Структурные особенности формирования цинкосодержащих наночастиц, полученных методом ионной имплантации в Si(001) и последующим термическим отжигом


https://doi.org/10.17073/1609-3577-2016-4-262-270

Полный текст:


Аннотация

Исследованы структурные превращения в приповерхностных слоях кремния после ионного  синтеза цинкосодержащих наночастиц. Рассмотрены процессы фазообразования после имплантации ионов Zn+ и двухстадийной последовательной имплантации ионами O+ и Zn+ с последующим термическим отжигом в атмосфере сухого кислорода. Для предотвращения аморфизации в процессе имплантации мишень подогревали до температуры 350 °С. После имплантации образцы подвергали термообработке в течение 1 ч в атмосфере сухого кислорода при температуре 800  °С. Структура поверхностных слоев кремния исследована методами рентгеновской дифрактометрии и просвечивающей электронной микроскопии. Показано, что в результате имплантации ионов Zn+ с энергией 50 кэВ в подложку монокристаллического кремния на поверхности образуется нарушенный слой с большой концентрацией радиационных дефектов. В приповерхностном слое кремния на глубине 40 нм формируются наночастицы металлического Zn размером порядка 25 нм. Последующий отжиг при температуре 800 °C в атмосфере сухого кислорода обуславливает структурные изменения в дефектном слое и образование в приповерхностном слое кремния на глубине 25 нм частиц Zn2SiO4  со средним размером 3 нм, а также окисление уже имеющихся частиц Zn с формированием фазы Zn2SiO4. Окисление наночастиц Zn начинается с поверхности и приводит к образованию частиц со структурой типа «ядро—оболочка». Исследование фазового состава приповерхностного слоя кремния после последовательной имплантации ионами О+ и Zn+ показало, что при таком способе имплантации сразу образуются частицы  двух фаз: Zn и Zn2SiO4. Последующий отжиг при температуре 800 °С в атмосфере сухого кислорода приводит к увеличению размеров частиц, но не изменяет фазового состава поверхностного слоя кремния. При данных условиях эксперимента в результате ионного  синтеза не наблюдали образования частиц ZnO.


Об авторах

К. Б. Эйдельман
Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС»
Россия

Эйдельман Ксения Борисовна — ассистент кафедры материаловедения полупроводников и диэлектриков.

Ленинский просп., д. 4, Москва, 119049.



Н. Ю. Табачкова
Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС»
Россия

Табачкова Наталия Юрьевна — кандидат физико−математических наук, доцент.

Ленинский просп., д. 4, Москва, 119049.



К. Д. Щербачев
Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС»
Россия

Щербачев Кирилл Дмитриевич — кандидат физико−математических наук, ведущий инженер ЦКП «Материаловедение и металлургия».

Ленинский просп., д. 4, Москва, 119049.



Ю. Н. Пархоменко
Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС»
Россия

Пархоменко Юрий Николаевич — доктор физико−математических наук, профессор, заведующий  кафедрой материаловедения полупроводников и диэлектриков.

Ленинский просп., д. 4, Москва, 119049.



В. В. Привезенцев
Физико−технологический институт РАН
Россия

Привезенцев Владимир Владимирович — кандидат технических наук, старший научный сотрудник.

Нахимовский просп., д. 34, Москва, 117218.

 



Д. М. Мигунов
Национальный исследовательский технический университет «МИЭТ»
Россия

Мигунов Денис Михайлович — кандидат технических наук, ведущий инженер ЦКП «Микросистемная техника и электронная компонентная база».

пл. Шокина, д. 1, Москва, Зеленоград, 124498.

 



Список литературы

1. Aoki, T. ZnO diode fabricated by excimer−laser doping / T. Aoki, Y. Hatanaka, D. C. Look // Appl. Phys. Lett. − 2000. − V. 76, iss. 22. − P. 3257. DOI: 10.1063/1.126599

2. Cao, H. Random laser action in semiconductor powder/ H. Cao, Y. G. Zhao, S. T. Ho, E. W. Seelig, Q. H. Wang, R. P. H. Chang // Phys. Rev. Lett. − 1999. − V. 82, iss. 11−15. − P. 2278. DOI: 10.1103/PhysRevLett.82.2278

3. Kawasaki, M. Excitonic ultraviolet laser emission at room temperature from naturally made cavity in ZnO nanocrytal thin films / M. Kawasaki, A. Ohtomo, I. Ohkubo, H. Koinuma, Z. K. Tang, P. Yu, G. K. L. Wong, B. P. Zhang, Y. Segawa // Materials Science and Engineering: B. − 1998. − V. 56, iss. 2–3. − P. 239—245. DOI: 10.1016/S0921−5107(98)00248−7

4. Karazhanov, S. Zh. Electronic structure and optical properties of ZnSiO3 and Zn2SiO4 / S. Zh. Karazhanov, P. Ravindran, H. Fjellvåg, B. G. Svensson // J. Appl. Phys. − 2009. − V. 106, iss. 12. − P. 123701. DOI: 10.1063/1.3268445

5. Yongning He. Characterizations of an X−ray detector based on a Zn2SiO4 film / Yongning He, Xiaolong Zhao, Xuyang Wang, Liang Chen, Wenbo Peng, Xiaoping Ouyang // Sensors and Actuators A. − 2015. − V. 236. − P. 98—103. DOI: 10.1016/j.sna.2015.08.022

6. Wen Chuang Wang. Capacitive humidity−sensing properties of Zn2SiO4 film grown on silicon nanoporous pillar array / Wen Chuang Wang, Yong Tao Tian, Kun Li, Er Yang Lu, Dong Shang Gong, Xin Jian Li // Appl. Surface Sci. − 2013. − V. 273. − P. 372—376 DOI: 10.1016/j.apsusc.2013.02.045

7. Yen, W. M. Phosphor Handbook / W. M. Yen, S. Shionoya, H. Yamamoto. − Boca Raton: CRC Press, 2006. − 1080 p.

8. Chang, I. F. Energy storage effect and retrieval in manganese doped zinc silicate / I. F. Chang, G. A. Sai−Halasz, M. W. Shafer // J. Luminescence. − 1980. − V. 21, iss. 3. − P. 323—327. DOI: 10.1016/0022−2313(80)90011−3

9. Kong, D. Y. Sol−gel sy nthesis and character ization of Zn2SiO4:Mn2SiO2 spherical core−shell particles / D. Y. Kong, M. Yu, C. K. Lin, X. M. Liu, J. Lin, J. Fang // J. Electrochem. Soc. − 2005. − V. 152, iss. 9. − P. H146—H151. DOI: 10.1149/1.1990612

10. Osvet , A. Photoluminescent and storage properties of photostimulable core/shell type silicate nanoparticles / A. Osvet, M. Batentschuk, M. Milde, N. Lundt, C. Gellermann, S. Dembski, A. Winnacker, Ch. J. Brabec // Phys. Status Solidi C. − 2013. − V. 10, iss. 2 − P. 180—184. DOI: 10.1002/pssc.201200515

11. Pal, U. Controlling the morphology of ZnO nanostructures in a low−temperature hydrothermal process / U. Pal, P. Santiago // J. Phys. Chem. B. − 2005. − V. 109, iss. 32. − P. 15317—15321. DOI: 10.1021/jp052496i

12. Cheng, A.−J. Thermal chemical vapor deposition growth of zinc oxide nanostructures for dye−sensitized solar cell fabrication / An−Jen Cheng, Yonhua Tzeng, Yi Zhou, Minseo Park, Tsung−Hsueh Wu, Curtis Shannon, Dake Wang, Wonwoo Lee // Appl. Phys. Lett. − 2008. − V. 92, iss. 9. − P. 092113. DOI: 10.1063/1.2889502

13. Sun, H. Position and density control in hydrothermal growth of ZnO nanorod arrays through pre−formed micro/nanodots / Haikuo Sun, Ming Luo, Wenjian Weng, Kui Cheng, Piyi Du, Ge Shen and Gaorong Han // Nanotechnology. − 2008. − V. 19, iss. 39. − P. 395602. DOI: 10.1088/0957−4484/19/39/395602

14. Amekura, H. Luminescence from ZnO nanoparticles/SiO2 fabricated by ion implantation and thermal oxidation / H. Amekura, Y. Sakuma, K. Kono, Y. Takeda, N. Kishimoto, Ch. Buchal // Physica B: Condensed Matter. − 2006. − V. 376–377. − P. 760—763. DOI: 10.1016/j.physb.2005.12.190

15. Amekura, H. Zn and ZnO nanoparticles fabricated by ion implantation combined with thermal oxidation, and the defect−free luminescence / H. Amekura, N. Umeda, Y. Sakuma, O. A. Plaksin, Y. Takeda, N. Kishimoto // Appl. Phys. Lett. − 2006. − V. 88, iss. 15. − P. 153119. DOI: 10.1063/1.2193327

16. Pandey, B. Formation of ZnO Nanoparticles by ZnO− and O− dual beam ion implantation and thermal annealing / B. Pandey, P. R. Poudel, D. L. Weathers // Jpn. J. Appl. Phys. − 2012. − V. 51, iss. 11S. − P. 11PG03. DOI: 10.1143/JJAP.51.11PG03

17. Amekura, H. Embedment of ZnO nanoparticles in SiO2 by ion implantation and low−temperature oxidation / H. Amekura, N. Umeda, H . Boldyryeva, N. Kishimoto, Ch . Buchal, S. Mantl // Appl. Phys. Lett. − 2007. − V. 90, iss. 083102. − P. 083102. DOI: 10.1063/1.2709509

18. Kuiri, P. K. Effects of annealing atmosphere on ZnO− ions-implanted silica glass: synthesis of Zn and ZnO nanoparticles / P. K. Kuiri, D. P. Mahapatra // J. Phys. D: Appl. Phys. − 2010. − V. 43, iss. 39. − P. 395404. DOI: 10.1088/0022−3727/43/39/395404

19. Muntele, I. ZnO nanocluster formation in SiO2 by low energy ion implantation / I. Muntele, C. Muntele, P. Thevenard, D. Ila // Surface and Coatings Technology. − 2007. − V. 201, iss. 19–20. − P. 8557—8559. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2006.01.086

20. Lee, J. K. Synthesis of ZnO nanocrystals by subsequent implantation of Zn and O species / J. K. Lee, C. R. Tewell, R. K. Schulze, M. Nastasi, D. W. Hamby, D. A. Lucca, H. S. Jung, K. S. Hong // Appl. Phys. Lett. − 2005. − V. 86, iss. 18. − P. 183111. DOI: 10.1063/1.1906304

21. Pandey, B. Temperature dependent formation of ZnO and Zn2SiO4 nanoparticles by ion implantation and thermal annealing / B. Pandey, D. L. Weathers // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms. − 2014. − V. 332 − P. 359—363. DOI: 10.1016/j.nimb.2014.02.096

22. Edelstein, A. S. Nanomaterials: Synthesis, Properties and Applications /A. S. Edelstein, R. C. Cammarata. − New York ; London : Taylor and Francis, 1996. − 598 p.

23. Jagadish, C. Zinc oxide bulk, Thin films and nanostructures: processing, properties and applications / C. Jagadish, S. J. Pearton. – Oxford : Elsevier, 2006. − 600 p. DOI: 10.1016/B978−008044722−3/50000−2

24. Colvin, V. L. Light−emitting diodes made from cadmium selenide nanocrystals and a semiconducting polymer / V. L. Colvin, M. C. Schlamp, A. P. Alivisatos // Nature. − 1994. − V. 370. − P. 354—357. DOI: 10.1038/370354a0

25. Interactions of ions with matter. URL: http://www.srim.org

26. Эйдельман, К. Б. Формирование цинкосодержащих наночастиц в Si(001) методом ионной имплантации и последующим отжигом / К. Б. Эйдельман, К. Д. Щербачев, Н. Ю. Табачкова, В. В. Привезенцев // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. − 2016. − №. 6. − С. 31—36. DOI: 10.7868/S020735281606007X

27. Parsons, J. R. Displacement spike crystallization of amorphous germanium during irradiation / J. R. Parsons, R. W. Balluffi // J. Phys. Chem. Solids. − 1964. − V. 25, iss. 3. − P. 263—272. DOI: 10.1016/0022−3697(64)90106−4

28. . Milnes , A. G . Deep impurities in semiconductors / A. G. Milnes. − New York : Wiley, 1973. − 544 p.

29. The Materials Project. URL: https://materialsproject.org

30. Kubaschewski, O. Materials thermochemistry / O. Kubaschewski, C. Alcock, P. Spencer. − Oxford ; New York : Pergamon Press, 1993. − 363 p.


Дополнительные файлы

Для цитирования: Эйдельман К.Б., Табачкова Н.Ю., Щербачев К.Д., Пархоменко Ю.Н., Привезенцев В.В., Мигунов Д.М. Структурные особенности формирования цинкосодержащих наночастиц, полученных методом ионной имплантации в Si(001) и последующим термическим отжигом. Известия высших учебных заведений. Материалы электронной техники. 2016;19(4):262-270. https://doi.org/10.17073/1609-3577-2016-4-262-270

For citation: Eidelman K.B., Tabachkova N.Y., Shcherbachev K.D., Parkhomenko Y.N., Privesentsev V.V., Migunov D.M. Structural formation aspects of Zn–containing nanoparticles synthesized by ion implantation in Si (001) followed by thermal annealing. Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii. Materialy Elektronnoi Tekhniki = Materials of Electronics Engineering. 2016;19(4):262-270. (In Russ.) https://doi.org/10.17073/1609-3577-2016-4-262-270

Просмотров: 119

Обратные ссылки

  • Обратные ссылки не определены.


Creative Commons License
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.


ISSN 1609-3577 (Print)
ISSN 2413-6387 (Online)