Применение нанокластеров в оптоэлектронике. Фотоприемники и солнечные элементы

дипломная работа

1. Нанокластеры и их энергетическое состояние

нанокластер полупроводниковый спектроскопия оптоэлектроника

Основные подходы управления свойствами полупроводниковых материалов представляют собой использование процессов легирования их примесями, создание определенных электронных уровней в запрещенной зоне. Решение данной задачи состоит в подборе соответствующей легирующей примеси, обладающей необходимыми свойствами. Однако в некотором ряде случаев традиционный подход к управлению свойствами полупроводниковых материалов наталкивается на принципиальные ограничения:

- отсутствием в природе примесей, обладающих подходящими свойствами;

- низкий предел растворимости атомов примесей в кристаллической решетке полупроводника;

- высокая концентрация электрически активных собственных дефектов решетки в легированном материале.

Таким образов появился новый подход к управлению свойствами полупроводниковых материалов, основанный на формировании в полупроводниковой матрице наноразмерных кластеров, в состав которых могут входить атомы вводимых примесей, атомы собственных компонентов и собственные точечные дефекты кристаллической решетки.

Нанокластером или атомным кластером называется атомное образование, вызывающее изменение энергетического состояния входящих в его состав компонентов и их влияние на свойства полупроводниковой матрицы при сохранении неизменным фазового состояния основного вещества.

В отличие от кластеров, формирующихся в газовой или жидкой фазах, в данном случае образование кластера протекает в кристаллической решетке полупроводника. Решетка играет роль матрицы, оказывающей существенное влияние на все стадии образования кластеров, а также на свойства конечного продукта.

Движущей силой образования кластера, в общем случае, является стремление системы к состоянию с минимальной свободной энергией. В реальных объектах равновесное состояние многокомпонентной системы в силу энергетических или кинетических ограничений достигается далеко не всегда и поэтому, в большинстве случаев, мы имеем дело с метастабильными образованиями, которые, тем не менее, могут обладать значительной устойчивостью и в значительной мере влиять на свойства полупроводникового материала. [1]

В общем случае изменение свободной энергии системы при кластерообразовании в кристаллической решетке полупроводника можно записать в виде

?F = ??Fv+ ?Fs+ ?Fel, (1)

где ?Fv -- изменение свободной энергии в результате перехода системы в более выгодное энергетическое состояние, ?Fs -- изменение свободной энергии, обусловленное формирование поверхности кластера, ?Eel -- изменение свободной энергии из-за упругой деформации кластера и окружающей матрицы. [1]

Вклад поверхности в изменение свободной энергии системы наиболее значителен для кластеров малого размера. Влияние упругой деформации возрастает по мере увеличения размера кластера. Строгие количественные оценки названных величин затруднены, ибо для этого необходимо построение точной модели кластера. [1]

В простейших случаях возможно получение количественных результатов. Например, в случае образования кластеров собственных межузельных атомов (Sii) в кристаллической решетке кремния из-за пересыщения соответствующего твердого раствора разумно предположить, что избыточные атомы Sii занимают несколько соседних междоузлий и связаны между собой как регулярные атомы решетки. В связи с тем, что междоузлия в решетке кремния образуют, аналогично регулярным атомам в узлах, алмазоподобную сетку, формирующийся кластер можно рассматривать как маленький кремниевый ”кристалл”, помещенный в кристаллическую решетку основного кристалла. [1]

В связи с достаточно большими размерами междоузлий в кристаллической решетке кремния, вкладом энергии упругой деформации в изменение свободной энергии системы в данном случае можно пренебречь. Увеличение свободной энергии кристалла с кластером (по сравнению с совершенным кристаллом, содержащим аналогичное количество атомов) обусловлено только ненасыщенными (разорванными) связями периферийных атомов кластера, которые связаны с кластером лишь частично, ибо нормальная связь обеспечивается четырьмя соседями. Изменение свободной энергии, обусловленное образованием кластера из n межузельных атомов

?F(n) = ?fvn + fsm, (2)

где fv= kT log(Ci/) -- изменение свободной энергии, обусловленное пересыщением (движущая сила кластерообразования), m -- количество разорванных связей, fs -- избыточная свободная энергия в расчете на одну разорванную связь, поддающаяся достаточно строгой количественной оценке.[1]

На рис.1 и рис.2 изображены схемы простейших унитарных (состоящих из одинаковых элементов) и бинарных (состоящих из разноименных элементов) кластеров.

Рис.1 Схемы простейших унитарных кластеров [2]

Рис.2 Схемы простейших бинарных кластеров [2]

Процессы, позволяющие формировать нанокластеры, их имплантация в аморфную и кристаллическую матрицу существенное влияют на фундаментальные свойства получаемых материалов, изменяя ширину запрещенной зоны, проводимость и др. Именно нанокластеры образуют квантовые элементы, которые составляют сложные цепи и ансамбли в современных электронных приборах.

Делись добром ;)