Анотація до роботи:

Свеженцова К.В. Особливості формування та властивості нанокристалічного кремнію, сформованого методом хімічного травлення. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.07. – фізика твердого тіла. – Інститут фізики напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова НАН України, Київ, 2006.

Дисертація присвячена розробці метода формування тонких однорідних плівок nc-Si великої площі та комплексному дослідженню їх властивостей з метою використання цих плівок в сонячних елементах та газових сенсорах. Обґрунтовані ефективність та напрямки практичного використання цього методу.

Проаналізовано механізм формування nc-Si при хімічному травленні. Встановлено, що процес формування nc-Si складається з двох етапів і проявляється не тільки в зміні структури поверхні вихідних підкладок, але і в зміні елементного складу плівок nc-Si.

Показано, що смуга люмінесценції зразків nc-Si, одержаних хімічним травленням, є суперпозицією двох смуг, одна з яких обумовлена рекомбінацією екситонів у кремнієвих нанокластерах, а інша рекомбінацією носіїв через поверхневі дефекти. Виявлено 2 процеси деградації характеристик nc-Si під дією ультрафіолетового опромінення: необоротній процес, який призводить до зміни коефіцієнту відбивання і пов’язаний з фотостимульованим окисленням поруватого шару, і оборотній, що призводить до зменшення інтенсивності фотолюмінесценції. Запропоновано модель, що пояснює деградацію фотолюмінесценції nc-Si тунелюванням носіїв, генерованих в кремнієвих кластерах, на пастки в їх окисній оболонці.

Експериментально підтверджено ефективність використання nc-Si для покращення характеристик моно- та мультикристалічних кремнієвих сонячних елементів та газових сенсорів.

В результаті комплексних досліджень розроблена методика формування тонких (3

Виходячи з аналізу проведених досліджень можна сформулювати такі основні результати та висновки роботи:

1. За допомогою комплексного дослідження властивостей показано, що сформовані зразки n-Si методом хімічного травлення являють собою нанокомпозит товщиною до 60 нм, який складається з нанорозмірних кристалів і аморфних кластерів кремнію в оточенні окисної фази SiO_x, що характеризується яскравою ФЛ с максимумом в області 650 нм, яка не змінюється при зберіганні зразків на повітрі. Встановлено, що спектр ФЛ nc-Si складається з двох смуг, одна з яких пов’язана з рекомбінацією екситонів в кристалітах, а друга – з рекомбінацією носіїв через поверхневі центри.

2. Вперше встановлено, що попередній відпал підкладок монокристалічного кремнію в інтервалі температур 400-1000С приводить до збільшення інтенсивності люмінесценції для всіх зразків nc-Si, нанесених на них, в ~1,5-2 рази. Спостерігається збільшений вміст SiO_x як на поверхні, так й у глибині nc-Si сформованого на модифікованих відпалом підкладках. При цьому спостерігається кореляція ФЛ властивостей і вмісту SiO_x нанокристалічного кремнію. Підвищення інтенсивності ФЛ пояснюється більш активним процесом формування nc-Si на відпалених підкладках завдяки великій кількості дефектів в приповерхневій області кремнію після відпалу.

3. Виявлено 2 процеси деградації характеристик nc-Si: один з яких є необоротний і пов’язаний з фотостимульованим окисленням поруватого шару, що призводить до зміни коефіцієнту відбивання. Другий – оборотній – призводить до зменшення інтенсивності фотолюмінесценції. Зроблено висновок, що він викликаний тунелюванням носіїв, генерованих в кремнієвих кластерах, на пастки в їх окисній оболонці.

4. Встановлено, що процес формування nc-Si проявляється не тільки в організації наноструктури на поверхні вихідних підкладок, але і в зміні елементного складу плівок nc-Si. Процес організації наноструктури складається з двох етапів: етап формування на нанорівні – збільшується висота наноструктури (товщина плівки) на вихідному мікрорельєфі підкладки, збільшується вміст елементів плівки nc-Si на поверхні (виняток С, що характеризується протилежною поведінкою) і глибина їх залягання, спостерігається ріст інтенсивності ФЛ; етап формування на макрорівні – висота наноструктури не змінюється, однак модифікується вихідний мікрорельєф підкладки кремнію, на якому вона сформована, змін елементного складу на поверхні та його розподілу у глибину не спостерігається, інтенсивність ФЛ монотонно зменшується.

5. Проведено дослідження антивідбиваючих характеристик в залежності від товщини плівок nc-Si. Підібрані умови формування для отримання плівок nc-Si з оптимальними антивідбиваючими характеристиками, проведено порівняння відбивання зразків nc-Si з промисловим антивідбиваючим покриттям. Показано, що використання nс-Si дозволяє суттєво покращити експлуатаційні характеристики сонячних елементів, зокрема підвищити їх коефіцієнт корисної дії на 3-7%.

6. Показана можливість використання особливостей вольт-амперних характеристик структур нанорозмірна плівка кремнію – кремній для аналізу складу газового середовища.

Публікації автора:

1. Мельниченко М.М., Свеженцова К.В., Шмирьова О.М. Використання субмікронних шарів поруватого кремнію в сонячних елементах // Електроніка та зв'язок. – 2003. – № 4. – С. 204-208.

2. K.V. Svezhentsova, A.N. Shmyryeva, M.M. Melnichenko. Porous silicon upon multicrystalline silicon: structure and photoluminescence // Journal of materials science. – 2005. – № 40. – P. 1409-1412.

3. Ільченко В.В., Кандиба В.О., Кравченко О.І., Лендєл В.В., Лученко А.І., Макара В.А., Свеженцова К.В., Телега В.М., Чехун В.П., Мельниченко М.М. Про можливість використання особливостей вольт-амперних характеристик структур нанорозмірна плівка кремнію – кремній для аналізу складу газового середовища // Вісник Київського Університету. Серія Радіофізика. – 2005. – № 1. – С. 281-288.

4. Свеженцова Е.В., Сизов Ф.Ф., Шмирьова О.М. Особливості формування поруватого кремнію на текстурованій поверхні фотоелектричних перетворювачів // Наукові вісті національного технічного університету України “Київський політехнічний Інститут”. – 2005. – № 2 (40). – C. 20-24.

5. Свеженцова К.В., Сизов Ф.Ф., Хоменкова Л.Ю., Мельниченко Н.Н., Капитанчук Л.М. Особенности формирования нанокристаллического кремния методом химического травления // Металофизика и новейшие технологии. – 2005. – Т. 27, № 10. – С. 1395-1406.

6. Melnichenko M.M., Svezhentsova K.V., Shmyryeva A.N. Porous silicon upon multicrystalline silicon: structure and photoluminiscence // International conference of the physics, chemistry and engineering of solar cells (SCELL-2004), May 13-15, 2004, Badajos, Spain, p.28.

7. Мельниченко М.М., Свеженцова Е.В. Особенности формирования пористого кремния методом химического травления // 8-я региональная конференция по физике полупроводников, диэлектрических и магнитных материалов (ПДММ-2004), 17-19 мая 2004 г., Владивосток, с. 50.

8. Мельниченко М.М., Свеженцова Е.В. Влияние модификации поверхности на фотолюминесцентные свойства нанопористого кремния // 10-я Всероссийская научная конференция студентов-физиков и молодых ученых (ВНКСФ-10),
1-7 апреля 2004 г., Москва, с. 620.

9. Горчинский А.Д., Лендел В.В., Мельниченко Н.Н., Свеженцова Е.В., Хоменко А.Ю. Комплексное исследование свойств нанопористого кремния // XI Международная научная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов 2004», 12-15 апреля 2004 г., Москва, с. 325.

10. Svezhentsova K.V., Luchenko A.I., Melnichenko M.M., Shmyryeva O.M. Formation features of porous silicon on the textured silicon surface // 5^th International Young Scientists Conference Problems of Optics and High Technology Material Science SPO 2004, October 28-31, 2004, Kyiv, Ukraine, p. 153.

11. Luchenko. A.I., Kulyk S.P., Melnichenko M.M., Svezhentsova K.V. Studing of modified surface morphology of silicon monocrystalline substrates by method STM // 5^th International Young Scientists Conference Problems of Optics and High Technology Material Science SPO 2004, October 28-31, 2004, Kyiv, Ukraine, p. 55.

12. Свеженцова Е.В., Сизов Ф.Ф., Мельниченко Н.Н. Динамика формирования пористого кремния на текстурированной поверхности кремния // XI Международная научная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов 2005», 12-15 апреля 2005 г., Москва, с. 74, 75.

13. Служавый С.Н., Свеженцова Е.В., Мельниченко Н.Н. Исследование топографии поверхности подложек и сформированных на них пленок нанокристаллического кремния// XI Международная научная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов 2005», 12-15 апреля 2005 г., Москва, с. 75, 76.

14. Свеженцова Е.В., Мельниченко Н.Н. Изучение влияния высокотемпературного отжига на элементный состав нанопористого кремния // 11-я Всероссийская научная конференция студентов-физиков и молодых ученых (ВНКСФ-11), 24-30 марта 2005 г., Екатеринбург, с. 587, 588.

15. Свеженцова Е.В., Мельниченко Н.Н., Сизов Ф.Ф. Влиянее термического отжига на фотолюминесцентные свойства и элементный состав тонких пленок нанокристаллического кремния // 10-та Міжнародна конференція з фізики і технології тонких плівок (МХТТП-Х), 16-23 травня 2005 р., Івано-Франківськ, с. 93, 94.

16. Свеженцова Е.В., Мельниченко Н.Н. Изменение элеметного состава нанокристаллического кремния при отжиге в воздушной атмосфере // Труды 9-я региональная конференция по физике полупроводников, диэлектрических и магнитных материалов (ПДММ-2005), 18-21 мая 2005г, Владивосток, с. 92-96.

17. Svezhentsova K. V., Sizov F. F., Melnichenko M. M. Regularity of self-organizing nanostructure on single-crystal silicon surface // International Conference «Crystal materials 2005», May 30 – June 2 2005, Kharkov, Ukraine, p. 212.

18. Luchenko A.I., Melnichenko M. M., Svezhentsova K. V. Studying of nanoporous surface morphology of silicon monocrystalline substrates by method scanning tunneling microscopy // 3^rd International Conference «Physics and disordered systems», September 18-21, 2005, Gdansk-Sobieszewo, Poland, p. 19.