Кремниевые наношнуры (silicon nanowires)
Методы получения кремниевых наношнуров
CVD. Материал каталитической частицы. Энергия
ионизации различных примесей в Si как функция минимальной температуры, необходимой для процесса «пар-жидкость – твердое тело»
Кремниевые наношнуры (silicon nanowires)
Методы получения кремниевых наношнуров
CVD. Материал каталитической частицы. Примеси
в полупроводниках влияют на время жизни носителей заряда, выступая в роли центров рекомбинации. Скорость рекомбинации, ассоциированная с определенной примесью, зависит от позиции энергетического уровня в запрещенной зоне (вернее от разницы по энергии между примесным уровнем и серединой ширины запрещенной зоны): чем ближе примесный уровень к середине запрещенной зоны, тем он более эффективен как рекомбинационный центр.
Существуют металлы, которые образуют уровни, близкие к потолку валентной зоны и дну зоны проводимости, что
приводит к легированию Si: р-тип для In, Ga, Al, и n-тип
для Bi, Li, Sb, Te. В зависимости от того, необходимо ли легирование, эти материалы могут использоваться для формирования наношнуров. Следует избегать Au, Zn, Cu, Fe,Cr, Pb, Co, а Sn, Ti, Ag, Pt, Pd, Ni возможные кандидаты.
Кремниевые наношнуры (silicon nanowires)
Методы получения кремниевых наношнуров
Отжиг в химически активной атмосфере
Кристаллический кремний с металлической примесью помещается в атмосферу химически активных газов (водород, йод, бром) при температуре 900° С, где происходит локальные реакции с кремнием с
образованием SiH4, SiI2 или SiBr2. Металлическая примесь
действует как катализатор и синтез наношнуров происходит как при CVD.
Кремниевые наношнуры (silicon nanowires)
Методы получения кремниевых наношнуров
Испарение SiO
Печь для отжига, имеющую две зоны (высокотемпературную и низкотемпературную с температурным градиентом 1350° С – 900° С), помещают
гранулы монооксида кремния SiO и пропускают инертный газ. Происходит испарение SiO в высокотемпературной области с последующим переносом в низкотемпературную область с помощью инертного газа. В результате реакции диспропорционирования (одновременного окисления и восстановления) получается Si и SiO2, где Si формирует
наношнур. Последствие реакции диспропорционирования приводит к образованию кристаллического ядра наношнура и аморфной оболочки.
Кремниевые наношнуры (silicon nanowires)
Методы получения кремниевых наношнуров
Высокотемпературный синтез
температура синтеза 1400 °С
1:1 Si/SiO2 исходный материал
SiO2 в качестве катализатора
механизм роста «пар-жидкость- твёрдое тело»
диаметр Si ядра 30 нм толщина SiO2 оболочки 10 нм
Кремниевые наношнуры (silicon nanowires)
Методы получения кремниевых наношнуров
MBE. Поток атомов кремния от источника к поверхности кремния приводит к их адсорбции и последующей кристаллизации. Остаточная примесь атомов металла приводит к росту кремниевых наношнуров. Хотя, в отличии от CVD, не происходит разложение газа прекурсора на поверхности сплава (твердого раствора) металл-кремний, и примесь атомов металла не является катализатором в «классическом» смысле этого слова. В процессе синтеза наношнуров рассматривается два потока атомов кремния: от источника кремния к поверхности и диффузия атомов кремния на поверхности. Обычно наношнуры имеют ориентации <111> и диаметр более 40 нм. Синтез характеризуется низкой скоростью роста.
Кремниевые наношнуры (silicon nanowires)
Методы получения кремниевых наношнуров
MBE. Возможно использование каталитических частиц
температура синтеза 525
– 570 °С диаметр 40 – 600 нм
нанокапли Au в качестве каталитических частиц
Кремниевые наношнуры (silicon nanowires)
Методы получения кремниевых наношнуров
Лазерная абляция. С помощью лазерного луча происходит абляция материала из мишени (смесь кремния и катализатора), которая помещена в печь с высокой температурой и в атмосферу инертного газа. «Выбитый» материал охлаждается в атмосфере инертного газа. После чего происходит конденсация жидких капель с тем же составом, что и материал мишени. В соответствии с механизмом роста «пар-жидкость-твердое тело» кремниевый наношнур начинает расти при достижении пресыщения капли кремнием. Синтез может происходить без подложки. Композиция наношнура зависит от композиции мишени – легирование и образование оболочки (если в
состав входил SiO2). Наименьший диаметр ядра наношнура 5 нм, а оболочки – 10 нм. Диаметр наношнура также зависит от состава инертного газа (H2, He или N2). Скорость роста – несколько мкм в минуту.
Кремниевые наношнуры (silicon nanowires)
Методы получения кремниевых наношнуров
Лазерная абляция
температура синтеза 1200 °С диаметр 3 – 50 нм
Fe в качестве катализатора
Кремниевые наношнуры (silicon nanowires)
Методы получения кремниевых наношнуров
Синтез в жидкой фазе. Возможно получение
кремниевых наношнуров не только из газовой фазы, но и из жидкой. В критическом органическом растворе (дифенилсилан) под давлением содержится прекурсор кремния и металлические каталитические частички. Температура синтеза поддерживается выше температуры эвтектики кремний-металл, что приводит к декомпозиции прекурсора кремния и кремний формирует твердый раствор с металлом. Пресыщение твердого раствора кремнием приводит к преципитации кремния и росту кремниевого наношнура. Монокристаллические наношнуры имеют диаметр более 5 нм и длину несколько микрометров.