VI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2014

In this study, the main physical properties of macro- and nanostructural silicon and crystal structure were compared. The literature review of the past ten years was carried out. The dependence of properties from the average grain size of the various structures and impurity of additional chemical elements in composition was analyzed.

Наноструктурированные материалы являются перспективными по причине наличия физических свойств, не характерных для объемных модификаций. Большой интерес представляет кремний, нанокристаллы которого привлекли в последние годы большое внимание из-за превосходных электрических и механических свойств, позволяющих использовать их во многих областях.

Кремний (Si) в различных своих формах (кристаллический, поликристаллический, аморфный) является основой современной микроэлектроники и фоточувствительной оптоэлектроники (фотовольтаики). На настоящий момент более 90% всех коммерческих солнечных панелей изготавливаются на основе кристаллического кремния. В то же время его использование в качестве источника света сильно ограничено тем, что экстремумы зоны проводимости находятся вблизи края зоны Бриллюэна, а вершина валентной зоны — в центре этой зоны. Недавние успехи в нанотехнологии и перспективы практического использования квантово-механических и оптических явлений в наноструктурах стимулировали рост числа работ в области экспериментального и теоретического исследования кремниевых наноструктур и их применения в различных отраслях[1-3].

Кристаллическая структура кремния представляет собой гранецентрированную кубическую решетку, типа алмаза, с параметром а = 0,54307 нм., при нормальных внешних условиях. При высоком давлении получены и другие полиморфные модификации кремния, но из-за связи между атомами кремния (Si—Si) большой длины, твердость данных модификаций очень низкая.

Элементарный кремний в монокристаллической форме является непрямозонным полупроводником. Ширина запрещённой зоны при комнатной температуре составляет 1,12 эВ, а при Т = 0 К составляет 1,21 эВ. Концентрация собственных носителей заряда в кремнии при нормальных условиях составляет порядка 1,5·1010 см⁻³.

Наночастицы кремния получают в виде порошка. Эти частицы имеют практически сферическую форму (рисунок 1).

Рис. 1. Фотография наночастиц кремния, полученная с помощью СЭМ [1]

В таблице 1 приведены химико-физические свойства наночастиц кремния [1-2].

Таблица 1

Химико-физические свойства наночастиц кремния

Монокристаллический кремний является непрямозонным полупроводником и не люминесцирует в видимой области спектра при нормальных условиях. Наноструктурирование кремния, заключающееся большей частью в формировании нанокристаллов (НК) кремния в широкозонных диэлектрических матрицах, обеспечивает люминесценцию при комнатной температуре в видимом и ближнем ИК диапазонах спектра. Кремний начинает люминесцировать в видимом и ближнем ИК-диапазоне спектра при соблюдении двух условий - размер наночастицы должен быть менее 8 нм для проявления квантово-размерного эффекта и должны отсутствовать оборванные связи на поверхности для снятия безызлучательной рекомбинации возбуждения [1].

Электронная структура нанокластеров кремния Sin имеет ярко выраженную зависимость от их размера [2,3], что определяет возможность создания новых материалов с заданными оптическими и электронными свойствами. Кислород оказывает значительное влияние, как на объемные, так и на поверхностно-регулируемые электронные свойства полупроводника. В работе [4] методами теории функционала плотности и псевдопотенционала с учетом спиновой поляризации были исследованы свойства нанокластеров кремния, состоящих из 5, 6, 10 и 18 атомов. Геометрия оптимизированных наночастиц приведена на рисунке 2а, Si₆ представляет собой искажение титрогональной пирамиды сильной связи. На рисунке 2б представлена оптимизированная структура кластеров Si₆, состоящих из кремниевого кластера и оксидного фрагмента. Теория самосогласованного поля (SCF) дает различные значения ширины энергетической щели для наночастиц кремния. Взаимодействие с различным числом атомов кислорода имеет тенденцию к понижению величины энергетической щели при увеличении числа атомов кислорода. Величина энергетической щели нанокластеров Si₅ значительно понижается при взаимодействии с атомами кислорода от 2,1 до 0,6 эВ для одной из конфигураций Si₅O₂ однако при полном насыщении кремниевых связей влияние кислорода на ширину энергетической щели не столь существенно, ее значение уменьшается на 0,3 эВ. Нанокластеры Si₆ и Si₁₀ демонстрирует монотонное понижение ширины щели при постепенном добавлении кислорода. Кластер Si₁₈ имеет наименьшую ширину энергетической щели, величина щели этого нанокластера также определяется расположением атомов кислорода и понижается при увеличении их количества.

Рис. 2. Геометрия оптимизированных наночастиц а) Si₆ б) а) Si₆ с оксидным фрагментом [4]

Согласно некоторым сообщениям [5] кремниевые наноструктуры могут проявлять и сверхпроводящие свойства. Авторы утверждают, что высокотемпературные сверхпроводящие свойства кремниевых сэндвич-наноструктур на Si (100) n-типа, представляющих собой сверхузкие кремниевые квантовые ямы p-типа с высокой подвижностью носителей тока, ограниченные δ-барьерами, сильно легированными бором, проявлялись при измерении температурных и полевых зависимостей удельного сопротивления, термоэдс, теплоемкости и статической магнитной восприимчивости [5].

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Асланов Л.А., Фетисов Г.В., Ищенко А.А. Нанокремний: свойства, получение, применение, методы исследования и контроля. – Физматлит, 2011. – 648 с.

2. Marsen B., Lonfat M., Scheier, Sattler P., K. Phys. Rev. B, 62 (11), 6892 (2000)

3. Wales D.J. Phys. Rev. A, 49 (3), 2195 (1994)

4. Гниденко А.А., Заводинский В.Г. Влияние кислорода на структуру и электронные свойства нанокластеров кремния Sin / Физика и техника полупроводников, 2008. Т.42. Вып.7. С. 817-822

5. Михайлов А.Н., Белов А.И. и др. Физические основы ионно-лучевого формирования и свойства квантовых точек кремния в диэлектрике. - Учебно-методический комплекс. Нижний Новгород. ННГУ им. Н.И. Лобачевского, 2010. – 44 с.