Отримання та характеристики ниткоподібних мікро- і нанокристалів Si та твердих розчинів Si1-xGex для приладних застосувань

Abstract

Дисертація присвячена дослідженню технологічних умов вирощування ниткоподібних мікро- і нанокристалів Si та твердих розчинів Si1-xGex, вивченню кінетики їх утворення, а також дослідженню властивостей для розширення існуючих уявлень про фізичну природу багатьох процесів у твердих тілах, що дало можливість розробити концепцію створення нових сучасних приладів із наперед заданими та прогнозованими характеристиками. Наведено результати досліджень електрофізичних, термо- та фотоелектричних властивостей ниткоподібних мікро- і нанокристалів Si та твердих розчинів Si1-xGex. Встановлено, що температурна залежність опору і польова залежність магнетоопору НК Si1-xGex (d=200 нм) та Si (d=5 мкм) лінійні в інтервалі 4,2–77 К, а відносна зміна опору для зразків НК Si1-xGex (d=200 нм) становила 250 % за індукції магнетного поля 14 Тл і температури 4,2 К, що дозволило розробити на їх основі сенсор одночасного вимірювання індукції магнетного поля та температури. Встановлено, що термоелектричні характеристики субмікронних НК твердого розчину Si1-xGex відрізняються від характеристик масивного матеріалу, що пов’язано з нанопористою оболонкою кристалів. Розроблено сенсор температури та різниці температур для інтервалу 4,2–77 К на основі НК Si1-xGex, які володіють покращеними характеристиками завдяки прояву розмірної залежності коефіцієнта термоЕРС. Запропоновано удосконалену модель фотоелектричного перетворювача з використанням антивідбивної поверхні у вигляді ансамблів нанодротин кремнію. Диссертация посвящена исследованию технологических условий выращивания нитевидных микро- и нанокристаллов Si и твёрдых растворов Si1-xGex, изучению кинетики их образования, а также исследованию свойств для расширения существующих представлений о физической природе многих процессов в твердых телах, что позволило разработать концепцию создания новых современных приборов с заданными и прогнозируемыми характеристиками. Приведены результаты исследований электрофизических, термо-и фотоэлектрических свойств нитевидных микро-и нанокристаллов Si и твёрдых растворов Si1-xGex. В результате проведенных ростовых экспериментов в открытой и закрытой системах получены ансамбли нанонитей Si со средним диаметром 200 нм. Показано, что на первой стадии процесса выращивания методом химического парового осаждения поверхность кремниевой подложки покрывается поликристаллическим буферным слоем, который является источником высокого локального пресыщение в участках образования нанокристаллов. На основе моделирования аксиального роста нитевидных кристаллов определен их критический диаметр (45 нм). Установлено, что температурная зависимость сопротивления и зависимость магнетосопротивления от магнитного поля НК Si1-xGex (d=200 нм) и Si (d=5 мкм) имеет линейный характер в интервале 4,2–77 К, а относительное изменение сопротивления НК Si1-xGex (d=200 нм) составляло 250% при индукции магнитного поля 14 Тл, что позволило разработать на их основе сенсор для одновременного измерения индукции магнитного поля и температуры. Установлено, что термоэлектрические характеристики субмикронных НК твёрдого раствора Si1-xGex отличаются от характеристик массивного материала, что проявляется в росте эффекта фононного увлечения носителей заряда. Причиной является деформация кристаллического ядра НК вследствии рассогласования параметров решетки ядра и нанопористой оболочки кристалла, что привело к увеличению коэффициента термоЭДС и обусловило смещение его максимального значения в сторону более высоких температур. Это позволило разработать сенсор температуры и разности температур для интервала 4,2–77 К, где в качестве чувствительных элементов использовали НК Si1-xGex диаметром 20 мкм, обладающих улучшенными характеристиками благодаря проявлению размерной зависимости коэффициента термоЕРС. Предложена усовершенствованная модель фотоэлектрического преобразователя с использованием антиотражающей поверхности в виде ансамблей нанокристаллов кремния. The thesis is devoted to research of technological growing conditions of Si, Si1-xGex solid solution micro- and nanowires, study of the kinetics of their formation and study of the their properties for the expansion of existing ideas about the physical nature of many processes in solids, making it possible to develop a concept for a new modern devices with predetermined and predictable characteristics. The research results of studying their electrophysical, thermal and photovoltaic properties of micro-and nanocrystals of Si, Si1-xGex solid solution micro- and nanowires are presented. It was found that the dependence of magnetoresistance on magnetic field for Si1-xGex nanowires (d=200 nm) and Si (d=5 mm) possesses the linear character, and the relative change in resistance for Si1-xGex nanowires samples was 250 % at magnetic 14 T and temperature 4,2 K. The concept of making sensors on the basis of Si1-хGeх nanowhiskers detecting simultaneously magnetic field and temperature has been proposed. It was found that the thermoelectric properties of submicron wires differs from that of bulk crustals due to the presence of nanoporous shell in crystals. In particular, the decreased scattering of charge carriers by phonons and the enhanced phonon drag effect in whiskers is caused by interface tension between crystalline core and nanoporous shell and the shifting maximum value of thermopower on its temperature dependence towards higher temperatures confirmed previous thought. These results allowed to design thermoelectric sensor operating at 4,2–77 K, which have improved characteristics due to size dependenced thermopower coefficient. An improved model of the photoelectric converter using antireflective coating in the form of Si nanowires array is proposed.