Будь умным!


У вас вопросы?
У нас ответы:) SamZan.ru

тематичних наук ІваноФранківськ ~ Дисертацією є рукопис

Работа добавлена на сайт samzan.ru: 2016-03-13


Міністерство освіти і науки України

Прикарпатський університет імені Василя Стефаника

Пиц Михайло Васильович

УДК 539.216.2:621315592

ВПЛИВ АТОМНИХ І СТРУКТУРНИХ ДЕФЕКТІВ НА
ЕЛЕКТРОННІ ПРОЦЕСИ В ЕПІТАКСІЙНИХ ПЛІВКАХ
ТЕЛУРИДІВ ОЛОВА І СВИНЦЮ

Спеціальність 01.04.18  фізика і хімія поверхні

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

Івано-Франківськ

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі фізики твердого тіла Прикарпатського університету імені Василя Стефаника Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: заслужений діяч науки і техніки України, доктор

хімічних наук, професор

Фреїк Дмитро Михайлович,

директор Фізико-хімічного інституту, завідувач

кафедри фізики твердого тіла, Прикарпатський

університет ім. Василя Стефаника, Міністерство

освіти і науки України,

м. Івано-Франківськ.

Офіційні опоненти: заслужений діяч науки і техніки України,

доктор фізико-математичних наук, професор

Раренко Іларій Михайлович,

завідувач кафедри напівпровідникової

мікроелектроніки, Чернівецький національний

університет ім. Юрія Федьковича, Міністерство

освіти і науки України,

м. Чернівці;

доктор фізико-математичних наук, професор

Берченко Микола Миколайович,

професор кафедри напівпровідникової електроніки,

Національний університет "Львівська політехніка",

Міністерство освіти і науки України,

м. Львів.

Провідна організація: Інститут фізики НАН України

м. Київ.

Захист дисертації відбудеться “1” червня 2001 року о 11год. на засіданні спеціалізованої вченої ради К 20.051.03при Прикарпатському університеті імені Василя Стефаника за адресою: 76025, м. Івано-Франківськ, вул. Шевченка, 57, ауд. 211 (зал засідань).

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Прикарпатського університету імені Василя Стефаника (76025, м. Івано-Франківськ, вул. Шевченка, 57).

Автореферат розісланий “28” квітня 2001 року.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради      В.М. Кланічка


ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Телуриди олова і свинцю є базовими матеріалами у термоелектриці, а також при створенні приладових структур, що функціонують в інфрачервоній області оптичного спектру [1]. Особливу увагу при цьому привертає суттєва відмінність їх фізико-хімічних властивостей, що і визначає широкий спектр практичного використання.

Телурид олова характеризується значною областю гомогенності (~ 1 ат. %), яка повністю зміщена на боці телуру. Це і обумовлює велику концентрацію носіїв заряду (~ 10 см-3) і тільки р-тип провідності матеріалу [1, 2]. Тому і p-SnTe є незамінним при створенні позитивної вітки термогенераторів.

Телурид свинцю, як гомогенна фаза, існує як із надлишком металу відносно стехіометричного складу, так і надлишком халькогену. Максимальна протяжність області гомогенності відмічена при 1048 К від 49,994 до 50,013 % атомного вмісту телуру [1]. PbTe може бути як електронної так і діркової провідності. Велике значення рухливості носіїв у n-PbTe і значна термо-е.-р.-с., а також сприятливе відношення рухливості носіїв до граткової теплопровідності визначають високу термоелектричну добротність матеріалу [3].

Для потреб опто- і мікроелектроніки важливим є реалізація всього комплексу властивостей у тонкоплівковому варіанті. Зауважимо, що високі значення оптичного коефіцієнта поглинання (10-10 см-1) та статичної діелектричної проникності (декілька сотень) дають можливість використовувати тонкі плівки сполук AIVBVI для створення багатоелементних матриць[4, 5]. При цьому основними факторами, що визначають робочі характеристики приладових структур, є стан атомної дефектної кристалічної структури матеріалу [6].

Не дивлячись на достатньо великі за обсягом і широкі за змістом публікації, до цього часу ще недостатньо вивчені і тим більше несистематизовані результати комплексного впливу як власних атомних дефектів, так і дефектів кристалічної структури на електронні процеси у епітаксійних плівках телуридів олова і свинцю. Це у значній мірі здержує перспективу отримання конденсату із наперед заданими властивостями, необхідними для практичних потреб.

Об’єктами дослідження дисертаційної роботи є епітаксійні плівки телуридів олова і свинцю, вирощені у вакуумі із парової фази методом гарячої стінкина свіжих сколах (111) монокристалів BaF.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами.Дисертаційна робота виконувалася у рамках програми Міністерства освіти і науки України "Дефектоутворення у тонких плівках халькогенідів свинцю і олова" (проект 4.3/424) та тематичного плану "Вплив зовнішніх факторів на електронні процеси у тонких напівпровідникових плівках халькогенідів свинцю і олова " (додаток №2 до наказу №330 від 13.12.1996 року).

Робота координувалася науковими радами з фізики напівпровідників Інституту фізики напівпровідників та фізики тонких плівок Інституту фізики НАН України.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є встановлення закономірностей впливу дефектної підсистеми (атомної і кристалічної структури) на електронні процеси в епітаксійних плівках телуридів олова і свинцю під час вирощування, термічного відпалу та радіаційного опромінення.

У роботі були поставлені такі задачі:

  •  реалізувати спосіб вирощування з парової фази методом гарячої стінки епітаксійних плівок SnTe i PbTe / (111) BaF;
  •  провести детальні дослідження параметрів кристалічної структури епітаксійних плівок телуридів олова і свинцю при їх вирощуванні та наступних термічній та радіаційній обробках;
  •  встановити вплив технологічних факторів (вирощування, термічного відпалу у вакуумі і на повітрі, опромінення альфа-частинками) на електричні властивості плівок р-SnTe, n- i p-PbTe;
  •  проаналізувати на основі запропонованих кристалохімічних підходів до атомної дефектної підсистеми у сполуках AIVBVIелектронні процеси в епітаксійних плівках телуридів олова і свинцю.

НАУКОВА НОВИЗНА ОДЕРЖАНИХ РЕЗУЛЬТАТІВ

  1.  Залежності концентрації носіїв струму від технологічних факторів вирощування у методі гарячої стінки та дози опромінення альфа-частинками в епітаксійних плівках телуриду олова пояснено переважанням двозарядних вакансій олова –у першому випадку і утворення пар Френкеля з вакансіями металу і халькогену акцепторного типу –у другому.
  2.  Показано, що плівки телуриду свинцю, вирощені із парової фази характеризуються однозарядними міжвузловими атомами свинцю і двозарядними вакансіями свинцю . Радіаційне опромінення плівок у n- i p-PbTe генерує дефекти як у катіонній , так і аніонній підгратках з переважаючою донорною дією.
  3.  Встановлено, що закономірності у зміні параметрів реальної (дефектної) кристалічної структури епітаксійних плівок SnTe і PbTe при термічній обробці у вакуумі і на повітрі пов’язані із кінетикою рекристалізаційних і окислювальних процесів.
  4.  Радіаційне опромінення альфа-частинками епітаксійних плівок SnTe і PbTe обумовлює релаксацією нерівноважних структурних станів, розпад і гомогенізацію крупномасштабних дефектів на границях зерен, а також накопичення радіаційних дефектів, що є причиною виникнення мікронапруг, росту мозаїчності, густини дислокацій (при великих дозах опромінення 2-13см-2).

Практична цінність результатів

  1.  Оптимізовані технологічні умови, що забезпечують вирощування матеріалу із максимальними значеннями термоелектричних параметрів (захищено патентом України).
  2.  Визначені технологічні умови радіаційної обробки тонкоплівкового матеріалу потоком альфа-частинок від радіонуклеїдного джерела Puіз енергією ~ 5 МеВ і інтенсивністю 5см-2с-1з метою напрямленої зміни їх структурних і електричних характеристик.
  3.  Запропоновані шляхи модифікації структури і електричних параметрів епітаксійних плівок телуридів олова і свинцю шляхом термічних обробок у вакуумі і на повітрі.
  4.  Монографія "Кристалохімія і термодинаміка атомних дефектів у сполуках AIVBVI" використовується при читанні спецкурсів з фізичного матеріалознавства у Прикарпатському університеті імені Василя Стефаника, Чернівецькому національному університеті імені Юрія Федьковича, Національному університеті "Львівська політехніка".

Особистий внесок дисертанта. Аналіз літературних джерел, реалізацію експериментів, пов’язаних із визначенням електричних властивостей, компенсаційним методом та параметрів реальної структури методами двокристальної рентгенографії епітасійних плівок телуридів олова і свинцю при їх вирощуванні і радіаційній обробці дисертантом виконано самостійно. Особисто автором підготовлено розділ монографії [1] та статті [2, 7, 14, 1], приймав участь в обговоренні окремих результатів теоретичних розрахунків, в оформленні статей.

Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи доповідалися і представлялися на таких профільних наукових конференціях та семінарах:

  •  Third International Scool-Conference on Physical Problems in Material Science of Semiconductors. 1999. Chernivtsi. Ukraine
  •  7th International Conference "Physics and Technology of Thin Films". 1999. Ivano-Frankivsk. Ukraine.
  •  IV Международном симпозиуме "Вакуумные технологии и оборудование". 2001. Харьков. Украина.
  •  Nanomeeting-2001.Minsk. Belarus.
  •  XV Українській конференції з неорганічної хімії. 2001. Київ. Україна.
  •  8th International Conference "Physics and Technology of Thin Films". 2001. Ivano-Frankivsk. Ukraine.
  •  ІІІ Міжнародній школі-конференції "Сучасні проблеми фізики напівпровідників". 2001. Дрогобич. Україна.
  •  Річних звітних наукових конференціях Прикарпатського університету імені Василя Стефаника. 1998-2001 р.р. Івано-Франківськ. Україна.
  •  Наукових семінарах з проблем фізичного матеріалознавства Фізико-хімічного інституту при Прикарпатському університеті імені Василя Стефаника. 1999-2001. Івано-Франківськ. Україна.

Публікації. Основні матеріали дисертації опубліковано у 15 наукових роботах –монографія, 9 статей, 1 патент України, 4 матеріали конференції, назви яких наведені у списку опублікованих праць в авторефераті.

Структура і зміст роботи. Робота складається із вступу, чотирьох розділів, висновків та списку використаних джерел із 237 найменувань. Повний обсяг дисертації складає 141 сторінку, містить 54 рисунки і 14 таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи, відзначена наукова новизна та практична значимість отриманих результатів, наведена структура роботи. Представлені відомості про апробацію роботи та публікації.

У першому розділі "Фізико-хімічні властивості і дефектна підсистема у кристалах і плівках телуридів олова і свинцю" проведено огляд і аналіз літературних джерел з питань особливостей фазових діаграм рівноваги  бінарних систем Sn-Te та Pb-Te, а також областей гомогенності та відхилень від стехіометричного складу сполук SnTe i PbTe відповідно.

Для тонких плівок проблема природи власних атомних дефектів та їх впливу на електронні процеси залишається у значній мірі відкритою і потребує систематичних досліджень. Не до кінця вияснено також взаємозв’язок між нерівноважностями кристалічної структури тонкоплівкового матеріалу та іншими, наприклад, електричними властивостями.

Перший розділ дисертації завершується висновками з аналітичного огляду, метою та завданнями дослідження.

У другому розділі "Спосіб вирощування тонких плівок телуридів олова і свинцю та методики дослідження їх властивостей"обгрунтовано доцільність використання технології вирощування плівок SnTe i PbTe у вакуумі із парової фази методом гарячої стінки. Описана технологічна оснастка і режими вирощування: температура випаровування ТВ=720-950 К, температура осадження (підкладок) ТП=400-700 К, температура стінок камери (на 30-50 К вища від температури випаровування) ТС=750-1000 К, парціальний тиск халькогену =10-4-10-1 Па. В якості підкладок використовували свіжі сколи (111) кристалів BaF. Швидкість росту плівок складала ~ 3 нм·с-1, а їх товщина ~ 2-10 мкм.

Опромінювання зразків альфа-частинками з енергією ~ 5 МеВ здійснювали у вакуумі від джерел Puінтенсивністю 2 см-2с-1. Термічний відпал плівок проводили як у вакуумі, так і у атмосфері кисню.

Електричні вимірювання проводили компенсаційним методом з точністю 10-8 В у постійних магнітних (В=2 Тл) і електричних полях.

Хімічний склад визначали методом електронної оже-спектроскопії (ЕОС): енергія електронного пучка – МеВ; струм через зразок –-2-10-8 А; амплітуда модуляції – В; діаметр пучка електронів –,2 мкм. Дослідження валентного стану та ступені окислення олова проводили методом ядерного гамма-резонансу (ЯГР) на спектрометрі електродинамічного типу у режимі постійного прискорення. Експериментальні ЯГР-спектри оброблялися на ЕОМ.

Постійну гратки епітаксійних плівок визначали модифікованим методом Бонда з точністю а=-3 Å.

Субструктурні параметри зразків (розміри областей когерентного розсіювання (ОКР), Li Lу напрямку дифракційного вектора і нормально до нього відповідно, неоднорідність міжплощинних відстаней –мікродеформації =d/d, кутові розорієнтації ) визначали аналізом дифракційного розширення кривих рентгенівських відбивань (111) і (222) SnTe, PbTe, одержаних на двокристальному спектрометрі за схемою (n, -n) при -2і –скануванні, а також рентгенотопографічно –метод двокристальної мікрорентгенотопографії із скануванням, відбивання (222) SnTe, PbTe.

Третій розділ "Атомні дефекти, кристалічна структура і електричні властивості тонких плівок телуриду олова"складається із семи підрозділів.

Упершомупідрозділі викладені результати експериментального дослідження особливостей структурних змін у плівках в залежності від технологічних умов їх вирощування у методі гарячої стінки.

Показано, що кристалічна структура епітаксійних плівок телуриду олова на сколах (111) кристалів BaFхарактеризується субструктурними елементами трьох порядків величини: області когерентного розсіювання (L=10-2-10-1 мкм), блоками третього порядку величини (l=10-10 мкм) і кристалітами першого порядку величини (b>10 мкм). Якщо величина кристалітів у плівках підтверджує наслідування блочної структури підкладки, то існування дисперсних субструктурних елементів є результатом конденсаційних і післяконденсаційних процесів. Показано, що підвищення температури підкладок –свіжі сколи (111) BaF–у межах ТП=450-620 К приводить до зростання параметра гратки і зменшення концентрації дірок. Такі зміни відбуваються за рахунок десорбції атомів телуру і зміщення області гомогенності SnTe на бік металу. Ріст температури випаровування ТВ=620-920 К, як і тиску телуру =10-6-10-2 Па обумовлюють зменшення параметра гратки і зростання концентрації дірок епітаксійних плівок SnTe за рахунок збагачення конденсованої фази телуром. Підвищення температури підкладок (свіжі сколи монокристалів (111) BaF) веде до покращення параметрів реальної структури епітаксійних плівок телуриду олова: зменшення мозаїчності, зниження рівня неоднорідної мікродеформації і росту областей когерентного розсіювання.

У другомупідрозділі подані експериментальні результати залежності основних електричних параметрів епітаксійних плівок SnTe від технологічних факторів їх вирощування. Встановлено, що за всіх умов осадження плівки характеризуються дірковою провідністю. При цьому, якщо підвищення температури підкладок ТПобумовлює зменшення концентрації дірок, то підвищення температури випаровування –до її зростання (рис. 1). Отримані результати пояснені

Рис. 1. Залежність концентрації носіїв заряду в епітаксійних плівках р-SnTe від технологічних факторів вирощування:

а) 1 –= 920 К, –= 970 К; б) 1 –= 450 К, 2 –= 650 К;
в) 1 –= 450 К, 2 –= 650 К, = 920 К; о –експеримент, суцільні лінії –розрахунок (метод
гарячі стінки, підкладки (111) BaF).

кристалохімічною моделлю дефектного стану конденсату (табл. 1). Поскільки парціальний тиск олова, за вибраних умов осадження незначний (10-10 Па),

Таблиця 1.

Кристалохімічні реакції утворення рівноважних атомних дефектів у тонких плівках SnTe при вирощуванні з парової фази.

п/п

Реакція

Константа рівноваги

К*,

(см-3, Па)

Н*,

еВ

I

,75

,53

II

,88

-0,38

III

,12

,14

IV

,00

,63

V

то на формування атомного дефектного стану плівок впливатиме телур, який присутній у парі разом із молекулами SnTe і димерами SnTe. При цьому переважаючими атомними дефектами є двозарядні вакансії олова , концентрація яких із підвищенням ТПзменшується. Збільшення парціального тиску пари телуру у зоні конденсації, як і підвищення температури випаровування приводять до зростання і концентрації дірок відповідно (рис. 1).

Результати теоретичних розрахунків добре узгоджуються з даними експериментальних досліджень (рис. 1).

Третій і шостийпідрозділи присвячені дослідженню впливу термічних відпалів у вакуумі і на повітрі на параметри реальної структури, фазовий і хімічний склади епітаксійних плівок SnTe. Встановлено, що термовідпал плівок у вакуумі при 710 К на протязі 1 год. веде до зростання параметра гратки а, зменшення величини неоднорідної мікродеформації і зростання областей когерентного розсіювання у площині плівок L. Подальша витримка цих зразків на повітрі (Т=300 К) веде до деякого зменшення а, а параметри і Lпри цьому продовжують покращуватися. Отримані результати пояснено процесами взаємодіїSnTeз киснем і сублімацією телуру. При відпалі плівок у вакуумі переважає ревипаровування телуру і адсорбованого кисню, а витримка їх на повітрі –сприяє розчиненню кисню у гратці.

Температури відпалу ТВ< К обумовлюють процеси первинної рекристалізації, які приводять до покращення параметрів реальної структури конденсату. При температурах ТВ=800-850 К інтенсивно конкурують процеси рекристалізації і утворення оксидних фаз. Останнє сприяє погіршенню структурної досконалості основної матриці.

Методами оже-електронної спектроскопії показано, що при експонуванні і відпалі плівок SnTeна повітрі має місце швидке окислення металу при відносній інертності телуру (рис. 2).

Рис. 2. Залежність відносних значень амплітуд оже-спектрів Sn, Те і О для епітаксійних плівок SnTe від температури ізохронного відпалу в атмосфері кисню.

Олово вже на початкових етапах відпалу ефективно окислюється, утворюючи на поверхні стабільний оксид, який перешкоджає подальшому протіканню процесу.

Методами ядерного гама-резонансу встановлено наявність крім двовалентного олова –Sn ІІ, характерного для SnTe ще і чотиривалентного олова –Sn IV, який відповідає його оксидам SnО, SnTeO.

Досліджено кінетику утворення оксидних форм олова від температури ізотермічного та часу ізохронного відпалів для плівок SnTeрізної товщини.

Четвертий і п’ятийпідрозділи дисертації присвячені експериментальному і теоретичному дослідженню процесів дефектоутворення в епітаксійних плівках SnTe, підданих альфа-опроміненню.

Для нескомпенсованого зразка р-типу з початковою концентрацією дірок р([VSn-]/2, [Sni+]=0, [VTe-]=0, [Tei]=0) із врахуванням процесів генерації і рекомбінації френкелівських пар і зміни у часі концентрації вакансій олова [VSn-] описується диференційним рівнянням:

d[VSn-] /dt= G–DSn[VSn-] [Sni+],   (1)

де G –коефіцієнт генерації власних дефектів, –густина потоку альфа-частинок, –коефіцієнт рекомбінації і DSn–коефіцієнт дифузії олова. Для концентрації міжвузлових атомів олова [Sni+] маємо

[Sni+] = [VSn-]–[VSn-].     (2)

Аналогічні співвідношення будуть для концентрації вакансій телуру [VTe-] і для концентрації міжвузлових атомів телуру [Tei].

Зміна концентрації носіїв заряду виражається через зміну концентрації дефектів із врахуванням їх зарядового стану так:

p = 2[VSn-]+2[VTe-]-1[Sni+ ]+0[Tei].   (3)

Рис. . Залежність концентрації носіїв заряду в епітаксійних плівках p-SnTe від дози опромінення альфа-частинками: –експеримент; 1, 2, 3, 4 –розрахунок для пар Френкеля:

–, ;
–, ;

–, ;
–, .

Результати експериментальних і теоретичних розрахунків подано на рис. 3.

Одержані експериментальні результати дозових залежностей параметрів субструктури епітаксійних плівок телуриду олова пояснюються конкуруючим впливом при опроміненні процесів релаксації нерівноважностей і накопиченням радіаційних дефектів. Відпал радіаційноопромінених плівок приводить до часткового відновлення параметрів субструктури.

У сьомомупідрозділі зроблено основні висновки із результатів досліджень.

Четвертий розділ "Кристалічна структура, атомні дефекти і електронні властивості телуриду свинцю" містить шість підрозділів, які присвячені дослідженню структури (перший підрозділ), кристалохімії і термодинаміці атомних дефектів (другий підрозділ), процесам дефектоутворення і структурним змінам при радіаційному опроміненні (третій і четвертий підрозділи), фазовим і структурним перетворенням при термічному відпалі (п’ятий підрозділ) епітаксійних плівок телуриду свинцю. У шостому підрозділіузагальнено результати дослідження.

На основі проведених комплексних досліджень епітаксійних плівок телуриду свинцю вирощених із парової фази методом гарячої стінки на свіжих сколах кристалів (111) BaFпоказано, що початкове підвищення температури підкладок ТП=420-570 К обумовлює зменшення мозаїчності і величини неоднорідної мікродеформації і росту ОКР. Наступне підвищення ТП=570-620 К веде до погіршення параметрів субструктури, що пов’язане як із інтенсифікацією процесів десорбції, так із зростанням впливу невідповідностей коефіцієнтів лінійного розширення матеріалів конденсату і підкладки. Значенням температури ТП*, при якій осаджуються структурно досконалі плівки, відповідають максимальні рухливості носіїв заряду (3,4·10 смВ-1с-1при 77 К). Для температур підкладок ТП=420-620 К концентрація носіїв заряду (електронів) в епітаксійних плівках PbTe (ТВ=820 К, ТС=850 К) залишається сталою до тих пір, поки значення парціального тиску пари телуру у зоні конденсації не стане достатнім для компенсації надлишку металу. Малі тиски пари сприяють формуванню тонкоплівкового матеріалу n-типу провідності. Підвищення температури осадження приводить до зменшення концентрації електронів, а збільшення –до зменшення концентрації електронів, конверсії провідності з n- на р-тип і дальшого зростання концентрації дірок. Зауважимо, що підвищення температури випаровування ТВзумовлює зростання значення парціального тиску пари телуру
(n-р), при якому відбувається n-р-перехід. Залежність логарифма тиску пари телуру (n-р) від температури випаровування Т
В, визначена на основі кривих (рис. 4), описується співвідношенням:

Па]=A-B/TB,     (4)

де А=11,4; В=11400 К.

Рис. 4. Залежність коефіцієнта термо-е.р.с. плівок PbTe від парціального тиску пари телуру при температурі випаровування наважки телуриду свинцю ТВ, К: 1 –; 2 –; 3 –(метод гарячої стінки, підкладки –сколи (111) BaF, ТП=570 К).

На основі кристалохімічного підходу і відомих констант рівноваги, одержано аналітичні вирази для залежності концентрації носіїв заряду в епітаксійних плівках PbTe від температури осадження, випарника і додаткового тиску пари телуру. Змодельовано різні зарядові стани вакансій і міжвузлових атомів у підгратці металу. Кількісний збіг експериментальних результатів із розрахунковими спостерігається тільки для випадку двократноіонізованих вакансій свинцю і однократнозаряджених міжвузлових атомів свинцю .

Залежності концентрації носіїв заряду у епітаксійних плівках PbTe і вихід їх на насичення від потоку альфа-частинок пояснено конкуруючим впливом двох процесів: генерація пар Френкеля в обох підгратках; теплова рекомбінація дефектів, яка визначається їх дифузією.Загальними закономірностями зміни параметрів субструктури епітаксійних плівок телуриду свинцю при опроміненні альфа частинками є: зменшення ОКР Li L; ріст і .. Ці результати пояснено процесами дефектоутворення. Відпал плівок на повітрі веде до розпаду і часткової анігіляції точкових дефектів, що і обумовлює зменшення напруг кристалічної гратки: росту ОКР L, мікротвердості Н і пониженню величини . Зменшення ж періоду гратки а, ОКР Lі ріст від часу витримки на повітрі пов’язані із взаємодією атмосферного кисню з матеріалом плівки.

Досліджено зміну субструктури епітаксійних плівок PbTe при ізотермічному відпалі в інтервалі температур ТП=300-900 К на протязі 30 год. у вакуумі і на повітрі. Встановлено, що характер структурних змін у плівках залежить не тільки від температури і часу відпалу, але і від роду підкладок. При цьому, якщо на підкладках слюди відбуваються процеси рекристалізації, то на підкладках фтористого барію –процеси полігонізації, пов’язані із перерозподілом дислокацій, утворенням і переміщенням кутових границь, відповідальних за ріст областей когерентного розсіювання.

Методами електронної оже-спектроскопії досліджено хімічний склад і процеси окислення плівок PbTe при ізохронному відпалі на повітрі. Показано, що має місце насичення поверхні плівок киснем, кількість якого зростає із підвищенням температури відпалу. Запропонований механізм окислювальних процесів на поверхні плівок.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ І ВИСНОВКИ

Здійснене у роботі комплексне дослідження дефектів атомної і кристалічної структури та електронних процесів в епітаксійних плівках телуридів олова і свинцю при їх вирощуванні, наступних радіаційній та термічній обробках дозволило встановити такі нові факти, закономірності та пояснити процеси:

  1.  Переважаючими атомними дефектами в епітаксійних плівках телуриду олова і свинцю при їх вирощуванні із парової фази є двозарядні вакансії олова акцепторного типу . Підвищення температури осадження ТП=400-700 К веде до спадання, а температур випаровування ТВ=720-950 К та парціального тиску пари телуру =10-6-10-1 Па –до зростання концентрації носіїв струму, що пов’язане із заліковуванням вакансій у першому випадку і ініціюванням процесів дефектоутворення у підгратці металу в другому випадку.
  2.  В епітаксійних плівках телуриду свинцю, вирощених із парової фази, утворюються як однозарядні міжвузлові атоми свинцю , так і двозарядні вакансії свинцю . При цьому підвищення температури осадження ТП=420-680 К, як і парціального тиску халькогену =10-4-10-1 Па обумовлюють початкове зменшення електронів, конверсію типу провідності із n- на р-тип і подальше зростання концентрації дірок, що пов’язане із переважанням концентрації заряджених вакансій свинцю . Підвищення температури випаровування ТВпризводить до росту ТП(n-p)i (n-p), які відповідають реалізації n-р-переходу у плівках PbTe, пов’язані із зростанням концентрації міжвузлових атомів свинцю .
  3.  Кристалічна структура епітаксійних плівок телуридів олова і свинцю на сколах (111) кристалів BaFхарактеризується субструктурними елементами трьох порядків величини: області когерентного розсіювання (L=10-2-10-1 мкм), зернами третього порядку величини (l=10-10 мкм) і кристалітами першого порядку величини (b>10 мкм). Якщо величина кристалітів у плівках підтверджує наслідування блочної структури підкладки, то існування дисперсних субструктурних елементів є результатом конденсаційних і післяконденсаційних процесів. При цьому підвищення температури осадження ТП=400-600 К обумовлює покращення параметрів кристалічної структури (зростання розмірів кристалів, зменшення мозаїчності), що є причиною збільшення рухливості носіїв струму.
  4.  Дозові залежності концентрації носіїв струму в епітаксійних плівках p-SnTe при опроміненні їх альфа-частинками пояснено на основі утворення пар Френкеля  як у катіонній, так і в аніонній підгратках і із переважаючою акцепторною дією. Останнє обумовлює деяке зростання концентрації дірок при збільшенні дози опромінення. На основі співставлення експериментальних і розрахункових дозових залежностей концентрації носіїв струму визначено коефіцієнти генерації та дифузії точкових дефектів та розміри областей їх рекомбінації.
  5.  Радіаційне опромінення плівок телуриду свинцю обумовлює утворення заряджених френкелівських пар і з переважаючою донорною дією, що є причиною зростання концентрації електронів у плівках n-типу і зменшення концентрації дірок у плівках р-PbTe.
  6.  Опромінення епітаксійних плівок телуридів олова і свинцю альфа-частинками енергією  МеВ приводить на початкових етапах до релаксації нерівноважних структурних станів, розпаду і гомогенізації крупномасштабних дефектів на границях зерен з наступним накопиченням радіаційних дефектів, що обумовлюють зростання мікронапруг, мозаїчності, густини дислокацій та їх генерування границями зерен.
  7.  Термічний відпал епітаксійних плівок телуридів олова і свинцю у вакуумі і в атмосфері повітря обумовлює складні внутріфазові і міжфазні процеси: рекристалізація; окислення, взаємодія основної матриці із оксидами. Встановлено, що відпал плівок SnTeу вакуумі приводить до зростання, а у кисні –до зменшення параметра гратки, що пов’язано із десорбцією телуру у першому випадку і адсорбцією кисню –у другому.

Встановлено, що ізотермічний відпал у атмосфері кисню при Т=300-600 К веде до утворення на поверхні інверсного (для плівок n-PbTe) або збагаченого (для плівок p-PbTe, p-SnTe) приповерхневого шару.

  1.  Методами електронної оже-спектроскопії, рентгенівського фазового аналізу, ядерного гама-резонансу, металографії досліджено процеси взаємодії кисню з плівками телуриду олова. Встановлено, що при ізохронному відпалі до 670 К вже на початкових етапах олово ефективно окислюється, утворюючи на поверхні стабільні оксиди, які перешкоджають подальшому протіканню процесу. Продуктом окислення SnTeпри високих температурах відпалу (Т>850 K) є оксид олова SnO(перехід олова із двовалентного у чотиривалентне Sn IISn IV).

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

Монографії

  1.  Д.М. Фреїк, В.В. Прокопів, М.О. Галущак, М.В. Пиц, Г.Д. Матеїк. Кристалохімія і термодинаміка атомних дефектів у сполуках AIVBVI. Івано-Франківськ. "Плай": 1999. –с

Статті

  1.  Д.М. Фреїк, О.В. Козич, М.В. Пиц, М.В. Калинюк, Н.І. Павлечко. Нестехіометричність та n-p-перехід у тонких плівках телуриду свинцю // Вісник Прикарпатського університету. Математика. Фізика. Хімія. –. –В.2. –С. 50-66.
  2.  B.K. Ostafiychuk, Ya.P. Saliy, V.M. Chobanuk, G.D. Mateik, M.V. Pyts. Radiation-induced point defect in epitaxial layers of SnTe // Physics and Chemistry of Solid State. 2000. –V.1., №1. –P. 71-76.
  3.  Д.М. Фреик, В.В. Прокопив, Б.М. Рувинский, О.В. Козыч, М.В. Пиц. Влияние условий выращивания на дефектную подсистему в пленках теллурида свинца // Фотоэлектроника. 2000. –Вып. 9. –С. 40-42.
  4.  M.O. Galushchak, D.M. Freik, I.M. Ivanyshyn, A.V. Lisak, M.V. Pyts. Thermoelectric properties and defective subsystem in doped telluride of tin // Journal of Thermoelectricity. –. –№1. –P. 42-50.
  5.  D.M. Freik, M.O. Galushchak, I.M. Ivanyshyn, V.M. Shperun, R.I. Zapukhlyak, M.V. Pyts. Thermoelectric properties of solid solutions based on tin telluride // Semiconductor Physics. Quantum Electronics. Optoelectronics. 2000. –V.3, №3. –Р. 287-290.
  6.  М.В. Пиц. Реальна структура епітаксійних плівок SnTe на сколах (111) BaF// Фізика і хімія твердих тіл. –. –Т.2, №2. –С. 227-231.
  7.  М.О. Галущак, Л.Й. Межиловська, М.В. Пиц, В.В. Борик,
    Г.Д. Матеїк.
    Процеси окислення плівок телуриду олова в атмосфері кисню // Фізика і хімія твердих тіл. –. –Т.2, №2. –С. 213-215.
  8.  Д.М. Фреїк, Л.Й. Межиловська, М.В. Пиц, В.В. Борик, Г.Д. Матеїк. Вплив термічних відпалів на параметри реальної структури епіткаксійних плівок телуриду олова // Вісник Прикарпатського університету. Математика. Фізика. Хімія. –. –В.3. –С. 65-76.
  9.  В.В. Прокопів, М.В. Пиц. Розрахунок констант рівноваги квазіхімічних реакцій утворення власних атомних дефектів у халькогенідах свинцю на основі експериментальних даних по границі області гомогенності // Фізика і хімія твердих тіл. –. –Т.1, №2. –С. 325-330.

Патенти

  1.  Галущак М.О., Фреїк Д.М., Запухляк Р.І., Пиц М.В., Никируй Л.І. Заявка на патент “Спосіб отримання термоелектричних сплавів на основі SnTe, PbTe і GeTe”, №2000052516 від 4.05.2000. (рішення про видачу патента, вих. №32981 від 16.10.2000р.).

Тези на наукових конференціях

  1.  І.Й. Перкатюк, Г.Д. Матеїк, М.В. Пиц.Особливості дефектного стану в тонких плівках телуриду олова. // VII Міжнародна конференція з фізики і технології тонких плівок. Івано-Франківськ. 1999. С. 101.
  2.  D.M. Freik, V.V. Prokopiv, M.V. Pyts, G.D. Mateik. Crystal-chemistry of defects in thin films PbTe at their growing from a vapour phase. // Third International Scool-Conference on Physical Problems in Material Science of Semiconductors. Chernivtsi, Ukraine. 1999.C. 160.
  3.  М.В. Пиц.Вплив атомних і структурних дефектів на електронні процеси в епітаксійних плівках SnTe// VIIІ Міжнародна конференція з фізики і технології тонких плівок. Івано-Франківськ. 2001. С. 123.
  4.  Д.М. Фреїк, М.В. Пиц, М.О. Галущак, Г.Д. Матеїк, В.В. Прокопів. Дефектна підсистема і електронні властивості тонких плівок телуриду олова // В кн.: "Вакуумные технологии и оборудование". Тр. IVмеждународного симпозиума. Харьков. 2001. С. 11-14.

СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ

  1.  Абрикосов Н.Х., Шелимова Н.Х. Полупроводниковые материалы на основе соединений AIVBVI. –М.: Наука. –. –с.
  2.  Кузнецов В.Л. Критическая оценка, оптимизация фазовой диаграммы и термодинамических свойств в системе Sn-Te // Неорганические материалы. –1996. –Т. 32, № 3. –С. 261-272.
  3.  Шперун В.М., Фреїк Д.М., Запухляк Р.І. Термоелектрика телуриду свинцю та його аналогів. Івано-Франківськ: Плай. –. –с.
  4.  Сизов Ф.Ф. Твердые растворы халькогенидов свинца и олова и фотоприемники на их основе // Зарубежная электронная техника. –. –№ 24. –С. 3-48.
  5.  Берченко Н.Н., Гейман К.Н., Матвеенко Д.В. Методы получения p-n-переходов и барьеров Шоттки в халькогенидах свинца и твердых растворах на их основе // Зарубежная электронная техника. –. –№ 14. –С. 30-77.
  6.  Заячук Д.М., Шендеровський В.А. Власні дефекти та елементарні процеси в АВ// Український фізичний журнал. –. –Т. 36, № 14. –С. 1692-1713.

#14. Пиц М.В. Вплив атомних і структурних дефектів на електронні процеси в епітаксійних плівках телуридів олова і свинцю.–Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.18 –фізика і хімія поверхні. Прикарпатський університет імені Василя Стефаника, Івано-Франківськ, 2001.

Дисертаційна робота присвячена вивченню закономірностей впливу дефектної підсистеми (атомної і кристалічої) на електричні властивості епітаксійних плівок телуридів олова і свинцю під час вирощування, термічного відпалу та радіаційного опромінення.

Показано, що при вирощуванні плівок SnTeз парової фази методом гарячої стінки на сколах монокристалів (111) BaFпереважаючими дефектами є двозарядні вакансії олова . Опромінення плівок альфа-частинками ~ 5 МеВ інтенсивністю
·10 см
-2с-1генерує у плівках пари Френкеля з вакансіями металу і халькогену акцепторного типу. У вирощених плівках телуриду свинцю переважають однозарядні міжвузлові атоми свинцю і двозарядні вакансії свинцю . Дозові залежності концентрації носіїв струму при радіаційному опроміненні пояснено утворенням дефектів як у катіонній так і в аніонній підгратках. На основі співставлення експериментальних і розрахункових дозових залежностей концентрації носіїв струму визначено коефіцієнти генерації та дифузії точкових дефектів та розміри областей їх рекомбінації. Радіаційне опромінення плівок обумовлюється релаксацією нерівноважних структурних станів, розпадом і гомогенізацією крупномасштабних дефектів на границях зерен, а також накопиченням радіаційних дефектів, що є причиною виникнення мікронапруг, росту мозаїчності, густини дислокацій (при великих дозах опромінення 2·10 см-2).

Термічний відпал у вакуумі і на повітрі епітаксійних плівок SnTe i PbTeпояснено кінетикою рекристалізаційних і окислювальних процесів. При цьому ізотермічний відпал у атмосфері кисню при 300-600 К приводить до утворення на поверхні інверсного шару (для плівок n-PbTe) або збагаченого приповерхневого шару (для плівок p-PbTe i p-SnTe). Встановлено, що ізохронний відпал плівок SnTeна повітрі до 670 К вже на початкових етапах веде до окислення олова і утворення на поверхні стабільних оксидів. Для плівок PbTeмає місце збагачення приповерхневого шару на кисень і свинець за рахунок дифузії останнього із глибини плівки і взаємодії із киснем.

#14.1. Ключові слова: епітаксійні плівки, телурид олова, телурид свинцю, атомні дефекти, термічний відпал, радіаційне опромінення.

#15. Пиц М.В. Влияниеатомных и структурных дефектов на электронные процессы в эпитаксиальныхслоях теллуридоволова и свинца.–Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.18 –физика и химия поверхности. Прикарпатский университет имени Василия Стефаника, Ивано-Франковск, 2001.

В работе осуществлено комплексное исследование дефектов атомной и кристаллическойструктуры, а также электронных процессов в эпитаксиальныхслоях теллуридоволова и свинца, выращенных с паровой фазы и подданных последующим радиационной и термической обработке. Показано, что преобладающими атомными дефектами в эпитаксиальныхслоях теллуридаолова при их выращивании являютсядвухзарядныевакансии олова акцепторноготипа . Повышение температуры осаждения ТП=400-700 К ведет к понижению, а температур испарения ТВ=720-950 К и парциальногодавления парателлура =-6-10-1 Пак возрастаниюконцентрации носителейтока.Это связано из залечиванием вакансий в первом случае и инициированием процессов дефектообразованияв подрешеткеметалла –во втором. В эпитаксиальныхслоях теллуридасвинца генерируютсякак однозарядные междоузельныеатомы свинца , так и двухзарядныевакансии свинца . При этом, повышение температуры осаждения ТП=420-680 К, как и парциальногодавления пара халькогена=-4-10-1 Па,предопределяютпервоначальное уменьшениеэлектронов, конверсию типа проводимости из n- на р-типи дальнейшее возрастаниеконцентрации дырок, что связано из преобладанием концентрации заряженных вакансий свинца .

Кристаллическаяструктура эпитаксиальныхслоев теллуридоволова и свинца на сколах(111) кристаллов BaFхарактеризуется субструктурнымиэлементами трехпорядков величины: области когерентного рассеяния (L=-2-10-1 мкм), зернами третьего порядка величины (l=-10 мкм) и кристаллитамипервого порядка величины (b> мкм).

Дозовыезависимости концентрации носителейтокав эпитаксиальныхслоях p-SnTe при облучении альфа-частицами энергией ~ 5 МеВ объясненообразованиемпар Френкелякак в катионной,так и в анионной подрешеткахи соответственно. Акцепторное действие вакансий олова и теллура обуславливает наблюдаемое возрастаниеконцентрации дырок при увеличении дозы облучения. Облучение слоев теллуридасвинца приводит кобразованиюзаряженных парФренкеляи . При этом имеет место возрастаниеконцентрации электронов в пленках n-типа и уменьшениеконцентрации дырок в пленках р-PbTe. На основании сопоставления экспериментальных и расчетных дозовыхзависимостей концентрации носителейтока,определены коэффициенты генерации и диффузии точечныхдефектов и размеры областей их рекомбинации. Установлено, что на начальных этапах облучения -частицами имеет место релаксациянеравновесныхструктурных состояний, распад и гомогенизациякрупномасштабныхдефектов на границах зерен с следующим накоплениемрадиационных дефектов, которые являются причинойвозрастаниямикронапряжений, мозаичности, плотностидислокаций и их генерациейграницами зерен.

Отжигэпитаксиальныхслоев теллуридов олова и свинца в вакууме и в атмосфере воздуха сопровождается сложнымивнутрифазовымии междуфазовымипроцессами: рекристаллизация; окисление, взаимодействие основной матрицы с оксидами. Установлено, что отжигпленок SnTe в вакууме приводит к возрастанию, а в кислороде –к уменьшениюпараметра решетки, что связано из десорбциейтеллура –в первом случае и адсорбциейкислорода –во втором. При изохронном отжигек 670 К уже на начальных этапах олово эффективно окисляетсяобразовываяна поверхности стабильные оксиды, которые препятствуютдальнейшему протеканию процесса. Продуктом окисления SnTe при высоких температурах отжига(Т>850 K) являетсяоксид олова SnO(переход олова из двухвалентного в четырехвалентноеSn IISn IV). Термический отжигпленок теллуридасвинца на воздухе приводит к обогащению приповерхностногослоя на кислород и свинец за счет его диффузии с глубиныпленки и взаимодействия из кислородом.

Оптимизированотехнологию выращивания с паровой фазы методом горячей стенки эпитаксиальныхслоев теллуридоволова и свинца высокого структурного совершенства, а также из заданными электрическими параметрами. Определены условия внешнего влияния (термический отжигв вакууме, на воздухе, радиационное облучение альфа-частицами) с целью модификации их структуры и электрических свойств.

#15.1. Ключевые слова: эпитаксиальные слои, теллуридолова, теллуридсвинца, атомные дефекты, термический отжиг, радиационное облучение.

#16. Pyts M.V. The influence of atomic and structural defects on electronic processes in epitaxial films both of tin and lead tellurium. -Manuscript.

A thesis on competition of a scientific degree of the candidate of physical and mathematical sciences (speciality 01.04.18) – surfase physics and chemistry. Vasyl Stefanyk Precarpathian University. Ivano-Frankivsk, 2001.

The research theses is devoted to the study of legitimacy of defect subsystem (atomic and crystalline) influence on electrical properties of epitaxial films of tin and lead tellurium at the process of growing, thermal annealingand radioactive radiation.

It is shown that at the process of growing SnTe films from vapour phase by the method of hot wall on declination of monocrystals (111) BaFpredominating defects are those of dual-charge vacations of tin . The radiation of films with the help of alpha-particles ~ 5 MeB intensity 2·10 cm-2s-1generates in films Frenkel pairs  with vacations of metal and halkogene of acceptor type. In grown films of lead tellurium one-charge interlattice atoms of lead predominates  and dual-charge vacantions of lead . The doses dependence of carrier concentration at the radioactive radiation is explained by creation of defects as in cationic as in anionic sublattice. On the basis of comparison of experimental and countable doses dependence of charge carrier the diffusion constant and generation ratio of dot defects and area sizes of their recombination are defined. Radioactive radiation of films is explained by relaxation of unbalanced structural states, decay and homogenezation of big size defects at the boundary of grain as well as accumulation of radioactive defects which are the reason of micro-charges appearance, mosaic structure growth, thickness of dislocation (at high doses of radiation 2·10– cm-2).

Thermal annealingin vacuum and in the air of epitaxial films SnTe and PbTe is explained by kinetics of re-crystallization and oxidizing processes. At this process the izothermic annealingin atmosphere of oxygen at 300-600 K leads to creation at the surface of the invert layer (for films
n-PbTe) or to rich at surface layer for films p-PbTe and p-SnTe. It is defined that the izo-chronic
annealingof films in the air by 670 K even at the primary stages leads to tin oxides and creation at the surface constant oxides. For films PbTe the richement of at surface layer in oxygen and lead is takes place, as a result of the latter out of the film’s depth and interaction with oxygen.

#16.1. Key words:epitaxial films, tin and lead tellurium, atomic defects, thermal annealing, radioactive radiation.




1. Юриспруденция Составители- Новокшонова Н
2. Физико-химия поверхностных явлений в функционировании живых систем
3. основного титрования
4. Задание Найдите площадь прямоугольной трапеции основания которой равн
5. Берегите друг друга
6. Напутствие первокласснику вклейка в дневник
7. ТЕМАКЛАССА Автор- Жеребцова Елена Евгеньевна классный руководитель 5 б класса
8. Парадоксы бухгалтерской отчетности
9. РЕФЕРАТ Оглавление
10. Война 1812 года в стихотворениях В Жуковского Певец во стане русских воинов и К Батюшкова К Дашкову
11. Мораль помощи и взаимопомощи в дохристианский период Руси
12. ВЗРОСЛЫЙ МИР В ДЕТСКИХ МУЛЬТФИЛЬМАХ
13. Selling to prevent rbitrge price discrimintion cn only be feture of monopolistic nd oligopolistic mrkets[3] where mrket power cn be exercised
14.  Политическое лидерство это символ общности и образец политического поведения группы групп способный р
15. Абсолютная власть папской церкви полный диктат не только над толпой но и над правителями тоже;развитие реме
16. реферат дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата юридичних наук Ки
17. Тема Діалогічне мовлення школярів- мета завдання методика
18. Е Жаров сказал что данное решение осуществляется в строгом соответствии с Конституцией Российской Федерац
19. Електромеханічні системи автоматизації та електропривод
20. Лабораторная работа по курсу Основы оптики Численное моделирование оптических явлений