Электронно-микроскопические и рентгенодифракционные исследования наноструктур на основе ZnS в пористых матрицах оксида алюминия

Тип работы:
Реферат
Предмет:
Физика


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

ВЕСТНИК УДМУРТСКОГО УНИВЕРСИТЕТА
ФИЗИКА. ХИМИЯ
УДК 538. 9
С. В. Хохряков, Р. Г. Валеев, А.Н. Бельтюков
ЭЛЕКТРОННО-МИКРОСКОПИЧЕСКИЕ И РЕНТГЕНОДИФРАКЦИОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ НАНОСТРУКТУР НА ОСНОВЕ ZnS В ПОРИСТЫХ МАТРИЦАХ ОКСИДА АЛЮМИНИЯ
Проведен синтез полупроводниковых наноструктур сульфида цинка методом дискретного термического испарения порошка на пористые пленки оксида алюминия, полученные методом одностадийного анодного окисления. Наноструктуры исследовались методами сканирующей электронной микроскопии и рентгеновской дифракции. Показано, что полученные наноструктуры имеют форму точек и колец, диаметр которых соответствует диаметру пор матрицы. Синтезированные наноструктуры имеют двухфазный состав, но основу составляет сфалеритная фаза.
Ключевые слова: наноточки и нанокольца 2^, пористый оксид алюминия, дискретное термической испарение, сканирующая электронная микроскопия, рентгеновская дифракция.
Введение
Современное материаловедение уделяет значительное внимание исследованию физикохимических, оптических, электронных свойств новых оптических материалов для различных областей технологии. При этом современные тенденции миниатюризации, особенно сильно проявляющиеся в уменьшении размеров элементов электронных микросхем, становятся актуальны и в оптоэлектронике, поскольку все чаще для обмена информацией между отдельными элементами схем применяются оптические волноводы, а следовательно, возникает необходимость в уменьшении размеров, как самих волноводов, так и устройств, приема-передачи информации [1- 2].
Наноструктуры на основе ZnS имеют большие перспективы для их применения в оптикоэлектронных приборах, солнечных батареях, ИК датчиках и лазерах [3−5]. Одним из наиболее интенсивно развивающихся направлений является разработка высокоэффективных твердотельных источников белого света с малым потреблением энергии, а также новых эффективных когерентных источников излучения, при этом уменьшение размеров (вплоть до десятков нанометров) отдельных источников может привести к значительному увеличению яркости при меньшем энергопотреблении.
Таким образом, актуальность создания устройств на основе полупроводниковых нанокомпозитов и наноструктур, а также описания механизмов, влияющих на их свойства, обусловлена всеобщей тенденцией миниатюризации и ограниченностью подходов нанолитографии для формирования элементов размером & lt- 10 нм. При этом особое место в развитии наноэлектроники отводится пространственным нанокомпозитам на основе массивов квантовых точек и нитей, изолированных друг от друга слоями диэлектрика [6].
Проблема получения пространственно-упорядоченных сред с однородным распределением элементов обычно решается с использованием подходов нанолитографии. В этом случае в качестве маски обычно используют специальные пластины для «засветки» определенных областей пленки с последующим селективным травлением пленки и осаждением вещества на образовавшийся микрорельеф. Однако этот метод и большинство других методов обладают существенными недостатками для широкомасштабного технологического применения, включая экономические (высокая себестоимость или энергоемкость производства с использованием физических методов) и экологические (использование канцерогенных и ядовитых поверхностно-активных веществ в химических методах) аспекты. Поэтому для синтеза наноструктур полупроводниковых материалов, а также создания прототипов устройств на их базе, могут быть использованы простейшие подходы термического и магнетронного напыления, отличающиеся низкой энергозатратностью и экологической чистотой процессов.
Приборы и методы
Синтез пористых пленок оксида алюминия проводился в двухэлектродной электрохимической ячейке. В качестве катода использовался электрод из нержавеющей стали. Источником тока являлся блок питания типа БП-50, позволяющий устанавливать напряжение и ток анодизации в пределах 0299 В и 0−299 мА соответственно.
Электронно-микроскопические и рентгенодифракционные исследования … 9
ФИЗИКА. ХИМИЯ 2011. Вып. 2
Кристаллическая структура образцов была исследована методом рентгеновской дифракции на дифрактометре D8 Advance (Brnker, Германия). Использовалась рентгеновская трубка с Cu Ka-излучением.
Исследование микроструктуры образцов проводилось на растровом электронном микроскопе Philips SEM (Philips, Германия). Напряжения на ускоряющем электроде — 1−30 кВ- использованные увеличения — от x1000 до x200000.
Получение пористых пленок анодного оксида алюминия
Пористый алюминий получали методом двухстадийного окисления. Для начала (на первом этапе) производится обработка поверхности алюминия в смеси HF/HNO3/HCl/H2O в соотношении 1: 10:20:69 для удаления загрязнений на поверхности алюминия, затем для увеличения размера зерен производится отжиг в течение трех часов при температуре 500oC в токе азота. Для удаления неровностей на поверхности пленки проводится механическая обработка мелкозернистыми шкурками, затем идет электрохимическая полировка. После предварительной подготовки поверхности проводится первое анодное окисление алюминия в различных электролитах и различных напряжениях. В частности, в настоящей работе использовался электролит 0. 3 М (COOH)2 при напряжении анодирования 40 В. Время, в течение которого проводится окисление, — более 24 ч. После первого анодирования поры, формирующиеся в оксиде алюминия, имеют неправильную форму, поэтому данный слой селективно стравливают в смеси 20 г/л CrO3 и 35 мл/л H3PO4 при 80 °C. В результате получаются Al подложки с упорядоченной шероховатостью поверхности, которые подвергают повторному анодному окислению в тех же условиях. При этом длительность второго цикла окисления определяет толщину оксидной пленки. Скорость роста пленки в вышеуказанных условиях анодирования составляет приблизительно 2 мкм/ч [7].
Для отделения оксидной пленки от алюминиевой подложки последнюю селективно растворяют в 10%-м растворе Br2 в CH3OH. Затем пленки промывают метанолом и высушивают на воздухе.
При анодировании диаметр пор оксида алюминия определяется лишь используемым электролитом и напряжением анодирования, но очень слабо зависит от времени окисления. Это связано с низкой скоростью растворения оксида в кислоте при температуре ~ 0 °C.
Для увеличения диаметра пор проводится химическое травление оксидного слоя в 0,3 М растворе щавелевой кислоты при температуре 30 °C. В зависимости от продолжительности растравливания пор возможно получение пленок пористого оксида алюминия с различным диаметром пор (см. табл. 1).
Таблица 1
Зависимость характеристических параметров оксидных пленок алюминия от времени
растравливания пор
Обозначение образца Диаметр пор
АА040_482 60±5
АА040_485 80±5
АА040_4815 90±15
Примечания. ААО — тип электролита (щавелевая кислота) — первые цифры — напряжение анодирования- вторые цифры — время второго анодирования- третьи цифры — время травления, мин.
Исследование наноструктур ZnS на пористых пленках Al2O3
Для напыления сульфида цинка методом сверхвысоковакуумного напыления использовалась установка, описанная в работе [8].
Синтез сульфида цинка проводился методом дискретного термического испарения порошка на пористые пленки оксида алюминия. Пористый оксид алюминия (диаметр пор — 90 нм и 130 нм, толщина пластины — 30 мкм), представляющий собой пленки круглой формы диаметром 20 мм, фиксировался углеродным скотчем на подложки из кремния или ситалла стандартного (6448 мм) размера. Пластины закреплялись на держателе образцов. Напыление проводилось при температуре конденсации 150 °C.
С. В. Хохряков, Р. Г. Валеев, А.Н. Бельтюков
ФИЗИКА. ХИМИЯ
На рис. 1 представлена дифрактограмма образца, полученного напылением на матрицу с диаметром пор 90 нм в сравнении с штрих-граммами вюрцитной и сфалеритной фаз сульфида цинка. Видно, что наноструктуры имеют двухфазный состав. Образцы состоят из смеси вюрцитной и сфалеритной фаз материала. Но преимущественный рост происходит в кристаллографическом направлении (111) структуры типа В3 (сфалерит).
Рис. 1. Рентгеновская дифрактограмма образца наноструктур ZnS, полученного напылением на матрицу анодного А1203 с диаметром пор 90 нм в сравнении с штрих-граммами вюрцитной и сфалеритной фаз сульфида цинка
20 30 40 50 60
20 (Си Ка), градусы
На рис. 2. представлены СЭМ-изображения массива упорядоченно-расположенных наноточек (а) и наноколец (б) сульфида цинка. Изображения получены после удаления пористой пленки оксида алюминия. Видно, что наноструктуры сульфида цинка показывают репликацию структуры матрицы. При этом с увеличением диаметра пор наблюдается рост наноструктур в виде «колец», что подтверждает предположение о заполнении пор от стенки к центру (см. рис. 2 б).
а) б)
200пт ИЯІШІ
191 н гагах м ж л Ш
Рис. 2. СЭМ-изображения массива упорядоченно-расположенных нитей (а) и наноточек с нитями (б)
германия (диаметр пор матрицы — 75 нм)
Авторы выражают благодарность А. А. Елисееву за возможность проведения работ на оборудовании ФНМ МГУ им. Ломоносова, В. В. Мухгалину (ФТИ УрО РАН) за рентгенодифракционные исследования.
Работа выполнена в рамках госконтрактов с Министерством образования и науки РФ № 02. 740. 11. 0543 и 16. 513. 11. 3043, проекта программы Президиума РАН № (09-П-2−1026), гранта Президента Р Ф (договор № 02. 120. 11. 369-МК).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Шегай О. А., Журавлев К. С., Марков В. А., Никифоров А. И., Пчеляков О. П. Фотосопротивление Si/Ge/Si -структур с квантовыми точками германия // ФТП. 2000. Т. 34, вып. 11. С. 1363.
2. Гриняев С. В., Чалдышев В. А. Глубокие уровни кластеров из атомов галлия в GaAs // ФТП. 2001. Т. 35, вып. 1. С. 84.
Электронно-микроскопические и рентгенодифракционные исследования … 11
ФИЗИКА. XMMM 2011. Вып. 2
3. Xiao Q., Xiao C. Synthesis and photoluminescence of water-soluble Mn2±doped ZnS quantum dots // Applied Surface Science. 254 (2008). Р. 6432−6435.
4. Власенко H.A. Электролюминесцентные устройства отображения информации. // Киев: Общество «Знание» Украины, 1991. 24 с.
5. Kathalingam A., Mahalingam T., Sanjeeviraja C. Optical and structural study of electrodeposited zinc selenide thin films // Materials Chemistry and Physics. 2007. Vol. 106. Р. 215−221.
6. Taghavinia N., Yao T. ZnS nanocrystals embedded in SiO2 matrix // Physica E: Low-dimensional Systems and Nanostructures. 2004. Vol. 21. Р. 96−102.
7. Nielsch K. Hochgeordnete ferromagnetische Nano-Stabensembles: Elektrochemische Herstellung und magnetische Charakterisierung // Martin-Luther-Universit'-at Halle-Wittenberg, 2002.
8. Валеев Р. Г., Крылов П. Н., Романов Э. А. Структура и свойства тонких нанокомпозитных пленок ZnSe // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2007. № 1. С. 41−45.
Поступила в редакцию 16. 06. 11
S. V. Khohryakov, R. G. Valeev, A.N. Beltukov
SEM and XRD investigations of ZnS nanostructures in porous anodic alumina matrix
The synthesis of semiconducting zinc sulfur nanostructures by the method of discreet thermal evaporation onto a porous anodic aluminum oxide template have been carried out. The nanostructures were studied by the methods of scanning electron microscopy and X-ray diffraction. It was shown that nanostructures obtained has dot-like and ring-like forms with the diameter corresponding to matrix pore diameter. Nanostructures synthesized are two-phase, but the basis is sphalerite phase.
Keywords: ZnS nanodots and nanorings, porous aluminium oxide, discreet thermal evaporation, scanning electron microscopy, X-ray diffraction.
Хохряков Семен Владимирович, студент
ФГБОУ ВПО «Удмуртский государственный университет»
426 034, Россия, г. Ижевск, ул. Университетская, 1, корп. 1
Khohryakov S.V., bachelor Udmurt State University
426 034, Russia, Izhevsk, Universitetskaya str., 1/1
Валеев Ришат Галеевич, кандидат физико-математических наук, ученый секретарь ФТИ УрО РАН Бельтюков Артемий Николаевич, инженер Учреждение Российской академии наук «Физико-технический институт УрО РАН»
426 000, Россия, г. Ижевск, ул. Кирова, 132 E-mail: valeev@lasas. fti. udm. ru, ftt@uni. udm. ru.
Valeev R.G., candidate of physics and mathematics, scientific secretary Beltukov A.N., engineer
Institution of the Rusian Academy of Sciences, Physicotechnical Institute UB RAS 426 000, Russia, Izhevsk, Kirov st., 132 E-mail: valeev@lasas. fti. udm. ru, ftt@uni. udm. ru

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой