ~200 нм.
Рис. 1. Изображения сканирующей электронной микроскопии структур ZnO, полученных при температурах карботермического синтеза 720 оС - a), 770 оС - b) и 820 оС - c) на пленочных подслоях ZnO толщиной 80 нм. Все три изображения выполнены под углом 60 град. к поверхности.
Интенсивность роста и морфология получаемых образцов также существенным образом зависела от толщины пленочного подслоя ZnO. Так, было установлено, что наиболее интенсивный рост массивов вертикально ориентированных стержней ZnO наблюдался при толщине пленочного подслоя, лежащей в диапазоне 50 - 100 нм. При толщине подслоя ZnO 30 нм рост практически подавлялся: наблюдались отдельные наностержни длиной не более 300 нм, неоднородно распределенные по поверхности и имеющие существенное отклонение (~ 30 град.) от направления нормали к подложке. При толщине подслоя ZnO 120 нм полученные образцы представляли собой сросшиеся друг с другом у основания колонны высотой не более 200 нм. Наиболее оптимальная для роста толщина пленочных подслоев лежит в диапазоне 50-100 нм, причем морфометрические характеристики получаемых стержней здесь существенно зависят от данной толщины (рис.2).
Таким образом, был определен оптимальный диапазон толщин подслоев (50 - 100 нм) и температура синтеза (770 оС) для получения массивов вертикально ориентированных стержней ZnO.
Теперь, перейдем к более детальному описанию массивов вертикальных стержней оксида цинка, полученных при оптимальной температуре синтеза (770 оС) и различных толщинах пленочных подслев ZnO в диапазоне 50 - 100 нм (60 нм, 80нм, 100 нм). При толщине подслоя 60 нм полученные стержни демонстрируют неоднородное распределение по размерам. Как видно из рис.3 a), в распределении стержней по длинам отчетливо различимы два максимума вблизи значений 800 нм и 1450 нм, причем количество более длинных стержней приблизительно в 2 раза больше. Значение средней дисперсности по длине составляет ~ 1100 нм. Следовательно, и средний перепад высоты в данном образце составляет ~ 1,1 мкм. Подобная картина наблюдается и в распределении по диаметрам, где также можно выделить два максимума при значениях 80 нм и 110 нм с преобладанием более тонких стержней в 2 раза по количеству (рис.3 b). Значение средней дисперсности по диаметру составляет ~ 80 нм. Поверхностная плотность массива составляет ~ 25 мкм-2.
Рис. 2. Изображения сканирующей электронной микроскопии массивов стержней ZnO, полученных при температурах температуре карботермического синтеза 770 оС на пленочных подслоях ZnO толщиной 60 нм - a), 80 нм - b) и 100 нм - c) Все три изображения выполнены под углом 5 град. к поверхности.
При использовании подслоя ZnO толщиной 80 нм синтезируемые стержни проявляют более однородное, нежели в предыдущем случае распределение по длинам, что видно из гистограммы на рис.3 c). Однако, все еще различимы два максимума вблизи значений 625 нм и 870 нм, но количество более длинных стержней приблизительно в 3,5 раза больше. Значение средней степени дисперсности по длине составляет 470 нм. Следовательно, средний перепад высоты в данном образце лежит на уровне ~ 0,5 мкм. Средний диаметр стержней составляет 145 нм, а значение средней дисперсности по диаметру - 95 нм (рис. 3 d). Значение поверхностной плотности составляет ~ 20 мкм-2.
Стержни, полученные на подслое ZnO толщиной 100 нм, демонстрируют наиболее однородное по сравнению с двумя предыдущими случаями распределение по длине, хорошо аппроксимируемое одной функцией Гаусса (рис. 3 e). Среднее значение длины составляет 675 нм, а средняя степень дисперсности - 260 нм. Средний перепад высоты лежит на уровне 0,25 мкм. Средний диаметр стержней в данном образце наибольший из всех трех, и составляет 155 нм. Значение средней дисперсности по диаметру здесь также наибольшее - 105 нм (рис. 3 f). Поверхностная плотность массива составляет ~ 18 мкм-2.
Рис. 3. Гистограммы распределения стержней ZnO по длине - a, c, e) и диаметру - b, d, f). Гистограммы представляют распределения по размерам для стержней, полученных с использованием пленочных подслоев ZnO толщиной 60 нм - a, b), 80 нм - c, d) и 100 нм - e, f).
Выводы
Таким образом, методом карботермического синтеза на подложках кремния с тонкими пленочными подслоями оксида цинка, с использованием меди в качестве катализатора роста были получены массивы вертикально ориентированных стержней оксида цинка. Определена оптимальная температура роста данных структур - 770 оС. Установлено, что при температурах на 50 оС выше и ниже оптимальной (820 оС и 720 оС, соответственно) рост стержней подавляется. Показана возможность варьирования средней длины и диаметра стержней путем изменения толщины пленочного подслоя в диапазоне 50 - 100 нм. Установлено, что при возрастании толщины подслоя уменьшается значение средней длины стержней и уменьшается средний перепад высоты массивов (~ 1100, 500 и 250 нм при толщинах подслоев 60, 80 и 100 нм, соответственно), характеризуемый шириной распределения стержней по длине. Значение среднего диаметра стержней возрастает с ростом толщины подслоя (80, 145, 155 нм при значениях толщины подслоев 60, 80 и 100 нм, соответственно). При толщинах подслоев вне диапазона 50 - 100 нм рост массивов вертикально ориентированных стержней оксида цинка также подавляется.
Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки, грант ФЦП "Проведение центром коллективного пользования научным оборудованием "Высокие технологии" Южного федерального университета поисковых научно-исследовательских работ в области создания экологически чистых технологий получения новых активных нано - и микроструктурированных материалов для использования в современной сенсорике", госконтракт № 16.552.11.7024.
Литература
[1] H. J. Fan, F. Fleischer, W. Lee, K. Nielsch, R. Scholz, M. Zacharias, U. Gцsele, A. Dadgar, and A. Krost // Superlattices and Microstructures. 2004. V.36. P.95-105.
[2] Jinhui Song, Xudong Wang, Elisa Riedo, and Zhong L. Wang // J. Phys. Chem B. 2005. V.109. N. 20.
[3] S. H. Dalal, D. L. Baptista, K. B. K. Teo, R. G. Lacerda, D. A. Jefferson, and W. I.milne // Nanotechnology. 2006. V.17. P.4811-4818.
[4] Jinmin Wang, Lian Gao // J. 2004. V.262. P.290-294.
[5] A. Umar, S. H. Kim, Y. - S. Lee, K. S. Nahm, Y. B. Hahn // J. of Crystal Growth. 2005. V.282. P.131-136.
[6] Кайдашев В.Е., Кайдашев Е.М., Peres M., Monteiro T., Correia M. R., Sobolev N. A. // ЖТФ. 2009. Т.79. В.11. C.45-49.
[7] R. T. Rajendra Kumar, E. McGlynn, M. Biswas, R. Saunders,G. Trolliard, B. Soulestin, J. - R. Duclere, J. P. Mosnier, and M. O. Henry // J. Appl. Phys. 2008. V.104. P.084309.
[8] Seu Yi Li, Chia Ying Lee, Tseung Yuen Tseng // J. of Crystal Growth. 2003. V.247. P.357-362.
[9] Н.В. Лянгузов, В.Е. Кайдашев, Е.М. Кайдашев, К.Г. Абдулвахидов. // Письма в ЖТФ. 2011. Т.37. В.5. С.1-8.
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Характеристика плановых, диспетчерских и исполнительных информационных логистических систем. Принципы организации массивов информации, ее потоков, процессов транспортирования данных. Пути компьютеризации управления материальными потоками на предприятии.
контрольная работа [34,5 K], добавлен 06.11.2010История развития элементной базы ЭВМ. Механические вычислительные машины Леонардо да Винчи, Блеза Паскаля, Лейбница. Релейные, ламповые, транзисторные дискретные и интегральные ЭВМ. Современная элементная база компьютера и перспективы ее развития.
реферат [369,7 K], добавлен 26.11.2010Изучение принципов построения корректирующего кода Хемминга, предназначенного для обнаружения и исправления одиночной ошибки. Анализ технических средств надежной передачи больших массивов данных. Примеры моделирования в Proteus для исходных сообщений.
курсовая работа [1,8 M], добавлен 25.05.2013Устройства для обработки больших массивов информации с помощью интеграции различных физических эффектов. Варианты конструкций конденсаторов переменной емкости, их применение и выбор направления проектирования. Электрический и конструкторский расчеты.
курсовая работа [35,1 K], добавлен 14.03.2010Цифровые электронные устройства: история развития, классификация электронных, комбинационных и логических устройств. Классификация вентилей как энергопотребителей. Элементная база; энергетика и скорость производства и обработки цифровой информации.
курсовая работа [1,2 M], добавлен 26.09.2011Проектирование "охранного комплекса для автомобиля". Разработка принципиальных схем устройств и программы для микроконтроллеров, реализующих функции устройств. Выбор микроконтроллера, его элементная база. Краткое руководство по эксплуатации устройства.
курсовая работа [331,6 K], добавлен 24.12.2012Задачи применения аналого-цифровых преобразователей в радиопередатчиках. Особенности цифро-аналоговых преобразователей (ЦАП) для работы в низкочастотных трактах, системах управления и специализированных быстродействующих ЦАП с высоким разрешением.
курсовая работа [825,8 K], добавлен 15.01.2011Принцип действия, конструкция и технология гибких дисплейных ячеек. Изучение характеристик нанотолщинных композиционных слоистых покрытий на гибких подложках. Влияние толщины нанотолщинного композиционного слоистого покрытия на устойчивость к деформации.
дипломная работа [3,7 M], добавлен 17.06.2012Технологический процесс создания матриц для производства DVD-дисков. Оптические и магнитооптические системы памяти. Намагниченные домены, направление их намагниченности. Зондовые системы памяти компьютеров. Основные возможности зондовых устройств.
презентация [563,2 K], добавлен 24.05.2014- Программно-аппаратный комплекс для проведения специальных комплексных проверок электронных устройств
Технические требования к программно-аппаратному комплексу, описание его структурной, функциональной и электрической принципиальной схем, алгоритма работы. Элементная база, код обмена между адаптером и персональным компьютером, программное обеспечение.
дипломная работа [1,5 M], добавлен 25.08.2010 Рассмотрение различных типов разветвителей оптических сигналов. Литературно-патентный поиск по конструкциям, методам. Описание технологии изготовления разветвителей в стеклянных подложках, методики измерения их геометрических параметров, числовых апертур.
курсовая работа [1,3 M], добавлен 20.07.2015Технологический процесс гибридных микросхем. Процессы формирования на подложках пассивных пленочных элементов и проводников соединений. Контроль пассивных элементов на подложках. Технология получения ситалла. Резка слитков и ломка пластин на платы.
курсовая работа [871,3 K], добавлен 03.12.2010Виды постоянных запоминающих устройств (ПЗУ), их характеристики, принцип работы и строение. Исследование принципа работы ПЗУ с помощью программы Eltctronics WorkBench. Описание микросхемы К155РЕ3. Структурная схема стенда для изучения принципа работы ПЗУ.
дипломная работа [8,5 M], добавлен 29.12.2014Микроэлектронная элементная база. Автоблокировка пути: тональная, микропроцессорная, защита от грозовых разрядов. Алгоритм расчета, компоновка, размещение фильтров. Разводка цепей в блоках и платах. Виды и нормы заземления, выбор кабеля для разводки.
дипломная работа [3,3 M], добавлен 22.11.2010Процесс производства стали, способы детектирования шлака. Обзор периферийных устройств контроллера, определение режимов их работы. Разработка программного обеспечения для модуля, позволяющего применять данную плату для любой системы детектирования шлака.
дипломная работа [3,3 M], добавлен 07.07.2012Синхронный дискретный автомат Мура как прототип проектируемого электронного автомата с заданными входными сигналами и контролируемыми параметрами. Разработка схемы дискретного автомата. Выбор элементной базы. Разработка устройств сопряжения по входу.
курсовая работа [958,4 K], добавлен 29.07.2009Классификация устройств, оперирующих с двоичной (дискретной) информацией: комбинационные и последовательностные. Отсутствие памяти и цепей обратной связи с выхода на вход у комбинационных устройств. Сумматоры, шифраторы и дешифраторы (декодеры).
лабораторная работа [942,0 K], добавлен 06.07.2009Принцип работы и назначение амплитудного детектора, элементы и их взаимодействие. Виды схем амплитудных детекторов их современная элементная база. Порядок проектирования и предварительного электрического расчета приемника, его практическая апробация.
курсовая работа [721,5 K], добавлен 17.01.2010Временные и частотные характеристики основных типов динамических звеньев. Свойства переходной и весовой функции. Способы экспериментального определения неизвестных параметров звеньев по их временным характеристикам. Параметры колебательного звена.
лабораторная работа [835,6 K], добавлен 27.03.2016Понятие и общая характеристика приборов - излучателей или приемников электромагнитных волн. Описание детекторных радиоприемников, принципы работы диода и триода. Устройство транзистора, свойства полупроводников, особенности возникновения p-n перехода.
реферат [85,4 K], добавлен 17.03.2011
