Cтруктура, фото- и электролюминесценция  диоксида кремния, имплантированного высокими дозами  ионов олова

  • Иван Александрович Романов Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь
  • Mаксим Александрович Mоховиков Институт прикладных физических проблем им. А. Н. Севченко БГУ, ул. Курчатова, 7, 220108, г. Минск, Беларусь
  • Фадей Фадеевич Комаров Институт прикладных физических проблем им. А. Н. Севченко БГУ, ул. Курчатова, 7, 220108, г. Минск, Беларусь
  • Oлег Владимирович Mильчанин Институт прикладных физических проблем им. А. Н. Севченко БГУ, ул. Курчатова, 7, 220108, г. Минск, Беларусь
  • Ирина Николаевна Пархоменко Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь
  • Людмила Александровна Власукова Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь
  • Эльке Вендлер Йенский университет им. Ф. Шиллера, пл. Макс-Виен, 1, 07743, г. Йена, Германия
  • Aлександр Викторович Mудрый Научно-практический центр материаловедения НАН Беларуси, ул. П. Бровки, 19, 220072, г. Минск, Беларусь
  • Вадим Дмитриевич Живулько Научно-практический центр материаловедения НАН Беларуси, ул. П. Бровки, 19, 220072, г. Минск, Беларусь

Аннотация

Образцы SiO2 /Si имплантировались ионами олова с энергией 200 и 80 кэВ дозами 5 ⋅ 1016 и 1 ⋅ 1017 см-2 с последующим отжигом при 800 и 900 °C в течение 60 мин на воздухе. Структурные и излучательные свойства сформированных композитов (SiO2 + нанокластеры на основе Sn) изучались методами резерфордовского обратного рассеяния, просвечивающей электронной микроскопии в технике cross-section, фото- и электролюминесценции. В оксидной матрице сразу после имплантации формируется слой нанокластеров β-Sn. Термообработка в окисляющей атмосфере приводит к структурной перестройке имплантированных слоев - деформации изначально гладкой поверхности оксидной пленки и формированию в приповерхностной области дендритов, предположительно связанных с образованием фазы SnO2. Для образцов SiO2/Si после отжига наблюдается интенсивная фотолюминесценция в фиолетовой области спектра (∼3,1 эВ), а также интенсивная электролюминесценция при плотности тока через структуру более 2 мА /см2. Корреляция спектров фото- и электролюминесценции позволяет сделать вывод о том, что и фото-, и электролюминесценция пленки SiO2 , обогащенной оловом, обусловлены одними и теми же центрами свечения. Обсуждается природа наблюдаемого свечения.

Биографии авторов

Иван Александрович Романов, Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь

аспирант кафедры физической электроники и нанотехнологий факультета радиофизики и компьютерных технологий. Научный руководитель – Ф. Ф. Комаров

Mаксим Александрович Mоховиков, Институт прикладных физических проблем им. А. Н. Севченко БГУ, ул. Курчатова, 7, 220108, г. Минск, Беларусь

младший научный  сотрудник лаборатории элионики

Фадей Фадеевич Комаров, Институт прикладных физических проблем им. А. Н. Севченко БГУ, ул. Курчатова, 7, 220108, г. Минск, Беларусь

член-корреспондент НАН Беларуси, доктор физико-математических наук, профессор;  заведующий лабораторией элионики

Oлег Владимирович Mильчанин, Институт прикладных физических проблем им. А. Н. Севченко БГУ, ул. Курчатова, 7, 220108, г. Минск, Беларусь

старший научный сотрудник лаборатории элионики

Ирина Николаевна Пархоменко, Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь

кандидат физико-математических наук; старший научный сотрудник научно-исследовательской лаборатории материалов и приборных  структур микро- и наноэлектроники

Людмила Александровна Власукова, Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь

кандидат физико-  математических наук; заведующий научно-исследовательской лабораторией материалов и приборных структур микро-  и наноэлектроники

Эльке Вендлер, Йенский университет им. Ф. Шиллера, пл. Макс-Виен, 1, 07743, г. Йена, Германия

кандидат физических наук; профессор факультета физики и астрономии Института физики твердого  тела

Aлександр Викторович Mудрый, Научно-практический центр материаловедения НАН Беларуси, ул. П. Бровки, 19, 220072, г. Минск, Беларусь

кандидат физико-математических наук; главный научный сотрудник

Вадим Дмитриевич Живулько, Научно-практический центр материаловедения НАН Беларуси, ул. П. Бровки, 19, 220072, г. Минск, Беларусь

младший научный сотрудник

Литература

  1. Huang Sh, Cho EC, Conibear G, Green M. Structural and photoluminescence properties of superlattice structures consisting of Sn-rich SiO2 and stoichiometric SiO2 layers. Thin Solid Films. 2011;520:641– 645. DOI: 10.1016/j.tsf.2011.08.027.
  2. Chiodini N, Paleari A, DiMartino D, Spinolo G. SnO2 nanocrystals in SiO2: A wide-band-gap quantum-dot system. Applied Physics Letters. 2002;81(9):1702–1704. DOI: 10.1063/1.1503154.
  3. Brovelli S, Chiodini N, Lorenzi R, Lauria A, Romagnoli M, Paleari A. Fully inorganic oxide-in-oxide ultraviolet nanocrystal light emitting devices. Nature Communications. 2012;3:690(9). DOI: 10.1038/ncomms1683. 4. Park JJ, Kim KK, Roy M, Panks SM. Characterization of SnO2 thin films grown by pulsed laser deposition under transverse magnetic field. Rapid Communication in Photoscience. 2015;4(3):50 –53. DOI: 10.5857/RCP.2015.4.3.50. 5. Kim HW, Kim NH, Myung JH, Shim SH. Characteristics of SnO2 fishbone-like nanostructures prepared by the thermal evaporation. Physica Status Solidi A. 2005;202(9):1758 –1762. DOI: 10.1002/pssa.200520031.
  4. Rebohle L, von Borany J, Fröb H, Skorupa W. Blue photo- and electroluminescence of silicon dioxide layers ion-implanted with group IV elements. Applid Physics B. 2000;71(2):131–151. DOI: 10.1007/PL00006966. 7. Spiga S, Mantovan R, Fanciuli M, Ferretti N, Boscherini F, d’Acapito F, et al. Local structure of Sn implanted in thin SiO2 films. Physical Review B. 2003;68(20):205419(10). DOI: 10.1103/PhysRevB.68.205419. 8. Lopes JMJ, Zawislak FC, Fichtner PFP. Effect of annealing atmosphere on the structure and luminescence of Sn-implanted SiO2 layers. Applied Physics Letters. 2005;86(2):023101(1–3). DOI: 10.1063/1.1849855. 9. Lopes JMJ, Kremer F, Fichtner PFP, Zawislak FC. Correlation between structural evolution and photoluminescence of Sn nanoclusters in SiO2 layers. Nuclean Instruments and Methods in Physics Research Section B. 2006;242(1–2):157–160. DOI: 10.1016/j. nimb.2005.08.013. 10. Tagliente MA, Bello V, Pellegrini G, Mattei G, Mazzoldi P, Massaro M. SnO2 nanoparticles embedded in silica by ion implantation followed by thermal oxidation. Journal of Applied Physics. 2009;106(10):104304(5). DOI: 10.1063/1.3257157.
  5. Zatsepin DA, Zatsepin AF, Boukhvalov DW, Kurmaev EZ, Gavrilov NV. Sn-loss effect in a Sn-implanted a-SiO2 host-matrix after thermal annealing: A combined XPS, PL, and DFT study. Applied Surface Science. 2016;367:320 –326. DOI: 10.1016/j. apsusc.2016.01.126. 12. Kuiri PK, Lenka HP, Ghatak J, Sahn G, Jaseph B, Mahapatra DP. Formation and growth of SnO2 nanoparticles in silica glass by Sn implantation and annealing. Journal Applied Physics. 2007;102(2):024315(5). DOI: 10.1063/1.2761778.
  6. Kim TW, Lee DU, Yoon YS. Microstructural, electrical, and optical properties of SnO2 nanocrystalline thin films grown on InP (100) substrates for applications as gas sensor devices. Journal of Applied Physics. 2000;88(6):3759–3761. DOI: 10.1063/1.1288021.
  7. Jeong J, Choi SP, Chang CI, Shin DC, Park JS, Lee B-T, et al. Photoluminescence properties of SnO2 thin films grown by thermal CVD. Solid State Commun. 2003;127(9–10):595–597. DOI: 10.1016/S0038-1098(03)00614-8. 15. Liu LZ, Wu XL, Xu JQ, Li TH, Shen JC, Chu PK. Oxygen-vacancy and depth-dependent violet double-peak luminescence from ultrathin cuboid SnO2 nanocrystals. Applied Physics Letters. 2012;100(12):121903(4). DOI: 10.1063/1.3696044. 16. Henrie J, Kellis S, Schultz SM, Hawkins A. Electronic color charts for dielectric films on silicon. Optics Express. 2004;12(7):1464 –1469. DOI: 10.1364/OPEX.12.001464. 17. Park Y, Choong V, Gao Y, Hsieh BR, Tang CW. Work function of indium tin oxide transparent conductor measured by photoelectron spectroscopy. Applied Physics Letters. 1996;68(19):2699–2701. DOI: 10.1063/1.116313.
  8. Karim MM, Holland D. Physical Properties of Glasses in the System SnO – SiO2. Physics and Chemistry of Glasses. 1995; 36(5):206 –210.
  9. Volf MB. Chemical Approach to Glass. Oxford: Elsevier; 1984.
  10. Wei T-Y, Lu S-Y, Chang Y-C. Rich photoluminescence of SnO2 – SiO2 composite aerogels prepared with a co-fed precursor solgel process. Journal Chinese Institute of Chemical Engineers. 2007;38(5– 6):477– 481. DOI: 10.1016/j.jcice.2007.05.002. 21. Chen R, Xing GZ, Gao J, Zhang Z, Wu T, Sun HD. Characteristics of ultraviolet photoluminescence from high quality tin oxide nanowires. Applied Physics Letters. 2009;95(6):061908(3). DOI: 10.1063/1.3205122. 22. Li Sh, Zhong Xi, Song Y, Shen X, Sun J, Song Y, et al. Controlled hybridization of Sn – SnO2 nanoparticles via simple-programmed microfluidic processes for tunable ultraviolet and blue emissions. Journal of Materials Chemistry C. 2014;2(36):7687–7694. DOI: 10.1039/C4TC00842A. 23. An HH, Lee SJ, Baek SH, Han WB, Kim YH, Yoon CS, et al. Effect of plasma etching on photoluminescence of SnOx /Sn nanoparticles deposited on DOPC lipid membrane. Journal of Colloid and Interface Science. 2012;368(1):257–262. DOI: 10.1016/j. jcis.2011.11.076. 24. Vlasukova LA, Komarov FF, Yuvchenko VN, Kislitsin S. Threshold and criterion for ion track etching in SiO2 layer grown on Si. Vacuum. 2014;105:107–110. DOI: 10.1016/j.vacuum.2014.01.005.
  11. Morosanu CE. Thin Films by Chemical Vapour Deposition. New York: Elsevier; 1990. 26. DiMaria DJ, Stasiak JW. Trap creation in silicon dioxide produced by hot electrons. Journal of Applied Physics. 1989;65(6): 2342–2356. DOI: 10.1063/1.342824. 27. Baraban AP, Egorov DV, Askinazi AY, Mieloglyadova LV. Electroluminescence of Si – SiO2 – Si3N4 structures. Technical Physics Letters. 2015;28(12):978–980. DOI: 10.1134/1.1535507.
Опубликован
2019-01-20
Ключевые слова: пленки SiO2, высокодозная имплантация Sn , отжиг на воздухе, нанокластеры, фото- и электролюминесценция
Поддерживающие организации Авторы благодарят Белорусский республиканский фонд фундаментальных исследований  (грант № Ф17М-053) за частичную финансовую поддержку.
Как цитировать
Романов, И. А., MоховиковM. А., Комаров, Ф. Ф., MильчанинO. В., Пархоменко, И. Н., Власукова, Л. А., Вендлер, Э., MудрыйA. В., & Живулько, В. Д. (2019). Cтруктура, фото- и электролюминесценция  диоксида кремния, имплантированного высокими дозами  ионов олова. Журнал Белорусского государственного университета. Физика, 3, 54-64. Доступно по https://journals.bsu.by/index.php/physics/article/view/504
Выпуск
№ 3 (2018): Журнал Белорусского государственного университета. Физика
Раздел
Физика конденсированного состояния

Copyright (c) 2018 Журнал Белорусского государственного университета. Физика

Лицензия Creative Commons

Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution-NonCommercial» («Атрибуция — Некоммерческое использование») 4.0 Всемирная.

Авторы, публикующиеся в данном журнале, соглашаются со следующим:

  1. Авторы сохраняют за собой авторские права на работу и предоставляют журналу право первой публикации работы на условиях лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial. 4.0 International (CC BY-NC 4.0).
  2. Авторы сохраняют право заключать отдельные контрактные договоренности, касающиеся неэксклюзивного распространения версии работы в опубликованном здесь виде (например, размещение ее в институтском хранилище, публикацию в книге) со ссылкой на ее оригинальную публикацию в этом журнале.
  3. Авторы имеют право размещать их работу в интернете (например, в институтском хранилище или на персональном сайте) до и во время процесса рассмотрения ее данным журналом, так как это может привести к продуктивному обсуждению и большему количеству ссылок на данную работу. (См. The Effect of Open Access).