А Франів, О Бовгира, О Савчин - Спектри термостимульованої люмінесценції наноструктур синтезованих у поруватому кремні - страница 1

Страницы:
1 

ВІСНИК ЛЬВІВ. УН-ТУ

Серія фізична. 2004. Вип.37. С.254-259

VISNYK LVIV UNIV. Ser.Physic. 2004.137. P. 254-259

УДК 535.343.2:535.37

PACS number(s): 78.60.Kn, 61.80.Ed, 61.82.Fk.

СПЕКТРИ ТЕРМОСТИМУЛЬОВАНОЇ ЛЮМІНЕСЦЕНЦІЇ НАНОСТРУКТУР ІпДІ^Л, СИНТЕЗОВАНИХ У ПОРУВАТОМУ КРЕМНІЇ

 

А. Франів, О. Бовгира, О. Савчин

Львівський національний університет імені Івана Франка, вул. Кирила і Мефодія, 8а, Львів, Україна, e-mail: savchyn_oleks@yahoo. com

Досліджено дозову залежність інтегральної інтенсивності спектрів термостимульовоної люмінесценції нанокристалів твердих розчинів заміщення ІпхТ11-хІ, синтезованих у порожнинах поруватого кремнію при у-опроміненні. Розглянуто механізми рекомбінаційних процесів та можливість практичного застосування отриманих структур як датчиків радіаційного опромінення.

Ключові слова: термостимульована люмінісценція, твердий розчин заміщення, квантова точка, наноструктура, цеоліт, морденіт, пориста матриця.

Сьогодні актуальною в напівпровідниковій мікроелектроніці є проблема пошуку нових сцинтиляційних матеріалів зметою створення на їхній основі датчиків порівняно невисоких доз радіаційного випромінювання. Перспективними можуть бути нанорозмірні структури, вирощені методом молекулярної епітаксії або синтезовані у порожнинах природних діелектричних матеріалів без зміни їхньої кристалічної будови та хімічного складу.

Відомо [1], що такі завдання можна практично реалізовувати, якщо поступово знижувати мірність та об'єм уразі переходу від блокового тривимірного до квазінульмірного кристала типу квантова точка (quantum dot). Перспективними модельними об' єктами квазінульмірних середовищ, властивості яких сьогодні активно вивчають [2-4], є періодичні ґратки мікрокристалів різних напівпровідникових сполук, синтезованих у порожнинах різноманітних матриць, а також вирощених епітаксіальними методами. Головний науковий інтерес до таких об' єктів сконцентрований навколо питань можливості утворення тривимірної надґратки, закономірностей перенормування енергетичного спектра носіїв заряду, загальних проблем теорії електронного енергетичного спектра вразі трансформації їх від суто тривимірних блокових монокристалічних до квазітривимірних, двовимірних та нульмірних структур.

Зогляду на це ми наведемо результати досліджень впливу жорсткого рентгенівського випромінювання на рекомбінаційні процеси у шаруватих кристалах твердих розчинів заміщення ІпхТ11-хІ, синтезованих у структурних матрицях природного цеоліту (морденіту) та поруватого кремнію в разі зміни

© Франів А., Бовгира О., Савчин О., 2004параметрів матриць і створення умов, за яких у мікропорожнинах матриці утворюються нанокристали з дискретною кількістю елементарних комірок кристалу.

Як модельні об'єкти вибрано шаруваті напівпровідники ІпІ та тверді розчини заміщення ІпхТ11-хІ, синтезовані в мікропорожнинах природних матриць. Як виявилося, такими матрицями можуть бути природні або синтетичні цеоліти (мінерали) та поруватий кремній. Цеоліти утворюються почерговими тетраедричними підґратками сполук А104 і Si04 з порожнинною структурою, в якій містяться лужні катіони та молекули кристалічної води [5]. Канали, що існують у структурі цеолітів, формуються різними комбінаціями зв'язаних кілець тетраедрів. Залежно від типу природного цеоліту діаметр внутрішніх порожнин може бути від 2,2 до 8А, а синтетичних - до 13 А.

Матриці на основі природних цеолітів готували так. Спочатку відбирали цеоліти зміркувань стійкості до температурних режимів і деградації (руйнування) кристалічної ґратки, тобто підібрали такі мінерали, які б витримували технологічні режими утворення порожнин. Тут зазначимо лише, що використано природний цеоліт - морденіт. Його хімічна формула має вигляд Na2(A1Si6012)2-7H20. Голкоподібні кристали морденіту утримують сім молекул кристалічної води. Ці молекули містяться в порожнинах між тетраедрами А104 і Si04, що кристалічно зв' язані атомами натрію. Температура руйнування кристалічної ґратки морденіту ~800°С, а температура збезводнення (виділення води з порожнин) - 150-250оС. З огляду на це в проміжку 200<Т<700°Сможна було отримати стійку збезводнену матрицю нанопорожнин зефективним діаметром G ~ 8А, вякій можна синтезувати нанокристали досліджуваних об' єктів.

За цими міркуваннями підготовлено зразки квантових точок ІпІ та ТРЗ ІпхТ11-хІ у такій послідовності. Спочатку голкоподібні кристали морденіту подрібнювали у центрифузі до мікронних розмірів. Потім укварцовій ампулі при температурі 200оСшляхом вакуумування збезводнювали мікрокристали цеоліту, після чого проводили іоннообмінну реакцію заміщення атомів натрію на атоми індію йталію, в процесі якої натрій заміщувався на атоми індію італію. Далі при температурі Т=200°Свакуумно відбирали продукти заміщення. Упідготовлені в такий спосіб порожнини матриць морденіту при відповідних температурах росту методом вакуумної сублімації нарощували нанокристали ІпІ та ТРЗ ІпхТ11-хІ. Так отримано нанокристали зефективним розміром aL<8A, тобто дві-чотири молекули синтезованої речовини. Поруватий кремній готували за методикою, описаною у

[6].

Залишки силоксену (Si503H6), які приводять до появи червоного ~0,7 мкм світіння, відбирали термічно вакуумним шляхом. У підготовлені утакий спосіб порожнини матриць поруватого кремнію при відповідних температурах росту методом вакуумної сублімації синтезували нанокристали ІпІ та ТРЗ ІпхТ11-хІ.

Утакий спосіб отримано нанокристали з ефективним розміром aL>10 нм, тобто 20-30 молекул синтезованої речовини.

Далі при кімнатній температурі опромінювали зразки наноструктур від джерела у- випромінювання - ізотопу 60Co з інтенсивністю ~109см-2с-1 тривалістю 1-24 год. Всі зразки опромінювали безпосередньо укамері радіоактивного джерела в атмосфері повітря.

Так отримано зразки у-опромінених нанокристалів, синтезованих урізних за природою  матрицях,  з  необхідним  набором  співвідношень  аі,   які можнавикористати для експериментальних досліджень термостимульованої люмінес­ценції вище кімнатної температури.

10СН



Експериментальні дослідження проводили зметоюз'ясувати динаміку спектрів термостимульованої люмінесценції (ТСЛ) нанокристалів ІпІ та ТРЗ ІпхТ11—ХІ, підданих жорсткому у—опроміненню, та виявлення особливостей дозової поведінки інтегрального світіння спектрів, атакож можливості застосування цих об'єктів як датчиків рентгенівського випромінювання. Оскільки досліджувані об'єкти були нанокристалами ТРЗ ІпхТ11—oI, синтезованими в мікропорожнинах відповідних матриць (поруватий кремній та морденіт), то, насамперед, завдання полягало у досліджені спектрів ТСЛ відповідних матриць. Ці спектри показано на рис. 1. Як бачимо, вспектрах ТСЛ зразків поруватого кремнію та морденіту, попередньо опромінених у—квантами, простежується тільки одна слабка за інтенсивністю і незалежна від дози опромінення   смуга ТСЛ змаксимумом

0    50    100  150   200 250 300 Т, С Рис. 1. Спектри ТСЛ матриць морденіту (1) та пластинок поруватого кремнію (2), опромінених у—квантами впродовж шести годин.

 

інтенсивності при Г=100°С. Наявність цієї смуги в спектрах ТСЛ цілком різних за природою (поруватий кремній — напівпровідних, морденіт — природній цеоліт, діелектрик) матриць та слабка залежність інтенсивності від дози радіації свідчить, що поява цієї смуги найімовірніше, зумовлена процесами в неконтрольваних домішках речовин, які могли залишитись у мікропорожнинах матриць у процесі їхнього приготування та радіолізу вразі жорсткого опромінення у—квантами. Зокрема, це можуть бути молекули кристалічної води, силоксену (Si503H6) або його продукти розпаду типу Si206, 02SiH [7]. Докорінна перебудова спектра ТСЛ відбувається у зразках поруватого кремнію, вякихсинтезовано мікрокристали ТРЗ ІпхТ11—ХІ. Наприклад, на рис. 2 зображено спектри ТСЛ нанокристалів ТРЗ Іп05Т105І, опромінених упродовж 0,5—12,0 годин у—квантами ізотопу 60Со.


0     50    100   150   200  250 300 Т, С Рис. 2. Спектри ТСЛ ТРЗ Іп0 5Т105І, синтезованих у порожнинах морденіту (7) та пластинах поруватого кремнію (2), опромінених у—квантами різної дози.

Як видно зрис. 2, у спектрах ТСЛ, окрім смуги з максимумом при 7М00 оС, у зразках нанокристалів ТРЗ Іп0 5Т10 5І, синтезованих у мікропорожнинах поруватого кремнію, з'являється додаткова смуга з максимумом в околі 180 оС. Причому у

20    40     60 80 Рис. 3. Дозова   залежність   інтегральної   інтенсивності   смуги ТСЛ максимумом при L~180 оС.


 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

зспектрах ТСЛ зразків нанокристалів ТРЗ Іп05Т105І, синтезованих у нанопорожнинах природного цеоліту, цієї смуги нема. Це може бути зумовлено тим, що фізичні механізми, які є в основі формування цієї смуги, пов'язані з особливостями фазових структурних перетворень ТРЗ Іп0Т11—0І і залежать також від ефективних розмірів нанопорожнин відповідних матриць, уяких відбувається синтез нанокристалів. Тобто в морденіті, єфективний діаметр порожнин якого ~ 8 А, згідно з [8], можуть синтезуватись нанокристали ТРЗ Іп0Т11—0І об'ємом одна— дві елементарні комірки, ау пластинках поруватого кремнію, ефективний діаметр порожнин яких 1—10 нм, розміри мікрокристалів можуть досягати сотнень елементарних комірок. Причому зі зміною розмірів мікропорожнин матриці


THERMOSTIMULATED LUMINESCENCE SPECTRA OF NANOSTRUCTURES InxTli_J SYNTHESIZED IN POROUS SILICON

 

A. Franiv, O. Bovgyra, O. Savchyn

Ivan Franko National University of Lviv, Str. Kirila i Mefodiya, 8a, Lviv, Ukraine, e-mail: savchyn oleks@yahoo.com

Ткє dose dependance of integra1 intencity of thermostimu1ated 1umiпesceпce spectra of nanostructures ІпхТ11—ХІ synthesized іп porous si1icon and exposed to hard gamma—radiation has been investigated. Ткє mechanisms of recombinationa1 processes and the possibi1ity of practica1 app1ication of the obtained structures as detectors of radioactive emanation have been disscussed.

Key words: thermostimu1ated 1uminescence, substitute so1id so1ution, quantum dot, nanostructure, zeo1ite, mordenite, porous matrix.

Стаття надійшла до редколегії 20.03.2004 Прийнята до друку 12.05.2004

Страницы:
1 


Похожие статьи

А Франів, О Бовгира, О Савчин - Спектри термостимульованої люмінесценції наноструктур синтезованих у поруватому кремні