научная статья по теме EXAFS- И РФЭС-ИССЛЕДОВАНИЕ НАНОСТРУКТУР ГЕРМАНИЯ И АРСЕНИДА ГАЛЛИЯ В МАТРИЦАХ ПОРИСТОГО ОКСИДА АЛЮМИНИЯ Физика

Текст научной статьи на тему «EXAFS- И РФЭС-ИССЛЕДОВАНИЕ НАНОСТРУКТУР ГЕРМАНИЯ И АРСЕНИДА ГАЛЛИЯ В МАТРИЦАХ ПОРИСТОГО ОКСИДА АЛЮМИНИЯ»

ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, 2015, том 79, № 1, с. 160-164

УДК 546.22/.24,54.057,538.9

EXAFS- И РФЭС-ИССЛЕДОВАНИЕ НАНОСТРУКТУР ГЕРМАНИЯ И АРСЕНИДА ГАЛЛИЯ В МАТРИЦАХ ПОРИСТОГО ОКСИДА АЛЮМИНИЯ

© 2015 г. Р. Г. Валеев1, 2, А. Н. Бельтюков1, В. В. Кривенцов3, Н. А. Мезенцев4, В. М. Ветошкин1, 2

E-mail: rishatvaleev@mail.ru

Представлены результаты исследований локальной атомной структуры и характера химических связей германия и арсенида галлия как типичных представителей одного изоэлектронного ряда, полученных методом термического испарения порошка материала на пористые матрицы анодного оксида алюминия и подложки поликора. Показано, что механизм формирования локальной атомной структуры Ge и GaAs в целом одинаков. Также наблюдаются изменения в локальной атомной структуре материала, полученного в пористых матрицах, по сравнению с пленками на поверхности поликора, связанные с различием механизма конденсации на развитой и гладкой поверхностях.

DOI: 10.7868/S0367676515010330

ВВЕДЕНИЕ

Несмотря на то что германий и арсенид галлия как материалы полупроводниковой техники давно и систематически изучены, наноструктуры на их основе, прежде всего наноразмерные включения в диэлектрических матрицах, представляют большой интерес для исследователей [1, 2]. Следует отметить, что наноструктуры, полученные в указанных выше работах, имеют неупорядоченное расположение в матрицах, что существенно ограничивает возможности их практического применения в устройствах наноэлектроники.

Известно, что электрофизические и оптические свойства полупроводниковых материалов формируются на атомарном уровне, т.е. определяются как взаимным расположением атомов различного сорта в пространстве, так и характером химических связей между ними [3]. Формирование наноразмерных частиц в диэлектрических матрицах приводит к появлению как размерных эффектов (квантовые явления), так и эффектов вследствие нарушения химических связей [4], которые заключаются (в случае германия и арсенида

1 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт Уральского отделения Российской академии наук, Ижевск.

2 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Удмуртский государственный университет, Ижевск.

3 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт катализа имени Г.К. Борескова Сибирского отделения Российской академии наук, Новосибирск.

4 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт ядерной физики имени Г.И. Будкера Сибирского отделения Российской академии наук, Новосибирск.

галлия) в появлении люминесценции в видимой области спектра [1, 2].

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Пленки оксида алюминия с высокоупорядо-ченной структурой пор синтезировали по методике двухстадийного анодного окисления [5].

Полупроводники напылялись на пористую поверхность ААО (Anodic Aluminum Oxide) методом резистивного испарения порошка поликристаллического материала в условиях высокого (10-5 Па) вакуума [6, 7]. Одновременно для использования в качестве тестового объекта проводилось напыление пленок полупроводников на гладкую поверхность поликора.

Локальная атомная структура пленок была изучена методом протяженных тонких структур спектров рентгеновского поглощения (EXAFS-спектро-скопия) на станции EXAFS-спектроскопии в Сибирском центре синхротронного и терагерцевого излучения (Новосибирск) [8]. В качестве источника рентгеновского излучения использовано ускорительное кольцо ВЭПП-3 с энергией электронного пучка 2 ГэВ при среднем токе 80 мА. Для моно-хроматизации излучения использован кристалл Si(111). Съемку спектров проводили в режиме выхода флуоресценции. Для германия EXAFS-спек-тры были получены на К-крае поглощения Ge (EK= = 11103 эВ, диапазон сканирования по энергии 10880—12000 эВ, шаг — 1.5 эВ); для арсенида галлия — на К-краях поглощения Ga (EK = 10368 эВ, диапазон сканирования по энергии 10250—11060 эВ, шаг — 1.5 эВ) и As (EK = 11865 эВ, диапазон сканирования по энергии 11750—12560 эВ, шаг — 1.5 эВ).

EXAFS- И РФЭС-ИССЛЕДОВАНИЕ НАНОСТРУКТУР ГЕРМАНИЯ И АРСЕНИДА ГАЛЛИЯ

161

Предварительная обработка EXAFS-спектров проведена по стандартной методике [9, 10]. Корреляционные функции и их параметры (длины химический связей и координационные числа) были рассчитаны из нормированных осциллирующих частей %(к) при использовании метода фурье-подгонки в интервале в k-пространстве от 3.5 до 14.5 А-1 с использованием программы Viper [11]. Анализ полученных функций позволил определить длины химический связей и координационные числа для первых двух координационных сфер.

Исследования характера химических связей проводили методом рентгеноэлектронной спектроскопии (РЭС) на спектрометре SPECS (Германия). Спектры возбуждались А1Х"а-излучением (E = = 1486.61 эВ). Перед съемкой спектра поверхность образца очищали травлением ионами Ar+ с энергией 4 кэВ с плотностью тока 30 мкА • см-2 в течение 5 мин, этого достаточно для полного удаления поверхностных загрязнений. Для всех образцов были получены обзорные спектры и спектры основных элементов, составляющих образцы.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Германий

Образцы наноструктур германия были аттестованы методами рентгеновской дифракции и растровой электронной микроскопии. Характерное изображение наноструктуры после удаления матрицы анодного оксида алюминия представлено на рис. 1. Видно, что нити германия состоят из более мелких (около 2-10 нм, что в целом совпадает с оценкой по данным рентгеновской дифракции) частиц.

На рис. 2 представлены обзорный рентгено-электронный спектр образца наноструктур германия в пористой матрице A12O3, а также спектры A12p и Ge3d. Алюминий пористой пленки находится в степени окисления 3+, что соответствует соединению A12O3. Энергия связи A12p имеет стандартное значение, характерное для A12O3. Присутствие меди обусловлено подложкой, на которую был закреплен образец для исследований.

Германий находится в двух неэквивалентных состояниях: неокисленный и окисленный до Ge4+. В результате зарядки спектр в целом смещен в сторону больших энергий связи. Оксид германия (по

Рис. 1. Изображение растровой электронной микроскопии образца наноструктур германия, полученных в матрице пористого анодного оксида алюминия с диаметром пор 130 нм.

справочным данным и по величине химического сдвига спектральной линии) соответствует GeO2.

Одновременное присутствие спектров германия, алюминия и кислорода связано с анализом объекта в пористой области, где присутствуют оксид алюминия, металлический германий и оксид германия. Наличие оксида германия, возможно, связано с частичным окислением напыленного материала в порах вследствие высокой реакционной способности низкоразмерного материала (наноструктуры в порах). Источником кислорода может быть кислород, адсорбированный на поверхностях пор. Не исключено взаимодействие сверхтонких слоев германия в порах с материалом пористой маски на границе раздела ААО^е. Наличие небольшого количества оксида германия может привести к появлению люминесценции наноструктур германия в синей области спектра [12]. Действительно, при возбуждении лазером с длиной волны 473 нм нами была обнаружена достаточно интенсивная люминесценция с максимумом в 484 нм, что будет отражено в отдельной публикации.

На рис. 3 представлены фурье-образы нормированных осциллирующих частей спектров EXAFS. В результате проведения процедуры фурье-подгонки были рассчитаны межатомные расстояния и координационные числа. Результаты сведены в табл. 1.

Таблица 1. Параметры локального атомного окружения Ge

Образец R1, А N1 r2, А N2

Кристаллография 2.45 4 4 12

FEFF-модель 2.45 ± 0.02 4.0 ± 0.5 4.00 ± 0.05 9.0 ± 2.0

Ge в матрице A12O3 2.45 ± 0.02 4.0 ± 0.5 3.97 ± 0.05 2.45 ± 2.0

Пленка Ge на поликоре 2.64 ± 0.02 4.9 ± 0.5 - -

162

ВАЛЕЕВ и др.

Интенсивность, отн. ед.

100 200 300 400 500 600 700

Рис. 2. РЭС образца наноструктур германия в пористой матрице Al2O3.

800

900

Есв, эВ

4

R, Â

Рис. 3. Фурье-образы спектров EXAFS для К-края Ge: а — FEFF-модель; б — пленки Ge на поликоре; в — Ge в матрице пористого А12О3.

Из рисунков и данных таблицы можно заключить, что наноструктуры в матрице имеют аморфно-кристаллический состав [13], а пленки на гладкой поверхности поликора аморфные.

Арсенид галлия

Образцы наноструктур арсенида галлия также были аттестованы методами рентгеновской дифракции и растровой электронной микроскопии. Наноструктуры арсенида галлия, как и германиевые, состоят из более мелких (около 2—10 нм) частиц, что характерно для материалов, полученных методом термического напыления.

На рис. 4 представлены обзорный рентгено-электронный спектр образца наноструктур арсенида галлия в пористой матрице Al2O3, а также спектры Ga2p3/2 и As2p3/2. Электронный спектр в целом имеет сдвиг, обусловленный зарядкой поверхности. В то же время, по сравнению со спектрами чистых элементов, в спектре пленки GaAs наблюдается уменьшение энергетического расстояния между однотипными (2p-2p, 3s-3s и т.д.) линиями галлия и мышьяка из-за химического сдвига спектров (ЛЕсв), обусловленного образованием химических связей между атомами. Спектры галлия (донор) имеют положительный сдвиг, спектры мышьяка (акцептор) — отрицательный.

0

EXAFS- И РФЭС-ИССЛЕДОВАНИЕ НАНОСТРУКТУР ГЕРМАНИЯ И АРСЕНИДА ГАЛЛИЯ 163 Интенсивность, отн. ед.

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400

Есв, эВ

Рис. 4. РЭС образца наноструктур арсенида галлия в пористой матрице А12О3.

На спектрах Ga2p3/2 и Ав2р3/2 не наблюдаются пики, свидетельствующие об образовании оксидов галлия и мышьяка, содержание кислорода в приповерхностном слое мало. Спектр алюминия не наблюдается, что связано с тем, что после осаждения арсенида галлия матрица оксида алюминия оказалась покрытой достаточно толстым слоем напыленного материала (по оценке — более 150 нм) и достижение материала матрицы требует долгого стравливания покрытия GaAs. Расчет концентраций химических элементов по данным ренгено-электронных спектров показал, что наноструктуры имеют эквиатомный состав по Ga и As.

На рис. 5

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Физика»