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

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.

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.