I. Введение
Пористый кремний (ПК) представляет собой материал с уникальными физико-химическими характеристиками. Известно, что пористый кремний (por-Si) представляет собой достаточно сложную многофазную систему, состав и свойства которой изменяются с течением времени. В настоящее время на основе ПК активно разрабатываются функциональные элементы сверхбольших интегральных схем, оптоэлектронные пары излучатель-приемник, устройства ультразвуковой электроники, солнечные элементы, волноводы, датчики влажности и состава газов, приборы для мониторинга окружающей среды, биосенсоры, биоматериалы, антиотражающие покрытия, фотонные кристаллы, интегральные конденсаторы и т. д. [1–10]. Для объяснения наблюдаемого эффекта были предложены различные модели: межзонная рекомбинация в квантоворазмерных структурах кристаллического или аморфного кремния, рекомбинация на оставшихся продуктах химической реакции, также известна модель фотолюминесценции из-за наличия границ Si-SiO2 в пористом кремнии, в которой предполагается, что за возникновение ФЛ ответственна граница Si-SiOx насыщенная дефектами [11].
Целью работы являлось исследование фотолюминесценции пористого кремния полученного электрохимическим травлением с подсветкой.
II. Методика получения пористого кремния в однокамерной ячейке с подсветкой
В качестве исходного материала был использован кремний марки: КЭФ-0.3, а в качестве электролита использовались водные растворы на основе плавиковой кислоты с добавлением изопропанола.
Перед началом эксперимента все образцы кремния были тщательно вымыты.Очистка идёт в 3 этапа:
1) промывка в ацетоне
2) промывка в изопропиловом спирте
3) промывка в воде.
Это делается для того чтобы убрать с образца пыль, грязь и другие загрязнения. Так же подвергаются очистке сами установки по тому же принципу. Очистка производится в специальной ультразвуковой ванне.
Получение слоев пористого кремния происходило с помощью проведении подсветки анодной (рабочей) стороны кремния в процессе электрохимического травления в однокамерной электрохимической ячейке, представленной на рисунке 1.
Рис. 1. Принципиальная схема установки с использование HeNe лазера для засветки
Освещение было осуществлено HeNe лазером на длине волны в 632.8 нм. при интенсивности света 1100мВт/см2.
III. Результаты эксперимента
В результате данного эксперимента был получен образец пористого кремния с двумя областями, каждая из которых имеет различную пористость.
Рис. 2. Спектры фотолюминесценции пористого кремния для различных областей
Первая область (1–1, 1–2, 2) соответствует месту прямой засветки, а вторая (3–1, 3–2) с меньшей пористостью, месту падения преломленного луча. Образец был выдержан длительное время на воздухе в лабораторных условиях. В данной работе были получены спектры фотолюминесценции для этих двух областей. Оба спектра имеют максимум на длине волны ~ 635нм и существенно различаются по интенсивности. Область, подвергшаяся прямой засветке имеет большую интенсивность. Это может быть связано с тем, что в данной месте процесс травления происходил более интенсивно и вследствие этого в данном области размеры наноструктур имеют меньшие размеры. Как известно [11] размер наноструктур, получаемых на поверхности оказывает прямое влияние на положение максимума и интенсивность фотолюминесценции. Также известно, что вклад в фотолюминесценцию может быть обусловлено Si-SiO2 группами в пористом кремнии и предполагается что за возникновение ФЛ ответственна граница Si-SiOx насыщенная дефектами.
С уменьшением размера наноструктур максимум ФЛ сдвигается в коротковолновую область (голубую часть) и происходит увеличение интенсивность. Так же ФЛ сдвигается в голубую область по мере травления и окисления так как диаметр нитей уменьшается и вместе с этим падает скорость поверхностной рекомбинации. Положение максимума для П-Si долгое время подверженного окислению на воздухе лежит в области энергии фотонов 1.6–1.8 эВ (если диаметр нитей и пор d < 2нм то максимум ФЛ стабилизирован и не зависит от размеров наноструктур но для пор до 3нм — мезопористый кремния, зависимость от размеров наноструктур сохраняется) [12].
На ФЛ влияет интенсивность возбуждаемого света. Если Iф = 1 до 800мВт/см2 то наблюдается линейный рост ФЛ замедляющийся при приближении к 1000мВт/см2 из за низкой теплопроводности П-Si (по действием нагрева ФЛ падает из за роста линии безизлучательной рекомбинации а так же происходит фотостимулированная десорбция водорода который замещает дефекты. Едесобрции = 1.86эВ (для SiH2) и 2,82эВ (дляSiH) а это близкие значения к энергиям квантов возбуждающего излучения ФЛ. Деградация П-Si на воздухе связана с эффектом Стэблера-Вронского и Лазерно-стимулированного окисления [12].
Литература:
1. Белорус А. О. Применение пористого кремния в биомедицине [Текст] / А. О. Белорус // Молодой ученый. — 2013. — № 8. — С. 69–74. (http://www.moluch.ru/archive/55/7559)
2. Spivak Yu. M., Maraeva E. V., Belorus A. O., Molchanova A. V., Nigmadzyanova N. R. Preparation and investigation of porous silicon nanoparticles for targeted drug delivery // Smart Nanocomposites, 2014. — v.4. № 1. p. 115–118
3. Получение пористого кремния для применения в адресной доставке лекарств. Ю. М. Спивак, Н. Р. Нигмадзянова, А. О. Белорус // В сб. лучших докладов, сделанных студентами, аспирантами и молодыми учеными на 67-й научно-технической конференции ППС СПбГЭТУ 2014 г., Санкт-Петербург, изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 7 стр.
4. Belorus A. O., Maraeva E. V., Yu. M. Spivak, V. A. Moshnikov The study of porous silicon powders by capillary condensation // Journal of Physics: Conference Series Journal of Physics: Conference Series 586 (2015) 012017 doi:10.1088/1742–6596/586/1/012017 5.
5. .А. О. Белорус, Е. В. Мараева, Ю. М. Спивак Современные методы анализа параметров пористой структуры материалов. Исследование порошков пористого кремния методом капиллярной конденсации. // Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ» 2015г. Санкт-Петербург, изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ». 2. 11–14с.
6. Belorus A. O., Spivak Yu.M., Moshnikov V. A. THE RESEARCH OF BEHAVIOR OF POWDER POROSILICON NANOPARTICLES USING THE METHOD “DROP PROJECTION” // European Science and Technology materials of the IX International research and practice conference Munich, Germany v.II, December 24–25. 2014.
7. Белорус А. О. ИССЛЕДОВАНИЕ ПОВЕДЕНИЯ НАНОЧАСТИЦ ПОРОШКОВ ПОРИСТОГО КРЕМНИЯ МЕТОДОМ «РАСТЕКАЮЩЕЙСЯ КАПЛИ» В сборнике: СОВРЕМЕННАЯ НАУКА: ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ И ПРАКТИЧЕСКИЙ ВЗГЛЯД Сборник статей Международной научно-практической конференции. Ответственный редактор: Сукиасян А. А.. Уфа, 2015. С. 3–10.
8. A O Belorus, P A Somov, S S Tulenin, Yu M Spivak, V A Moshnikov Porous silico nanoparticles for target drug delivery: structure and morphology // Journal of Physics: Conference Series Journal of Physics (in print)
9. К. А. Беспалова, А. О. Белорус, Л. В. Шайдаров, А. В. Третьяков Исследование влияния технологических параметров на морфоло-гию поверхности пористого кремния // Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ» 2015г (в печати)
10. Н. В. Пермяков, А. О. Белорус, С. С. Туленин, Н. А. Форостяная, В. М. Марков Инертные держатели для синтеза полупроводниковых плёнок // Новости материаловедения. Наука и Техника № 2 (14) 2015
11. Seredin P V 2012 Molodoi Uchenie,in Russia 10 17–23.
12. Ishchenko A A, Fetisov G V, Aslanov L A 2011 Fizmatlit 978–5-9221–1369
