xxiii πανελληνιο ÏƒÏ Î½ÎµÎ´ÏÎ¹Î¿ Ï†Ï ÏƒÎ¹ÎºÎ·Ï‚ στερεας καταστασης & επιστημης ...

Λεπτά Υµένια Nανοκρυσταλλικού Πυριτίου σε Υπόστρωµα Χαλαζία µε Κβαντικές
Ιδιότητες
Χρ. Β. Λιούτας 1* , Ν. Βουρουτζής 1 , Ι. Τσιαούσης 1 , Ν. Φράγκης 1 και Α. Γ. Νασιοπούλου 2 ,
1 Τοµέας Φυσικής Στερεάς Κατάστασης, Τµήµα Φυσικής, Αριστοτέλειο Πανεπιστήµιο Θεσσαλονίκης, 541 24 Θεσσαλονίκη
2 Ινστιτούτο Μικροηλεκτρονικής, ΕΚΕΦΕ ∆ηµόκριτος, Αγία Παρασκευή, Αθήνα
*lioutas@physics.auth.gr
Οι νανοκρυσταλλίτες πυριτίου σε µονωτική µήτρα διοξειδίου του πυριτίου παρουσιάζουν έντονο τεχνολογικό ενδιαφέρον
λόγω του κβαντικού εντοπισµού των φορέων σε αυτούς, που έχουν σαν συνέπεια τις ενδιαφέρουσες ιδιότητες
φωτοφωταύγειας, απορρόφησης και ανακλαστικότητας που παρουσιάζουν [1-3]. Για την παρασκευή τους χρησιµοποιούνται
διάφορες τεχνικές, όπως χηµική εναπόθεση πυριτίου από ατµό συνοδευόµενη από θερµική οξείδωση σε υψηλή
θερµοκρασία, εµφύτευση ιόντων πυριτίου και θερµική ανόπτηση και άλλες. Σκοπός της παρούσας έρευνας ήταν η
διερεύνηση των δοµικών και οπτικών ιδιοτήτων νανοκρυσταλλικών υµενίων Si σε υπόστρωµα χαλαζία όταν το πάχος των
υµενίων ελαττώνεται στην κλίµακα των µερικών νανοµέτρων. Σε άλλη εργασία δείξαµε ότι για πάχη υµενίων κάτω από ~10
nm τα υµένια παρουσιάζουν έντονα κβαντικά φαινόµενα. Σ’αυτή την εργασία µελετήθηκαν τα δοµικά χαρακτηριστικά
δειγµάτων µε πάχος λεπτών υµενίων νανοκρυσταλλικού πυριτίου µεταξύ 5 και 30 nm, τα οποία αναπτύχθηκαν σε
υπόστρωµα χαλαζία. Τα δείγµατα αυτά παρουσιάζουν έντονο τεχνολογικό ενδιαφέρον.
Το πάχος των έξι υπό εξέταση δειγµάτων φαίνεται στον πίνακα 1. Τα δείγµατα µελετήθηκαν µε συµβατική και υψηλής
διακριτικής ικανότητας ηλεκτρονική µικροσκοπία. ∆είγµατα κατάλληλα για παρατηρήσεις εγκαρσίου τοµής ετοιµάστηκαν
µε µηχανική λείανση συνοδευόµενη µε λείανση µε δέσµη ιόντων Ar + , ενώ δείγµατα για επίπεδη παρατήρηση (planar view)
επέτευχθησαν µε χηµική λείανση του υποστρώµατος του χαλαζία µε HF.
∆ύο αντιπροσωπευτικές εικόνες περίθλασης (a) και (b) από τα δείγµατα n01 και n06 δίνονται στα Σχήµατα 1(a) και (b)
αντιστοίχως. Οι θεωρητικά υπολογισµένες θέσεις των δακτυλίων που αντιστοιχούν στις ανακλάσεις του Si δηλώνονται στην
εικόνα (a) µε βέλη και τους αντίστοιχους δείκτες. Είναι προφανής η σύµπτωση των µε τις πειραµατικά παρατηρούµενες. Το
δεύτερο χαρακτηριστικό είναι η παρουσία διακριτών κηλίδων και στις δύο εικόνες. Το γεγονός αυτό υποδηλώνει την
πολυκρυσταλλικότητα και των δύο υµενίων. Ταυτοχρόνως από την ύπαρξη µικροτέρου αριθµού διακριτών ανακλάσεων, σε
κάθε οµόκεντρο κύκλο, µαρτυρείται µια σαφής τάση για την ανάπτυξη κάπως µεγαλυτέρων κρυσταλλιτών στο παχύτερο
υµένιο n06.
Στα Σχήµατα 2(a) έως και (f) δίνονται εικόνες επίπεδης παρατήρησης από τα υµένια n01 έως και n06 αντιστοίχως. Για το
δείγµα n01 δίνεται εικόνα σκοτενού πεδίου ενώ για τα υπόλοιπα εικόνες φωτεινού πεδίου. Είναι καταφανής από τις εικόνες
αυτές η πολυκρυσταλλικότητα των υµενίων, όπως επίσης ποιοτικά µπορεί να εκτιµηθεί µια µικρή αύξηση των διαστάσεων
των κρυσταλλιτών κυρίως στο παχύτερο δείγµα. Για την συναγωγή ποσοτικών αποτελεσµάτων σε κάθε υµένιο µετρήθηκε η
διάµετρος µερικών εκατοντάδων νανοκρυστάλλων. Οι κατανοµές των µετρηθέντων διαστάσεων δίνονται στο Σχήµα 3 και
στον Πίνακα 1 συνοψίζονται οι µέσες, οι µέγιστες και ελάχιστες τιµές των διαστάσεων των κρυσταλλιτών. Όπως φαίνεται
και από τις καµπύλες των κατανοµών, εµφανίζεται ένα µάλλον καλά καθορισµένο µέγιστο, µε ταχεία πτώση της καµπύλης
πρός τις µικρότερες τιµές. Στα παχύτερα κυρίως υµένια µπορεί να παρατητηρθεί µια συστηµατική τάση αύξησης του
πλήθους των µεγαλυτέρων κρυσταλλιτών, η οποία εµφανίζεται ως διεύρυνση των καµπυλών προς τις µεγαλύτερες τιµές.
Εντούτοις όπως φαινεται και από τις τιµές στον Πίνακα 1 η διεύρυνση αυτή δεν είναι ικανή να επειρεάσει σηµαντικά την
µέση τιµή του µεγέθους των αναπτυσσοµέων νανοκρυστάλλων.
Πίνακας 1
Sample d min (nm) d max (nm) d mean (nm) Πάχος (nm)
n01 6.4 19.0 11.3 5.5
n02 5.0 24.1 12.2 11
n03 5.7 25.8 11.6 16.5
n04 6.2 24.8 12.7 22
n05 6.0 24.6 12.4 27.5
n06 5.7 31.8 12.4 32.5
Σε συµφωνία µε τα παραπάνω δεδοµένα παρατηρήσεις δειγµάτων εγκάρσιας διατοµής, έδειξαν ότι στα υµένια υπάρχει
κολωνοειδής ανάπτυξη των νανοκρυστάλλων Si. Ένα παράδειγµα από το παχύτερο υµένιο n06 δίνεται στο Σχήµα 4, όπου µε
λευκά βέλη υποδεικνύονται τα όρια δύο κρυσταλλιτών. Είναι προφανές ότι οι νανοκρυσταλλίτες έχουν περίπου σταθερό
µέγεθος παραλλήλα στο επίπεδο του υποστρώµατος και εκτείνονται σε όλο το πάχος του δείγµατος. Αντίστοιχα
αποτελέσµατα έχουµε και από εικόνες από το λεπτότερο υµένιο n01. Συνολικά µπορούµε να συµπεράνουµε, αφ’ ενός ότι οι
διαστάσεις των νανοκρυστάλλων στο επίπεδο ανάπτυξης καθορίζονται στα αρχικά στάδια τις ανάπτυξης και παραµένουν
περίπου ίδιες σε όλα τα υµένια, ενώ µε την αύξηση του πάχους του υµενίου αυξάνονται µόνον οι διαστάσεις τους κατά τη
διεύθυνση ανάπτυξης.
ΑΝΑΦΟΡΕΣ
[1] A. G. Nassiopoulou, review paper, Encyclopedia of Nanoscience and Nanotechnology, edited by H. S. Nalwa, (American
Scientific publishers, 2004) 9 (2004) 793.
[2] P. Photopoulos, A.G. Nassiopoulou, D.N. Kouvatsos, and A. Travlos, Appl. Phys. Lett. 76, 3588 (2000)
[3] Emmanouil Lioudakis, A. G. Nassiopoulou and Andreas Othonos, Appl. Phys. Lett. 90 (2007) 171103.
32