Влияние неоднородности структуры на люминесцентные свойства кремниевых нанокристаллитов
Исследованы особенности фотолюминесценции различных форм наноструктурированного кремния, а также проявления термо- и туннельной люминесценции, обусловленные разделением неравновесных носителей заряда между фотовозбужденным кремниевым ядром и его периферийными оболочками SiOx и SiO₂. Предложена модел...
Saved in:
| Published in: | Физика низких температур |
|---|---|
| Date: | 2002 |
| Main Authors: | , , , , , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Фізико-технічний інститут низьких температур ім. Б.І. Вєркіна НАН України
2002
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/128676 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Влияние неоднородности структуры на люминесцентные свойства кремниевых нанокристаллитов / И.В. Блонский, М.С. Бродин, А.Ю. Вахнин, А.Я. Жугаевич, В.Н. Кадан, А.К. Кадащук // Физика низких температур. — 2002. — Т. 28, № 8-9. — С. 978-987. — Бібліогр.: 17 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860236276542734336 |
|---|---|
| author | Блонский, И.В. Бродин, М.С. Вахнин, А.Ю. Жугаевич, А.Я. Кадан, В.Н. Кадащук, А.К. |
| author_facet | Блонский, И.В. Бродин, М.С. Вахнин, А.Ю. Жугаевич, А.Я. Кадан, В.Н. Кадащук, А.К. |
| citation_txt | Влияние неоднородности структуры на люминесцентные свойства кремниевых нанокристаллитов / И.В. Блонский, М.С. Бродин, А.Ю. Вахнин, А.Я. Жугаевич, В.Н. Кадан, А.К. Кадащук // Физика низких температур. — 2002. — Т. 28, № 8-9. — С. 978-987. — Бібліогр.: 17 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Физика низких температур |
| description | Исследованы особенности фотолюминесценции различных форм наноструктурированного кремния, а также проявления термо- и туннельной люминесценции, обусловленные разделением неравновесных носителей заряда между фотовозбужденным кремниевым ядром и его периферийными оболочками SiOx и SiO₂. Предложена модель "двухтактного зарядового поршня", действующего последовательно на электронную и дырочную компоненты посредством оже-процесса, который происходит в условиях ограниченного объема и обеспечивает пространственное разделение носителей заряда.
Досліджено особливості фотолюмінесценції різних форм наноструктурованого кремнію, а також прояви термо- і тунельної люмінесценції, які обумовлені розділенням
нерівноважних носіїв заряду між фотозбудженим кремнієвим ядром та його периферійними оболонками SiOx та SiO₂. Запропоновано модель «двотактного зарядового поршня»,
дія якого спрямована послідовно на електронну та діркову компоненти внаслідок
оже-процесу, що відбувається в умовах обмеженого об’єму і забезпечує просторове
розділення носіїв заряду.
The features of the photoluminescence and the manifestation of thermally stimulated and tunneling luminescence due to the separation of nonequilibrium charge carriers between the photoexcited silicon core of a nanocrystallite and its peripheral layers of SiOx and SiO₂ are investigated for different forms of nanostructured silicon. A model is proposed wherein a “two-stroke charge piston” acts in turn on the electron and hole components by means of an Auger process which occurs under restricted volume conditions and brings about a spatial separation of the charge carriers.
|
| first_indexed | 2025-12-07T18:24:21Z |
| format | Article |
| fulltext |
Ôèçèêà íèçêèõ òåìïåðàòóð, 2002, ò. 28, ¹ 8/9, ñ. 978–987
Âëèÿíèå íåîäíîðîäíîñòè ñòðóêòóðû
íà ëþìèíåñöåíòíûå ñâîéñòâà êðåìíèåâûõ
íàíîêðèñòàëëèòîâ
È. Â. Áëîíñêèé, Ì. Ñ. Áðîäèí, À. Þ. Âàõíèí, À. ß. Æóãàåâè÷,
Â. Í. Êàäàí, À. Ê. Êàäàùóê
Èíñòèòóò ôèçèêè ÍÀÍ Óêðàèíû, ïð. Íàóêè 46, ã. Êèåâ, 03650, Óêðàèíà
E-mail: blon@iop.kiev.ua
Ñòàòüÿ ïîñòóïèëà â ðåäàêöèþ 10 ÿíâàðÿ 2002 ã.
Èññëåäîâàíû îñîáåííîñòè ôîòîëþìèíåñöåíöèè ðàçëè÷íûõ ôîðì íàíîñòðóêòóðèðîâàí-
íîãî êðåìíèÿ, à òàêæå ïðîÿâëåíèÿ òåðìî- è òóííåëüíîé ëþìèíåñöåíöèè, îáóñëîâëåííûå
ðàçäåëåíèåì íåðàâíîâåñíûõ íîñèòåëåé çàðÿäà ìåæäó ôîòîâîçáóæäåííûì êðåìíèåâûì
ÿäðîì è åãî ïåðèôåðèéíûìè îáîëî÷êàìè SiOx è SiO2. Ïðåäëîæåíà ìîäåëü «äâóõòàêòíîãî
çàðÿäîâîãî ïîðøíÿ», äåéñòâóþùåãî ïîñëåäîâàòåëüíî íà ýëåêòðîííóþ è äûðî÷íóþ êîìïî-
íåíòû ïîñðåäñòâîì îæå-ïðîöåññà, êîòîðûé ïðîèñõîäèò â óñëîâèÿõ îãðàíè÷åííîãî îáúåìà è
îáåñïå÷èâàåò ïðîñòðàíñòâåííîå ðàçäåëåíèå íîñèòåëåé çàðÿäà.
Äîñë³äæåíî îñîáëèâîñò³ ôîòîëþì³íåñöåíö³¿ ð³çíèõ ôîðì íàíîñòðóêòóðîâàíîãî êðåì-
í³þ, à òàêîæ ïðîÿâè òåðìî- ³ òóíåëüíî¿ ëþì³íåñöåíö³¿, ÿê³ îáóìîâëåí³ ðîçä³ëåííÿì
íåð³âíîâàæíèõ íîñ³¿â çàðÿäó ì³æ ôîòîçáóäæåíèì êðåìí³ºâèì ÿäðîì òà éîãî ïåðèôåð³é-
íèìè îáîëîíêàìè SiOx òà SiO2. Çàïðîïîíîâàíî ìîäåëü «äâîòàêòíîãî çàðÿäîâîãî ïîðøíÿ»,
ä³ÿ ÿêîãî ñïðÿìîâàíà ïîñë³äîâíî íà åëåêòðîííó òà ä³ðêîâó êîìïîíåíòè âíàñë³äîê
îæå-ïðîöåñó, ùî â³äáóâàºòüñÿ â óìîâàõ îáìåæåíîãî îá’ºìó ³ çàáåçïå÷óº ïðîñòîðîâå
ðîçä³ëåííÿ íîñ³¿â çàðÿäó.
PACS: 78.55.–m, 73.63.–b
1. Ââåäåíèå
Íåðàçãàäàííîé çàãàäêîé ïîðèñòîãî êðåìíèÿ
(por-Si) ÿâëÿåòñÿ ïðèðîäà åãî ÿðêîãî ñâå÷åíèÿ â
âèäèìîé îáëàñòè ñïåêòðà, êîòîðîå íàáëþäàåòñÿ
ïðè êîìíàòíîé òåìïåðàòóðå è ðàçëè÷íûõ ñïîñî-
áàõ âîçáóæäåíèÿ.  ìíîãî÷èñëåííûõ ðàáîòàõ, ïî-
ñâÿùåííûõ äàííîìó ÿâëåíèþ, ïðîàíàëèçèðîâàí
öåëûé ðÿä ôàêòîðîâ, êàæäûé èç êîòîðûõ (èëè â
êîìáèíàöèè ñ äðóãèìè) ñïîñîáåí îáúÿñíèòü ëèøü
îòäåëüíûå ñâîéñòâà ýòîãî ñâå÷åíèÿ. Ê îñíîâíûì
ôàêòîðàì, îòâåòñòâåííûì çà ôîðìèðîâàíèå êà-
íàëîâ ëþìèíåñöåíòíîãî èçëó÷åíèÿ, îòíîñÿò ïðî-
ÿâëåíèå êâàíòîâî-ðàçìåðíîãî ýôôåêòà â êðåì-
íèåâûõ ïðîâîëîêàõ íàíîìåòðîâûõ ðàçìåðîâ è
ëþìèíåñöåíöèþ ïðîäóêòîâ òðàâëåíèÿ íà èõ ïî-
âåðõíîñòè. Ïðåèìóùåñòâà è íåäîñòàòêè ýòèõ äâóõ
ïîäõîäîâ äåòàëüíî îáñóæäàþòñÿ íå òîëüêî â îðè-
ãèíàëüíûõ ðàáîòàõ, íî è â ìîíîãðàôèÿõ, íàïðè-
ìåð â [1,2]. Îáúÿñíèòü ñ åäèíûõ ïîçèöèé âåñü
êîìïëåêñ íàáëþäàåìûõ ñâîéñòâ èçëó÷åíèÿ por-Si,
à òàêæå ôîðì íàíîñòðóêòóðèðîâàííîãî êðåìíèÿ,
ïîëó÷åííûõ ðàçíûìè ìåòîäàìè (óñèëåííîå îêèñ-
ëåíèå por-Si, èìïëàíòàöèÿ ñëîåâ SiO2 èîíàìè Si+
ñ ïîñëåäóþùèì èõ âûñîêîòåìïåðàòóðíûì îòæè-
ãîì, òåðìè÷åñêîå ðàññëîåíèå ïëåíîê íåñòåõèîìåò-
ðè÷åñêîãî ñîñòàâà SiO x íà êðåìíèåâûå íàíî÷à-
ñòèöû è SiO2), íà ñåãîäíÿøíèé äåíü íå óäàåòñÿ.
Íàø ïîäõîä ê ðåøåíèþ ýòîé ïðîáëåìû çàêëþ÷à-
åòñÿ â ó÷åòå âëèÿíèÿ íà ôîðìèðîâàíèå ëþìèíåñ-
öåíòíûõ ñâîéñòâ ïîðèñòîãî êðåìíèÿ ñòðóêòóðíîé
íåîäíîðîäíîñòè êðåìíèåâûõ íàíî÷àñòèö.
Äëÿ áîëüøèíñòâà îáðàçöîâ íàíîñòðóêòóðèðî-
âàííîãî êðåìíèÿ ìîæíî âûäåëèòü òðè óðîâíÿ èõ
ñòðóêòóðíîé íåîäíîðîäíîñòè. Ïåðâûé óðîâåíü
îïðåäåëÿåò íåîäíîðîäíîñòü ïî òîëùèíå. Êàê âèä-
íî íà ðèñ. 1,a, äàæå â ïðîñòåéøåì ñëó÷àå òàêèå
© È. Â. Áëîíñêèé, Ì. Ñ. Áðîäèí, À. Þ. Âàõíèí, À. ß. Æóãàåâè÷, Â. Í. Êàäàí, À. Ê. Êàäàùóê, 2002
îáðàçöû íåîáõîäèìî ðàññìàòðèâàòü êàê äâóõ-
ñëîéíûå ñðåäû. Î÷åâèäíî, ÷òî ôóíäàìåíòàëüíûå
ñâîéñòâà ìàòåðèàëà ïîäëîæêè è íàíåñåííîãî íà
íåå ñëîÿ ñóùåñòâåííî îòëè÷àþòñÿ. Òèïè÷íûé
ïðèìåð òàêîãî ðîäà îáúåêòîâ — ñëîè por-Si, íà-
õîäÿùèåñÿ â åñòåñòâåííîì êîíòàêòå ñ ìîíîëèò-
íûì êðåìíèåì.  ðàáîòå [3], â ÷àñòíîñòè, áûëî
ïîêàçàíî, ÷òî òåïëîâûå ñâîéñòâà ñëîåâ por-Si çà-
âèñÿò îò ìåðû èõ ïîðèñòîñòè �, íàïðèìåð ïðè
� � 70% êîýôôèöèåíò òåìïåðàòóðîïðîâîäíîñòè
ñëîåâ por-Si óìåíüøàåòñÿ äî âåëè÷èíû, ðàâíîé
çíà÷åíèþ ñîîòâåòñòâóþùåãî ïàðàìåòðà äëÿ SiO2.
Ýòî îçíà÷àåò, ÷òî òåïëîâîé ðåæèì, â óñëîâèÿõ
êîòîðîãî èçëó÷àþò ñëîè por-Si, çàâèñèò îò �. Ðàç-
íèöà â ñòåïåíè íàãðåâà ñëîåâ por-Si ìîæåò ïîâëè-
ÿòü, íàïðèìåð, íà ñòåïåíü òåðìè÷åñêîé àêòèâàöèè
ëîâóøå÷íûõ ñîñòîÿíèé, îòâåòñòâåííûõ çà ñâîéñò-
âà ðåêîìáèíàöèîííîãî èçëó÷åíèÿ.
Âòîðîé óðîâåíü ñòðóêòóðíîé íåîäíîðîäíîñòè
îïðåäåëÿåòñÿ äèñïåðñèåé ðàçìåðîâ êðåìíèåâûõ
íàíî÷àñòèö (ðèñ. 1,á), çàâèñÿùåé îò òåõíîëîãè÷å-
ñêèõ óñëîâèé. Âñëåäñòâèå çàâèñèìîñòè øèðèíû
çàïðåùåííîé çîíû íàíî÷àñòèöû �Eg îò åå ñðåä-
íåãî ðàçìåðà L (�E Lg �
�2) äëÿ àíñàìáëÿ íàíî÷à-
ñòèö õàðàêòåðíî íåîäíîðîäíîå óøèðåíèå ýëåê-
òðîííûõ ñîñòîÿíèé, âåëè÷èíà êîòîðîãî, òàêèì
îáðàçîì, çàâèñèò îò óñëîâèé ïîëó÷åíèÿ îáðàçöà è
ïðîÿâëÿåòñÿ â ñïåêòðàëüíîì ñîñòàâå èçëó÷åíèÿ,
åãî ïîëÿðèçàöèè è êèíåòèêå çàòóõàíèÿ [1,2,4–6].
È, íàêîíåö, òðåòèé óðîâåíü ñòðóêòóðíîé íåîä-
íîðîäíîñòè îïðåäåëÿåò íåîäíîðîäíîñòü îòäåëü-
íîé êðåìíèåâîé íàíî÷àñòèöû. Êàê âèäíî íà
ðèñ. 1,â, êàæäûé íàíîêðèñòàëëèò ñëåäóåò ðàñ-
ñìàòðèâàòü êàê òðåõñëîéíóþ ñòðóêòóðó ñ êðåì-
íèåâûì ÿäðîì, ïåðåõîäíûì è ãðàäèåíòíûì ïî õ
ñëîåì SiO x (x � 2) è âíåøíåé îáîëî÷êîé SiO2.
Ïàðàìåòðû êàæäîãî èç ýòèõ òðåõ ñëîåâ ìîãóò èç-
ìåíÿòüñÿ â øèðîêèõ ïðåäåëàõ è òàêæå çàâèñåòü
îò òåõíîëîãèè ïðèãîòîâëåíèÿ îáðàçöîâ. Óñðåä-
íåííàÿ ïî àíñàìáëþ íàíî÷àñòèö ýíåðãåòè÷åñêàÿ
äèàãðàììà êðåìíèåãî íàíîêðèñòàëëèòà ñ ó÷åòîì
êâàíòîâî-ðàçìåðíîãî ýôôåêòà, äèñïåðñèè ðàçìå-
ðîâ íàíî÷àñòèö, âàðèçîííîñòè ñëîÿ SiO x è ìíî-
ãî÷èñëåííûõ äåôåêòíûõ ñîñòîÿíèé â ñëîÿõ SiOx
è SiO2 ñõåìàòè÷åñêè èçîáðàæåíà íà ðèñ. 2. Ñ
òðåòüèì óðîâíåì íåîäíîðîäíîñòè íåïîñðåäñòâåí-
íî ñâÿçàíà ïðîáëåìà îïðåäåëåíèÿ ñòðóêòóðíûõ
ñîñòàâëÿþùèõ ìíîãîêîìïîíåíòíîé ñðåäû, îòâåò-
ñòâåííûõ çà ïîãëîùåíèå ñâåòà è ëþìèíåñöåíöèþ.
Âåäü î÷åíü ÷àñòî ïîãëîùåíèå ñâåòà ïðîèñõîäèò â
îäíîé èç êîìïîíåíò, à èçëó÷åíèå — â äðóãîé. Â
òàêîì ñëó÷àå äîïîëíèòåëüíî âîçíèêàåò ïðîáëåìà
àäåêâàòíîãî îïèñàíèÿ ìåõàíèçìà òðàíñïîðòà íî-
ñèòåëåé çàðÿäà èç îáëàñòè ôîòîâîçáóæäåíèÿ â îá-
ëàñòü âòîðè÷íîãî èçëó÷åíèÿ. Âàæíûì ïðè ýòîì
ïðåäñòàâëÿåòñÿ ïîèñê ïðèçíàêîâ ïðîñòðàíñòâåí-
íîãî ðàçäåëåíèÿ íîñèòåëåé çàðÿäà, ïðèíèìàþùèõ
ó÷àñòèå â èçëó÷àòåëüíîé ðåêîìáèíàöèè â ìíîãî-
êîìïîíåíòíîé ñðåäå. Â íàñòîÿùåé ðàáîòå ýòà çàäà-
÷à ðåøàåòñÿ íà îñíîâàíèè ñîïîñòàâëåíèÿ ñâîéñòâ
ôîòî-, òåðìî- è òóííåëüíîé ñîñòàâëÿþùèõ ëþ-
ìèíåñöåíöèè íàíîñòðóêòóðèðîâàííîãî êðåìíèÿ.
Òàêæå ïðåäëîæåíà ìîäåëü, ïîçâîëÿþùàÿ ñ åäè-
íûõ ïîçèöèé îáúÿñíèòü âåñü íàáîð ïîëó÷åííûõ
äàííûõ.
2. Ìåòîäèêà ýêñïåðèìåíòà
Áàçîâûìè îáúåêòàìè äëÿ èññëåäîâàíèÿ ÿâëÿ-
ëèñü îáðàçöû ñèëüíî îêñèäèðîâàííîãî por-Si è
íàíî÷àñòèöû êðåìíèÿ â SiÎ2, ïîëó÷åííûå ìåòî-
äîì èîííîé èìïëàíòàöèè. Îáðàçöû por-Si ïðèãî-
òîâëåíû ïî òðàäèöèîííîé òåõíîëîãèè ýëåêòðîõè-
Ôèçèêà íèçêèõ òåìïåðàòóð, 2002, ò. 28, ¹ 8/9 979
Âëèÿíèå íåîäíîðîäíîñòè ñòðóêòóðû íà ëþìèíåñöåíòíûå ñâîéñòâà
Ðèñ. 1. Èëëþñòðàöèÿ ðàçíûõ óðîâíåé ñòðóêòóðíîé íå-
îäíîðîäíîñòè ïîðèñòîãî êðåìíèÿ: íåîäíîðîäíîñòü ïî
òîëùèíå (à); äèñïåðñèÿ ïî ðàçìåðó (á); ìíîãîñëîéíàÿ
ñòðóêòóðà îòäåëüíîãî íàíîêðèñòàëëèòà (â).
Ðèñ. 2. Ñõåìàòè÷åñêàÿ äèàãðàììà ýíåðãåòè÷åñêèõ ñî-
ñòîÿíèé êðåìíèåâîãî íàíîêðèñòàëëà.
ìè÷åñêîãî òðàâëåíèÿ [1] êðåìíèåâûõ ïëàñòèí
p-òèïà ïðîâîäèìîñòè ñ óäåëüíûì ñîïðîòèâëåíèåì
îêîëî 10 Îì/ñì è êðèñòàëëîãðàôè÷åñêîé îðèåí-
òàöèåé (111) ïðè ïëîòíîñòÿõ òîêà àíîäèðîâàíèÿ
5–80 ìÀ/ñì2 è âðåìåíàõ òðàâëåíèÿ îò 15 äî
90 ìèí. Âòîðîé òèï îáðàçöîâ ïîëó÷àëè èìïëàíòà-
öèåé ñëîåâ SiÎ2, òîëùèíîé ïîðÿäêà 500 íì, èî-
íàìè Si+ ïðè äîçå îáëó÷åíèÿ, ðàâíîé 6·1016 ñì–2,
ñ ïîñëåäóþùèì îòæèãîì íà ïðîòÿæåíèè 30 ìèí â
àòìîñôåðå àçîòà ïðè Tann � 1150îÑ [6].
Ôîòîëþìèíåñöåíöèþ (ÔË) âîçáóæäàëè èçëó-
÷åíèåì ðòóòíîé ëàìïû èëè èìïóëüñíîãî àçîòíîãî
ëàçåðà ñ äëèíîé âîëíû 337 íì. Ðåãèñòðàöèþ ëþ-
ìèíåñöåíòíîãî èçëó÷åíèÿ îñóùåñòâëÿëè ñ ïîìî-
ùüþ äèôðàêöèîííîãî ñïåêòðîìåòðà ñ ÏÇÑ-ëè-
íåéêîé â êà÷åñòâå äàò÷èêà. Òî÷íîñòü óïðàâëåíèÿ
è ñòàáèëèçàöèè òåìïåðàòóðû áûëà íå õóæå 1 Ê.
Òåðìîñòèìóëèðîâàííóþ ëþìèíåñöåíöèþ (ÒÑË)
è òóííåëüíóþ ëþìèíåñöåíöèþ (ÒË) èçìåðÿëè â
òåìïåðàòóðíîì èíòåðâàëå 4,2–300 Ê íà àâòîìàòè-
çèðîâàííîé óñòàíîâêå äëÿ èññëåäîâàíèÿ òåðìîàê-
òèâàöèîííîé ñïåêòðîñêîïèè. Ñèãíàë ÒË è ÒÑË
ðåãèñòðèðîâàëñÿ îõëàæäàåìûì ôîòîóìíîæèòå-
ëåì, ðàáîòàþùèì â ðåæèìå ñ÷åòà ôîòîíîâ. Îáðà-
çåö ïîìåùàëè â ðåãóëèðóåìûé ïî òåìïåðàòóðå îï-
òè÷åñêèé ãåëèåâûé êðèîñòàò è ïîñëå îõëàæäåíèÿ
îáëó÷àëè ñâåòîì ðòóòíîé ëàìïû âûñîêîãî äàâëå-
íèÿ â òå÷åíèå 10–60 ñ ïðè ñòàöèîíàðíîé òåìïåðà-
òóðå, êîòîðóþ â äèàïàçîíå 5–250 Ê ñòàáèëèçèðî-
âàëè ñ òî÷íîñòüþ 0,1 Ê. Êèíåòèêó ÒË èçìåðÿëè
íåïîñðåäñòâåííî ïîñëå ïðåêðàùåíèÿ âîçáóæäå-
íèÿ ïðè çàäåðæêå îò 1 äî 1000 ñ è âðåìåíè íàêîï-
ëåíèÿ ñèãíàëà 1 ñ. Ìåòîäèêà èçìåðåíèÿ ÒË àíà-
ëîãè÷íà îïèñàííîé ðàíåå [7], à åå äåòàëè ìîæíî
íàéòè â ðàáîòå [8]. Èçìåðåíèå ÒÑË íà÷èíàëè ÷å-
ðåç 7–15 ìèí ïîñëå âîçáóæäåíèÿ, êîãäà èíòåíñèâ-
íîñòü ÒË óìåíüøàëàñü äî óðîâíÿ òåìíîâîãî (ôî-
íîâîãî) ñèãíàëà. Èçìåðåíèÿ ÒÑË ïðîèçâîäèëè â
äâóõ ðàçëè÷íûõ ðåæèìàõ: ëèíåéíîãî íàãðåâà ïðè
ïîñòîÿííîé ñêîðîñòè íàãðåâàíèÿ îáðàçöà 0,15 Ê/ñ
è ôðàêöèîííîãî òåðìîâûñâå÷èâàíèÿ (ÔÒÂ).
Ôðàêöèîííûé ðåæèì íàãðåâà ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé
ñóïåðïîçèöèþ ìåäëåííîãî ëèíåéíîãî íàãðåâà îá-
ðàçöà è îòíîñèòåëüíî íåáîëüøèõ ïî àìïëèòóäå
(äî 10 Ê) îñöèëëÿöèé òåìïåðàòóðû. Ðåæèì ÔÒÂ,
ÿâëÿþùèéñÿ ìîäèôèêàöèåé ìåòîäà íà÷àëüíîãî
ó÷àñòêà, ïîçâîëÿåò îïðåäåëèòü ýíåðãèþ àêòèâà-
öèè âûñâîáîæäåíèÿ íîñèòåëÿ çàðÿäà ñ áîëüøåé
òî÷íîñòüþ è, òàêèì îáðàçîì, îáëàäàåò áîëüøåé
ðàçðåøàþùåé ñïîñîáíîñòüþ, ÷åì ðåæèì ëèíåé-
íîãî íàãðåâà.  ýòîì çàêëþ÷àåòñÿ ãëàâíîå ïðå-
èìóùåñòâî ïðèìåíåíèÿ ðåæèìà ÔÒÂ, òàê êàê
îáû÷íûå ìåòîäû îáðàáîòêè êðèâûõ ÒÑË âåñüìà
íåòî÷íûå èëè âîîáùå íåïðèìåíèìû â ñëó÷àå íå-
ïðåðûâíîãî è êâàçèíåïðåðûâíîãî ðàñïðåäåëåíèÿ
ëîâóøåê ïî ýíåðãèè, à òàêæå êîãäà èìååòñÿ äèñ-
êðåòíûé íàáîð ëîâóøåê ñ î÷åíü áëèçêèìè ýíåð-
ãèÿìè àêòèâàöèè. Äåòàëè ìåòîäà ÔÒÂ è îáðàáîò-
êè äàííûõ îïèñàíû â ðàáîòàõ [9,10]. Îñíîâíîå
îòëè÷èå íàøåé ðåàëèçàöèè ìåòîäà ÔÒ [9] îò ðà-
íåå ïðåäëîæåííîé [10] ñîñòîèò â ðàñøèðåíèè
òåìïåðàòóðíîãî èíòåðâàëà èçìåðåíèé îò òåìïåðà-
òóðû æèäêîãî àçîòà äî 4.2 Ê, ÷òî ïîçâîëÿåò èñ-
ñëåäîâàòü ìåëêèå ëîâóøêè íîñèòåëåé çàðÿäà.
Ýôôåêòèâíàÿ ñðåäíÿÿ ýíåðãèÿ àêòèâàöèè Ea
îïðåäåëÿåòñÿ â êàæäîì öèêëå îñöèëëÿöèè òåìïå-
ðàòóðû âûðàæåíèåì
E
d I T
d k T
TSL
B
a � �
ln ( )
( )
,
1
(1)
ãäå ITSL(Ò) — èíòåíñèâíîñòü ÒÑË, Ò – òåìïåðà-
òóðà, kB — ïîñòîÿííàÿ Áîëüöìàíà. Â ñîîòâåòñò-
âèè ñ ìåòîäèêîé, ðàçðàáîòàííîé â [10], ôóíêöèÿ
ðàñïðåäåëåíèÿ çàïîëíåííûõ ëîâóøåê h(Å) ìîæåò
áûòü âû÷èñëåíà ñ òî÷íîñòüþ äî íîðìèðîâî÷íîãî
ìíîæèòåëÿ êàê
h E
I E
dE dT
TSL( )
( )
�
a
, (2)
ãäå ²TSL(Å) — èíòåíñèâíîñòü ÒÑË ïîñëå ïðåîá-
ðàçîâàíèÿ øêàëû òåìïåðàòóð â øêàëó ýíåðãèé ñ
ïîìîùüþ ýêñïåðèìåíòàëüíî ïîëó÷åííîé çàâèñè-
ìîñòè E Ta ( ).
Ñèãíàëû ÒÑË è ÒË, êàê ïðàâèëî, äîâîëüíî
ñëàáûå, ÷òî èñêëþ÷àåò èñïîëüçîâàíèå ìîíîõðî-
ìàòîðà äëÿ èññëåäîâàíèÿ èõ ñïåêòðàëüíîãî ñîñòà-
âà. Ïîýòîìó ñïåêòðàëüíîå ðàñïðåäåëåíèå èçëó÷å-
íèÿ îöåíèâàëè ñ ïîìîùüþ íàáîðà ñâåòîôèëüòðîâ,
ïîìåùàåìûõ ìåæäó îêíîì êðèîñòàòà è ôîòîóìíî-
æèòåëåì.
3. Ýêñïåðèìåíòàëüíûå ðåçóëüòàòû
Ôîòîëþìèíåñöåíöèÿ
Ðàññìîòðèì ñâîéñòâà ôîòî-, òåðìî- è òóííåëü-
íîé ëþìèíåñöåíöèè íàíîñòðóêòóðèðîâàííîãî
êðåìíèÿ, êîòîðûå ìîãóò áûòü îáúÿñíåíû ñ ïî-
çèöèè èçëó÷àòåëüíîé ðåêîìáèíàöèè ïðîñòðàíñò-
âåííî ðàçäåëåííûõ íîñèòåëåé çàðÿäà. Íåêîòîðûå
ðåçóëüòàòû, â ÷àñòíîñòè òåìïåðàòóðíàÿ è ëþêñ-
èíòåíñèâíîñòíàÿ çàâèñèìîñòè ÔË, áûëè ïðåä-
ñòàâëåíû ðàíåå â ðàáîòå [11]. Ïîñêîëüêó èññëå-
äîâàíèþ ÔË por-Si ïîñâÿùåíî ìíîæåñòâî ðàáîò è
îáçîðîâ (ñì., íàïðèìåð, [1]), îáðàòèì âíèìàíèå
òîëüêî íà òå ñâîéñòâà ÔË, êîòîðûå ÿâëÿþòñÿ îá-
ùèìè äëÿ îáðàçöîâ íàíîñòðóêòóðèðîâàííîãî
êðåìíèÿ, ïîëó÷åííûõ ïðè ðàçíûõ òåõíîëîãè÷å-
ñêèõ óñëîâèÿõ. Ðå÷ü ïîéäåò î êîìïëåêñå ñâîéñòâ
980 Ôèçèêà íèçêèõ òåìïåðàòóð, 2002, ò. 28, ¹ 8/9
È. Â. Áëîíñêèé, Ì. Ñ. Áðîäèí, À. Þ. Âàõíèí, À. ß. Æóãàåâè÷, Â. Í. Êàäàí, À. Ê. Êàäàùóê
îñíîâíîé êðàñíî-îðàíæåâîé ïîëîñû èçëó÷åíèÿ ñ
ìàêñèìóìîì îêîëî 680 íì äëÿ îêñèäèðîâàííîãî
por-S³ è 740 íì äëÿ íàíî÷àñòèö êðåìíèÿ, ïîëó-
÷åííûõ ìåòîäîì èîííîé èìïëàíòàöèè. Îòìåòèì
òðè îñîáåííîñòè ÔË íàíîñòðóêòóðèðîâàííîãî
êðåìíèÿ.
1. Íåìîíîòîííàÿ òåìïåðàòóðíàÿ çàâèñèìîñòü
èíòåãðàëüíîé èíòåíñèâíîñòè ôîòîëþìèíèñöåí-
öèè ²PL êðàñíî-îðàíæåâîé ïîëîñû è çàâèñèìîñòü
òî÷êè èíâåðñèè çíàêà dI dTPL îò ïëîòíîñòè âîç-
áóæäåíèÿ. Êàê âèäíî íà ðèñ. 3, ñ ïîâûøåíèåì
òåìïåðàòóðû âíà÷àëå íàáëþäàåòñÿ ðîñò èíòå-
ãðàëüíîé èíòåíñèâíîñòè, êîòîðûé ïðè áîëåå âû-
ñîêèõ òåìïåðàòóðàõ ñìåíÿåòñÿ òèïè÷íûì àððå-
íèóñîâñêèì òóøåíèåì. Ñ ïîâûøåíèåì ïëîòíîñòè
âîçáóæäåíèÿ òî÷êà èíâåðñèè çíàêà dIPL ñìåùà-
åòñÿ â ñòîðîíó áîëåå âûñîêèõ òåìïåðàòóð.
2. Íåëèíåéíîñòü ëþêñ-èíòåíñèâíîñòíîé çàâè-
ñèìîñòè ýòîé æå ïîëîñû, îñîáåííî âûðàæåííàÿ
ïðè ïëîòíîñòè âîçáóæäåíèÿ Ð âûøå 2 êÂò/ñì2
(ñì. ðèñ. 4).
3. Äîëãîâðåìåííàÿ äåãðàäàöèÿ ÔË («ýôôåêò
óñòàëîñòè») ñ âûõîäîì íà ñòàöèîíàðíîå çíà÷åíèå
(ðèñ. 5). Ýôôåêò ïðîÿâëÿåò òåìïåðàòóðíóþ è
ñïåêòðàëüíóþ ÷óâñòâèòåëüíîñòü è íàèáîëåå ñèëü-
íî âûðàæåí íà êîðîòêîâîëíîâîì êðàþ êðàñ-
íî-îðàíæåâîé ïîëîñû ïðè ãåëèåâîé òåìïåðàòóðå.
Ïîñëå íàãðåâà îáðàçöîâ äî êîìíàòíîé òåìïåðàòó-
ðû ñïåêòð èçëó÷åíèÿ âîññòàíàâëèâàåòñÿ.
Äëÿ îáúÿñíåíèÿ íåìîíîòîííîé çàâèñèìîñòè
²PL(T) è çàâèñèìîñòè ïîëîæåíèÿ òî÷êè èíâåðñèè
çíàêà dI dTPL îò ïëîòíîñòè âîçáóæäåíèÿ è òåõ-
íîëîãèè ïðèãîòîâëåíèÿ îáðàçöîâ â ðàáîòå [11]
ïðåäëîæåíà ìîäåëü, ïðåäïîëàãàþùàÿ òåðìè÷åñ-
êîå âûñâîáîæäåíèå íîñèòåëåé çàðÿäà èç ëîâóøåê
ñ ïîñëåäóþùåé èõ ëîêàëèçàöèåé íà ñîñòîÿíèÿõ,
èç êîòîðûõ ïðîèñõîäèò ðåêîìáèíàöèÿ ñ èçëó÷å-
íèåì â âèäå êðàñíî-îðàíæåâîé ïîëîñû ÔË. Äëÿ
ïðîâåðêè ýòîé ìîäåëè áûëè ïðîâåäåíû èçìåðå-
íèÿ ÒÑË è ÒË ýòèõ æå îáðàçöîâ.
Òåðìîñòèìóëèðîâàííàÿ ëþìèíåñöåíöèÿ
Èçìåðåíèÿ ÒÑË ïîçâîëÿþò âûÿñíèòü ðîëü ëî-
âóøå÷íûõ ñîñòîÿíèé, êîòîðûå, êàê ïðåäïîëàãàåò-
ñÿ, ñòðóêòóðíî ñâÿçàíû ñ ïåðèôåðèéíûìè ñëîÿìè
SiO x è SiO2, â ëþìèíåñöåíòíûõ ñâîéñòâàõ íàíî-
ñòðóêòóðèðîâàííîãî êðåìíèÿ. Âàæíûìè ïðè ýòîì
ïðåäñòàâëÿþòñÿ èññëåäîâàíèÿ ñïåêòðàëüíûõ
ñâîéñòâ ÒÑË. Èññëåäîâàíû îáðàçöû por-S³, äëÿ
êîòîðûõ íàáëþäàëàñü íåìîíîòîííàÿ çàâèñèìîñòü
I TPL( ). Ïðè ýòîì íåîáõîäèìî îòìåòèòü, ÷òî â íå-
êîòîðûõ ðàáîòàõ ïî por-S³ (ñì. ññûëêè â [11]) íà-
Ôèçèêà íèçêèõ òåìïåðàòóð, 2002, ò. 28, ¹ 8/9 981
Âëèÿíèå íåîäíîðîäíîñòè ñòðóêòóðû íà ëþìèíåñöåíòíûå ñâîéñòâà
Ðèñ. 3. Òåìïåðàòóðíàÿ çàâèñèìîñòü èíòåãðàëüíîé èí-
òåíñèâíîñòè ÔË. Ïëîòíîñòü âîçáóæäåíèÿ ñîñòàâëÿåò
1 êÂò/ñì2 (êðóæêè, øòðèõîâàÿ ëèíèÿ) è 20 êÂò/ñì2
(êâàäðàòû, ñïëîøíàÿ ëèíèÿ).
Ðèñ. 4. Òèïè÷íàÿ çàâèñèìîñòü èíòåãðàëüíîé èíòåíñèâ-
íîñòè ÔË por-Si îò ïëîòíîñòè âîçáóæäåíèÿ.
Ðèñ. 5. Ñïåêòðàëüíàÿ çàâèñèìîñòü ñòåïåíè äåãðàäàöèè
ÔË por-Si ïðè T � 6 K, ïëîòíîñòè âîçáóæäåíèÿ
30 êÂò/ñì2 è âðåìåíè îáëó÷åíèÿ t, ìèí: 15 (1) è
60 (2).
áëþäàëè òàêæå ìîíîòîííóþ çàâèñèìîñòü I TPL( )
àððåíèóñîâñêîãî òèïà. Â ðàáîòå [11] áûëî ïîêà-
çàíî, ÷òî ïðè÷èíà òàêîãî ïîâåäåíèÿ îáóñëîâëåíà
âêëàäîì â êðàñíî-îðàíæåâóþ ïîëîñó ÔË äðóãèõ
îñöèëëÿòîðîâ, ñâÿçàííûõ, âåðîÿòíåå âñåãî, ñ îñ-
òàòî÷íûìè ïðîäóêòàìè òðàâëåíèÿ. Ïîäòâåðæ-
äåíèåì ýòîãî ñëóæèò òîò ôàêò, ÷òî ïîñòåïåííàÿ
î÷èñòêà ïîâåðõíîñòè por-S³ ìåòîäîì ëàçåðíîé àá-
ëÿöèè ñîïðîâîæäàåòñÿ ïåðåõîäîì îò ïðîñòîé àð-
ðåíèóñîâñêîé ê íåìîíîòîííîé çàâèñèìîñòè
I TPL( ).
Íà ðèñ. 6 ïîêàçàíû òèïè÷íûå êðèâûå ÒÑË, èç-
ìåðåííûå â ðàçíûõ ñïåêòðàëüíûõ äèàïàçîíàõ
ÔË. Èçâåñòíî, ÷òî ñóììàðíûé ñïåêòð ÔË ñîñòî-
èò èç îñíîâíîé êðàñíî-îðàíæåâîé ïîëîñû ñ ìàê-
ñèìóìîì îêîëî 680 íì è ìåíåå èíòåíñèâíîé ñèíåé
ïîëîñû ñ ìàêñèìóìîì îêîëî 440 íì, ïðèðîäó êî-
òîðîé ñâÿçûâàþò ñ ýíåðãåòè÷åñêèìè óðîâíÿìè äå-
ôåêòíûõ ñîñòîÿíèé â ïåðèôåðèéíîé îáîëî÷êå
SiÎ2 [1]. Êàê âèäíî íà ðèñ. 6, êîìïîíåíòàì ñïåê-
òðà èçëó÷åíèÿ por-S³ ñîîòâåòñòâóþò äâå êîìïî-
íåíòû ñèãíàëà ÒÑË: óçêèé íèçêîòåìïåðàòóðíûé
äóáëåò âáëèçè 25 Ê è øèðîêàÿ áåññòðóêòóðíàÿ
ïîëîñà, ïðîñòèðàþùàÿñÿ âïëîòü äî 200 Ê. Îáðà-
òèì âíèìàíèå òàêæå íà ñëåäóþùèå îñîáåííîñòè
ÒÑË â por-S³.
1. ×åòêàÿ êîððåëÿöèÿ íèçêîòåìïåðàòóðíîãî
äóáëåòà â ÒÑË ñ ñèíåé ïîëîñîé ÔË. Ó÷èòûâàÿ
ïðèðîäó ñèíåé ïîëîñû ÔË, ïðîèñõîæäåíèå íèç-
êîòåìïåðàòóðíîãî äóáëåòà òàêæå åñòåñòâåííî ñâÿ-
çàòü ñ äèñêðåòíûìè ëîâóøå÷íûìè ñîñòîÿíèÿìè
äåôåêòíîé ïðèðîäû â ñëîå SiÎ2. Òàêîé âûâîä
ïîäòâåðæäàþò äàííûå ðàáîòû [12], â êîòîðîé ïðè
èññëåäîâàíèè êèíåòèêè çàòóõàíèÿ ñèíåé ïîëîñû
ÔË â por-S³ îáíàðóæåíî, ÷òî ïðè ïîíèæåíèè òåì-
ïåðàòóðû îò êîìíàòíîé äî ãåëèåâîé, íà÷èíàÿ
ïðèìåðíî ñ 30 Ê, êðîìå îñíîâíîé íàíîñåêóíäíîé
êîìïîíåíòû, ïîðîãîâî âîçíèêàåò ìèëëèñåêóíäíàÿ
êîìïîíåíòà çàòóõàíèÿ, ò.å. òåìïåðàòóðà åå ïîÿâ-
ëåíèÿ ïðàêòè÷åñêè ñîâïàäàåò ñ ïîëîæåíèåì íèç-
êîòåìïåðàòóðíîé êîìïîíåíòû ÒÑË. Â ðàáîòå [12]
ïîÿâëåíèå ìåäëåííîé ñîñòàâëÿþùåé êèíåòèêè
ÔË ñâÿçûâàëè ñ ïðîÿâëåíèåì ëîâóøå÷íûõ ñî-
ñòîÿíèé â èçëó÷åíèè ïåðèôåðèéíîãî ñëîÿ SiÎ2.
Óçîñòü íèçêîòåìïåðàòóðíîãî äóáëåòà â ñèãíàëå
ÒÑË óêàçûâàåò íà ñëåäóþùèå îñîáåííîñòè ÔË:
ìàëàÿ äèñïåðñèÿ ýíåðãåòè÷åñêîãî èíòåðâàëà ìåæ-
äó èçëó÷àòåëüíûì è ëîâóøå÷íûì ñîñòîÿíèÿìè
(ñèíÿÿ ïîëîñà ÔË); ìàëàÿ øèðèíà ëîâóøå÷íîãî
óðîâíÿ, ÷òî áîëåå õàðàêòåðíî äëÿ äåôåêòíûõ ñî-
ñòîÿíèé â SiÎ2, ÷åì â êðåìíèåâîì ÿäðå èëè ñëîå
SiÎõ, òàê êàê ïîñëåäíèì ïðèñóùå çíà÷èòåëüíîå
íåîäíîðîäíîå óøèðåíèå ýëåêòðîííûõ óðîâíåé.
2. Èç ñîïîñòàâëåíèÿ êðèâûõ íà ðèñ. 6 ñëåäóåò
ñîîòâåòñòâèå ìåæäó øèðîêîé âûñîêîòåìïåðàòóð-
íîé êîìïîíåíòîé ñèãíàëà ÒÑË è êðàñíî-îðàíæå-
âîé ïîëîñîé ÔË. Âûäåëÿÿ ñâåòîôèëüòðàìè ðàç-
ëè÷íûå ó÷àñòêè îñíîâíîé ïîëîñû èçëó÷åíèÿ, ìû
íå îáíàðóæèëè ñìåùåíèÿ è äåôîðìàöèè êîíòóðà
ïîëîñû ÒÑË (ðèñ. 6), à ëèøü óìåíüøåíèå ñóì-
ìàðíîãî ñèãíàëà. Ýòîò ôàêò äàåò îñíîâàíèå óò-
âåðæäàòü (äëÿ îáðàçöîâ por-S³, î÷èùåííûõ îò îñ-
òàòî÷íûõ ïðîäóêòîâ òðàâëåíèÿ), ÷òî îñíîâíàÿ
ïîëîñà èçëó÷åíèÿ áåññòðóêòóðíà, ò.å. íå ÿâëÿåòñÿ
ñóïåðïîçèöèåé ïîëîñ ðàçíîé ïðèðîäû.
3. Ñ èñïîëüçîâàíèåì ìåòîäèêè ÔÒÂ áûëà ïî-
ëó÷åíà òåìïåðàòóðíàÿ çàâèñèìîñòü ýíåðãèè òåð-
ìè÷åñêîé àêòèâàöèè âûñâîáîæäåíèÿ íîñèòåëåé èç
ëîâóøåê Åa (ðèñ. 7, òî÷êè), êîòîðàÿ õîðîøî îïè-
ñûâàåòñÿ ýìïèðè÷åñêèì âûðàæåíèåì
Å
a
= 0,0028T – 0,12 [ýÂ]. (3)
Ýíåðãåòè÷åñêèé ñïåêòð ëîâóøå÷íûõ ñîñòîÿ-
íèé, îòâåòñòâåííûõ çà ôîðìèðîâàíèå êðàñ-
íî-îðàíæåâîé ïîëîñû ÔË, ìîæåò áûòü ðàññ÷èòàí
èñõîäÿ èç çàâèñèìîñòè ÒÑË (ðèñ. 6 êðèâàÿ 2) è
âûðàæåíèé (2) è (3). Èç ïîëó÷åííûõ ðåçóëüòà-
òîâ ñëåäóåò, ÷òî ðàñïðåäåëåíèå ëîâóøåê ïî ýíåð-
ãèè ÿâëÿåòñÿ íåïðåðûâíûì è äîñòàòî÷íî øèðî-
êèì (ãëóáèíà çàëåãàíèÿ äî 0,3 ýÂ), ïðè÷åì åãî
øèðèíà áëèçêà ê ïîëóøèðèíå îñíîâíîé ïîëîñû
ÔË.
Îäíà èç ïðè÷èí, îïðåäåëÿþùàÿ áîëüøóþ øè-
ðèíó êðèâîé ÒÑË, îáóñëîâëåíà çíà÷èòåëüíûì
ðàçáðîñîì ëîâóøå÷íûõ ñîñòîÿíèé ïî ýíåðãèè,
÷òî ñâÿçàíî, ïî-âèäèìîìó, ñ èõ ëîêàëèçàöèåé â
ñëîå ïåðåìåííîãî ñîñòàâà SiÎõ. Âòîðîé ïðè÷èíîé
ÿâëÿåòñÿ äèñïåðñèÿ êðåìíèåâûõ íàíîêðèñòàëëè-
982 Ôèçèêà íèçêèõ òåìïåðàòóð, 2002, ò. 28, ¹ 8/9
È. Â. Áëîíñêèé, Ì. Ñ. Áðîäèí, À. Þ. Âàõíèí, À. ß. Æóãàåâè÷, Â. Í. Êàäàí, À. Ê. Êàäàùóê
Ðèñ. 6. Òåìïåðàòóðíàÿ çàâèñèìîñòü ñèãíàëà ÒÑË äëÿ
por-Si äëÿ ðàçëè÷íûõ ñïåêòðàëüíûõ äèàïàçîíîâ: ñóì-
ìàðíûé ñèãíàë (äèàïàçîí ðåãèñòðàöèè � 800 íì)
(1); � 640 íì (2); � 690 íì (3); � 730 íì (4);
� 580 íì (5).
òîâ ïî ðàçìåðó, ÷òî ïðèâîäèò ê çíà÷èòåëüíîé âà-
ðèàöèè ýíåðãåòè÷åñêîãî èíòåðâàëà ìåæäó ëîâó-
øå÷íûìè óðîâíÿìè â SiÎõ è äíîì çîíû
ïðîâîäèìîñòè êðåìíèåâîãî ÿäðà (ðèñ. 2).
Òóííåëüíàÿ ëþìèíåñöåíöèÿ
Èçâåñòíî, ÷òî îñâîáîæäåíèå íîñèòåëåé çàðÿäà,
çàõâà÷åííûõ ëîâóøêàìè, îáû÷íî ïðîèñõîäèò â
ïðîöåññå òåðìè÷åñêîé àêòèâàöèè, îäíàêî âîçìîæ-
íû è òóííåëüíûå (ïîäáàðüåðíûå) ïåðåõîäû [8],
êîòîðûå îñîáåííî ñóùåñòâåííû ïðè íèçêîé òåì-
ïåðàòóðå. Òàêèå ïåðåõîäû, ñîïðîâîæäàþùèåñÿ
èçëó÷åíèåì ñâåòà, íàçûâàþòñÿ òóííåëüíîé ëþìè-
íåñöåíöèåé. Èçâåñòíî, ÷òî ÒË —îáû÷íîå ÿâëåíèå
â ñòåêëàõ, ùåëî÷íî-ãàëîèäíûõ êðèñòàëëàõ è
ñèëüíî ëåãèðîâàííûõ ïîëóïðîâîäíèêàõ [13–15],
à êèíåòèêà åå çàòóõàíèÿ ïîä÷èíÿåòñÿ, êàê ïðàâè-
ëî, áåêêåðåëåâñêîìó çàêîíó ðàñïðåäåëåíèÿ âèäà
I t� –
, ãäå t — âðåìÿ, à
� 1 – ïîêàçàòåëü Áåêêå-
ðåëÿ. Òàêèì îáðàçîì, ÒË ÿâëÿåòñÿ íàèáîëåå äîë-
ãîâðåìåííîé êîìïîíåíòîé èçëó÷åíèÿ.
Êèíåòèêè çàòóõàíèÿ èíòåãðàëüíîé èíòåíñèâíî-
ñòè ÒË, èçìåðåííûå â èíòåðâàëå òåìïåðàòóð
5–250 Ê äëÿ îáðàçöà îêñèäèðîâàííîãî por-S³,
ïðåäñòàâëåíû íà ðèñ. 8. Âèäíî, ÷òî çàòóõàíèå ÒË
èìååò áåêêåðåëåâñêèé õàðàêòåð ñ ïîêàçàòåëåì
ñòåïåíè
�1, ïðè÷åì
ÿâíî íåìîíîòîííî çàâèñèò
îò òåìïåðàòóðû T (ðèñ. 9). Íàñêîëüêî íàì èç-
âåñòíî, òàêàÿ íåìîíîòîííàÿ çàâèñèìîñòü
( )T
äëÿ ïîëóïðîâîäíèêîâûõ ìàòåðèàëîâ îáíàðóæåíà
âïåðâûå.
Äëÿ îïèñàíèÿ êèíåòèêè çàòóõàíèÿ òóííåëüíîé
êîìïîíåíòû ÔË ðàññìîòðèì ìîäåëü, îñíîâàííóþ
íà ïðûæêîâîì òðàíñïîðòå íîñèòåëÿ çàðÿäà ìåæ-
äó ëîêàëèçîâàííûìè ñîñòîÿíèÿìè â ðàçóïîðÿäî-
÷åííîì ñëîå SiÎõ. Èíòåíñèâíîñòü (âåðîÿòíîñòü â
åäèíèöó âðåìåíè) òóííåëüíûõ òåðìè÷åñêè àêòè-
âèðîâàííûõ ïðûæêîâ ñ îäíîãî ëîêàëèçîâàííîãî
ñîñòîÿíèÿ (óçëà) ñ ýíåðãèåé � i íà ñîñåäíåå ñ ýíåð-
ãèåé � f îïèñûâàåòñÿ èçâåñòíûì âûðàæåíèåì [16]
� �
�
�
�
�
�
�
�
�
�if
if
exp
E
k TB
,
ãäå E f i
f i f i
if
�
�
�
�
�
�
��
0,
,
� �
� � � � ,
(4)
Eif — ýíåðãèÿ àêòèâàöèè ïðûæêà; �if — áåçàêòè-
âàöèîííàÿ ñîñòàâëÿþùàÿ âåðîÿòíîñòè ïðûæêîâ,
êîòîðàÿ îïðåäåëÿåòñÿ â îñíîâíîì ïåðåêðûâàíèåì
âîëíîâûõ ôóíêöèé ñîñòîÿíèé.
Ôèçèêà íèçêèõ òåìïåðàòóð, 2002, ò. 28, ¹ 8/9 983
Âëèÿíèå íåîäíîðîäíîñòè ñòðóêòóðû íà ëþìèíåñöåíòíûå ñâîéñòâà
Ðèñ. 7. Òåìïåðàòóðíàÿ çàâèñèìîñòü ñðåäíåé ýíåðãèè
àêòèâàöèè Ea.
Ðèñ. 8. Êèíåòèêà çàòóõàíèÿ ÒË ïðè ðàçëè÷íûõ òåìïå-
ðàòóðàõ Ò, Ê, äëÿ êàæäîé èç êîòîðûõ âû÷èñëåí áåê-
êåðåëåâñêèé ïîêàçàòåëü � (äëèíà âîëíû âîçáóæäåíèÿ
�exc = 405 íì).
Ðèñ. 9. Òåìïåðàòóðíàÿ çàâèñèìîñòü áåêêåðåëåâñêîãî
ïîêàçàòåëÿ �.
Âñëåäñòâèå ðàçóïîðÿäî÷åííîñòè ñëîÿ SiÎõ
çíà÷åíèÿ � i , � f è �if ïðè ïåðåõîäå îò îäíîãî
óçëà ê äðóãîìó èçìåíÿþòñÿ ñëó÷àéíûì îáðàçîì.
Ïðîáëåìà òåîðåòè÷åñêîãî îïèñàíèÿ äàííîãî ÿâëå-
íèÿ ñâÿçàíà ñ òåì, ÷òî ïðîñòðàíñòâåííîå ðàñïðå-
äåëåíèå ýòèõ âåëè÷èí è ðàñïðåäåëåíèå (ïëîò-
íîñòü) ñîñòîÿíèé ïî ýíåðãèè íàì íåèçâåñòíû.
Áîëåå òîãî, îíè ìîãóò îòëè÷àòüñÿ äëÿ ðàçíûõ îá-
ðàçöîâ è äàæå íàíîêðèñòàëëèòîâ [1], ÷òî òàêæå
çàòðóäíÿåò ïðîâåäåíèå òî÷íûõ ðàñ÷åòîâ, îñíîâàí-
íûõ íà âûðàæåíèè (4). Ïîýòîìó â äàííîé ñèòóà-
öèè öåëåñîîáðàçíî âîñïîëüçîâàòüñÿ ïðèáëèæåíè-
åì ýôôåêòèâíîé ñðåäû (ñì., íàïðèìåð, îáçîð
[17]). Èòàê, çàìåíèì ïðîñòðàíñòâåííî íåîäíî-
ðîäíûå âåëè÷èíû Eif è �if â (4) ýôôåêòèâíûìè
ïðîñòðàíñòâåííî îäíîðîäíûìè E è �, ôàêòè÷åñêè
îïèñûâàÿ ïðîöåññ òðàíñïîðòà ýëåêòðîíà è äûðêè
íà îäèí óçåë, ãäå âîçìîæíà èõ ðåêîìáèíàöèÿ, îä-
íèì ïðûæêîì ñ âåðîÿòíîñòüþ
� �
�
�
��
�
�
��� exp
E
k TB
, (5)
ãäå � è Å —ñëó÷àéíûå âåëè÷èíû ñ îïðåäåëåííûì
ýôôåêòèâíûì ðàñïðåäåëåíèåì. Òàêîå ïðèáëèæå-
íèå îïðàâäàíî äëÿ ñëó÷àÿ, êîãäà ðàññòîÿíèå ìåæ-
äó ýëåêòðîíîì è äûðêîé íåâåëèêî (â ïðåäåëàõ
íåñêîëüêèõ ïðûæêîâ). Äîïóñòèìîñòü äàííîãî
ïðèáëèæåíèÿ â ñëó÷àå ðàññìàòðèâàåìîé ñèñòåìû
îáåñïå÷èâàåòñÿ ìàëîé òîëùèíîé îáîëî÷êè SiÎõ è
íåáîëüøèì ðàçìåðîì êðåìíèåâîãî íàíîêðèñòàë-
ëèòà â öåëîì. Ïðè òàêîì ïîäõîäå ìîæíî ó÷åñòü
òàêæå âîçìîæíûå ïåðåõîäû íîñèòåëåé èç îáîëî÷-
êè SiÎõ â êðåìíèåâîå ÿäðî è îáðàòíî, ðàññìàòðè-
âàÿ ÿäðî êàê îòäåëüíóþ ëîâóøêó ñ ýíåðãèåé ñî-
ñòîÿíèÿ � � Eg .
Ó÷èòûâàÿ, ÷òî äëÿ ýëåêòðîí-äûðî÷íîé ïàðû,
ëîêàëèçîâàííîé íà îäíîì óçëå, âåðîÿòíîñòü ðå-
êîìáèíàöèè â åäèíèöó âðåìåíè ìíîãî áîëüøå
ñðåäíåé ÷àñòîòû ïðûæêîâ, äëÿ çàâèñèìîñòè èí-
òåíñèâíîñòè ëþìèíåñöåíöèè ² îò âðåìåíè ìîæåì
çàïèñàòü ñëåäóþùåå âûðàæåíèå
I t q t
E( ) ,� �
e–
� , (6)
ãäå ìíîæèòåëü q ó÷èòûâàåò êâàíòîâûé âûõîä èç-
ëó÷àòåëüíîé ðåêîìáèíàöèè, à òðåóãîëüíûå ñêîá-
êè îáîçíà÷àþò óñðåäíåíèå ïî ýôôåêòèâíûì ðàñ-
ïðåäåëåíèÿì âåëè÷èí � è Å. Ïîñêîëüêó íàñ
èíòåðåñóåò òåìïåðàòóðíàÿ çàâèñèìîñòü áåêêåðå-
ëåâñêîãî ïîêàçàòåëÿ, â äàëüíåéøåì âìåñòî âåëè-
÷èíû �, êîòîðàÿ ïðàêòè÷åñêè íå çàâèñèò îò òåìïå-
ðàòóðû, áóäåì èñïîëüçîâàòü åå ñðåäíåå çíà÷åíèå.
Òîãäà ïîëó÷èì ñëåäóþùåå âûðàæåíèå äëÿ êèíå-
òèêè çàòóõàíèÿ ÒË:
I t q
E
k T
t
E
k T
f E dE
B B
( ) exp ( ) .� � � �
�
�
��
�
�
��
�
�
�
�
�
�
!� �
"
exp
(7)
Âûðàæåíèå (7) ìîæíî ïðåîáðàçîâàòü ê áîëåå
óäîáíîìó äëÿ àíàëèçà âèäó, âçÿâ èíòåãðàë ìåòî-
äîì ïåðåâàëà. Òàêîå óïðîùåíèå îïðàâäàíî äëÿ
ñëó÷àÿ äîëãîâðåìåííîé àñèìïòîòèêè, êîòîðûé
èíòåðåñóåò íàñ â ïåðâóþ î÷åðåäü, ïîñêîëüêó
èìåííî ïðè áîëüøèõ âðåìåíàõ íàáëþäåíèÿ çàòó-
õàíèå íîñèò áåêêåðåëåâñêèé õàðàêòåð. Ïðè ýòîì
ïåðåâàëüíîå çíà÷åíèå Å0 îïðåäåëÿåòñÿ èç óðàâíå-
íèÿ
k T E t
E
k TB
B
#( )0 1� � �
�
�
��
�
�
��� exp ,
ãäå #( )
ln ( )
E
d f E
dE0
0
0
$ .
(8)
Ôèçè÷åñêàÿ èíòåðïðåòàöèÿ ìåòîäà ïåðåâàëà
äîñòàòî÷íî ïðîçðà÷íà: â òå÷åíèå îïðåäåëåííîãî
èíòåðâàëà âðåìåíè îò ìîìåíòà t äî ìîìåíòà t t% �
â èçëó÷åíèè ïðèíèìàþò ó÷àñòèå ïðåèìóùåñòâåí-
íî íîñèòåëè çàðÿäà, çàõâà÷åííûå ëîâóøêàìè ñ
ýíåðãèåé àêòèâàöèè, áëèçêîé ê E t T0( , ). ×åì
áîëüøå âðåìÿ íàáëþäåíèÿ t èëè âûøå òåìïåðàòó-
ðà T, òåì áîëüøå çíà÷åíèå E t T0( , ). Âîò ïî÷åìó
èçó÷åíèå äîëãîâðåìåííîé àñèìïòîòèêè ïîçâîëÿåò
«çîíäèðîâàòü» ôóíêöèþ ðàñïðåäåëåíèÿ ýôôåê-
òèâíîé ýíåðãèè àêòèâàöèè &(Å), àíàëîãè÷íî òî-
ìó, êàê ìû äåëàåì ýòî, óâåëè÷èâàÿ T ïðè
èçìåðåíèè ÒÑË. Ïîêàçàòåëü ñòåïåíè çàòóõàíèÿ
îïðåäåëÿåòñÿ ôîðìóëîé
#( )
ln ( )
ln
( )t
d I t
d t
k TB� � � � '1
' �
(% ((
� � (
�
�
�
�
�
�1
2 1
2 3
2 2
( ) ( )
( ( ) )
k T k T
k T k T
B B
B B
# #
# #
. (9)
Ïîñêîëüêó ÒË èçìåðÿþò â îñíîâíîì ïðè íèç-
êîé òåìïåðàòóðå, êîãäà âûïîëíÿåòñÿ óñëîâèå
kBT �� �E, ãäå �E – ýôôåêòèâíàÿ øèðèíà ðàñ-
ïðåäåëåíèÿ f E( ) (ïðàêòè÷åñêè ýòî óñëîâèå îçíà-
÷àåò
�1, ÷òî è íàáëþäàåòñÿ â ýêñïåðèìåíòå), ýòî
ïîçâîëÿåò ñäåëàòü óïðîùåíèÿ â âûðàæåíèè (9),
ïîñëå ÷åãî ñâÿçü áåêêåðåëåâñêîãî ïîêàçàòåëÿ ñ
ðàñïðåäåëåíèåì ëîâóøåê ïî ýíåðãèè ïðèîáðåòàåò
áîëåå ïðîñòîé âèä:
E k T tB0 � ln ( )� , (10)
#
( ) [ ( , )]E t T k TB0 1� � . (11)
Ðàâåíñòâî (10) óñòàíàâëèâàåò ñâÿçü ìåæäó
øêàëîé ýíåðãèé, ñ îäíîé ñòîðîíû, è òåìïåðàòóð è
984 Ôèçèêà íèçêèõ òåìïåðàòóð, 2002, ò. 28, ¹ 8/9
È. Â. Áëîíñêèé, Ì. Ñ. Áðîäèí, À. Þ. Âàõíèí, À. ß. Æóãàåâè÷, Â. Í. Êàäàí, À. Ê. Êàäàùóê
âðåìåí (â ëîãàðèôìè÷åñêîì ìàñøòàáå), ñ äðóãîé.
Óðàâíåíèå (11) ñâÿçûâàåò âåëè÷èíû � è #( )E , ò.å.
ôàêòè÷åñêè è f E( ), ñîãëàñíî ñîîòíîøåíèþ (8).
Èç ýêñïåðèìåíòàëüíûõ äàííûõ ïî êèíåòèêå
çàòóõàíèÿ ÒË (ðèñ. 8), èñïîëüçîâàâ âûðàæåíèÿ
(10) è (11), áûëà ðàññ÷èòàíà ôóíêöèÿ #( )E . Çíà-
÷åíèå 1 0 2� � , ñ ïîëó÷åíî èç óñëîâèÿ ñîãëàñîâà-
íèÿ äàííûõ êèíåòèê, èçìåðåííûõ ïðè ðàçíûõ
òåìïåðàòóðàõ. Ýòà âåëè÷èíà õàðàêòåðèçóåò ñðåä-
íåå âðåìÿ ìåæäó ïîñëåäîâàòåëüíûìè áåçàêòèâà-
öèîííûìè ïðûæêàìè. Äàëåå, ñ èñïîëüçîâàíèåì
óðàâíåíèÿ (8) áûëà âîññòàíîâëåíà ôóíêöèÿ f E( ).
Ðåçóëüòàò ðàñ÷åòà ïðåäñòàâëåí íà ðèñ. 10.
Òàêèì îáðàçîì, ðåçóëüòàòû èçìåðåíèé ÒÑË è
ÒË âçàèìíî äîïîëíÿþò è â îïðåäåëåííîé ìåðå ñî-
ãëàñóþòñÿ ìåæäó ñîáîé. Òåðìîñòèìóëèðîâàííàÿ
ëþìèíåñöåíöèÿ äàåò îöåíî÷íîå çíà÷åíèå äëÿ
øèðèíû ðàñïðåäåëåíèÿ ýíåðãèè àêòèâàöèè
�E ) 0,3 ýÂ. Èçìåðåíèÿ ÒË óêàçûâàþò íà ìîíî-
òîííûé ðîñò ôóíêöèè f E( ) ïðè ìàëûõ çíà÷åíèÿõ
Å(� 0,1 ýÂ). Òàêóþ îñîáåííîñòü ìîæíî îáúÿñíèòü
òåì, ÷òî ïåðåä ðåêîìáèíàöèåé íîñèòåëè çàðÿäà
ñîâåðøàþò â ñðåäíåì íåñêîëüêî ïðûæêîâ.
4. Îáñóæäåíèå ýêñïåðèìåíòàëüíûõ
ðåçóëüòàòîâ
Èçëîæåííûå â ïðåäûäóùåì ðàçäåëå ðåçóëüòà-
òû ñâèäåòåëüñòâóþò, ÷òî ÷àñòü ôîòîãåíåðèðîâàí-
íûõ íîñèòåëåé çàðÿäà ïîêèäàåò êðåìíèåâîå ÿäðî,
ëîêàëèçóÿñü íà ïåðèôåðèéíûõ îáîëî÷êàõ SiÎõ è
SiÎ2. Ïîëó÷åííûå ýêñïåðèìåíòàëüíûå äàííûå
ìîæíî îáúÿñíèòü ñ åäèíûõ ïîçèöèé â ðàìêàõ ìî-
äåëè, íàçâàííîé íàìè ìîäåëüþ «äâóõòàêòíîãî çà-
ðÿäîâîãî ïîðøíÿ». Ïðåäïîëàãàåòñÿ, ÷òî ïîãëîùå-
íèå ñâåòà ñ ãåíåðàöèåé ýëåêòðîííî-äûðî÷íîé
(å–h) ïàðû ïðîèñõîäèò â êðåìíèåâîì ÿäðå íàíî-
êðèñòàëëèòà (ðèñ. 11,à). Ïîñëå ýòîãî âîçìîæíà
èçëó÷àòåëüíàÿ ðåêîìáèíàöèÿ ñ ðîæäåíèåì êâàíòà
âòîðè÷íîãî èçëó÷åíèÿ. Îäíàêî õàðàêòåðíîå âðå-
ìÿ ðåêîìáèíàöèè äîñòàòî÷íî âåëèêî (äî íåñêîëü-
êèõ ìèëëèñåêóíä), ïîýòîìó ïðè îáû÷íî èñïîëü-
çóåìûõ ïëîòíîñòÿõ âîçáóæäåíèÿ âïîëíå âåðîÿòíà
ñèòóàöèÿ, êîãäà â íàíîêðèñòàëëèòå åùå äî ðåêîì-
áèíàöèè ïåðâîé å–h ïàðû ãåíåðèðóåòñÿ âòîðàÿ
ïàðà (ðèñ. 11,á). Êàê îòìå÷åíî â ðÿäå ðàáîò (ñì.,
íàïðèìåð, [6]), ïðè íàëè÷èè â íàíîðàçìåðíîì
êðåìíèåâîì ÿäðå áîëåå äâóõ ïàð íîñèòåëåé çàðÿ-
äà íàèáîëåå âåðîÿòåí ïðîöåññ áåçûçëó÷àòåëüíîé
îæå-ðåêîìáèíàöèè, ïðè êîòîðîé ýíåðãèÿ ðåêîì-
áèíàöèè îäíîé å–h ïàðû çàòðà÷èâàåòñÿ íà âûáðîñ
âî âíåøíþþ îáîëî÷êó íàíîêðèñòàëëèòà îäíîãî èç
íîñèòåëåé äðóãîé å–h ïàðû.  ðåçóëüòàòå íàíî÷à-
ñòèöà ïåðåõîäèò â ñîñòîÿíèå, êîãäà, íàïðèìåð,
ýëåêòðîí ëîêàëèçîâàí â ñëîå SiÎõ, à äûðêà îñòà-
åòñÿ â êðåìíèåâîì ÿäðå (ðèñ. 11,â), èëè íàîáî-
ðîò. Ñêîðîñòü ðåêîìáèíàöèè òàêîé ïðîñòðàíñò-
âåííî ðàçäåëåííîé å–h ïàðû äîâîëüíî íèçêà
èç-çà ìàëîé âåðîÿòíîñòè òóííåëüíîãî ïåðåõîäà.
Ïîýòîìó, êîãäà â êðåìíèåâîì ÿäðå, íàõîäÿùåìñÿ
â òàêîì ñîñòîÿíèè, ãåíåðèðóåòñÿ åùå îäíà å–h
ïàðà (ðèñ. 11,ã), íàèáîëåå âåðîÿòíûì ñíîâà îêà-
çûâàåòñÿ áåçûçëó÷àòåëüíûé îæå-ïðîöåññ, âñëåä-
ñòâèå êîòîðîãî â ñëîé SiÎõ âûáðàñûâàåòñÿ òåïåðü
óæå äûðêà. Òàêèì îáðàçîì, ÿäðî êðåìíèåâîãî íà-
íîêðèñòàëëèòà îñâîáîæäàåòñÿ îò çàðÿäîâ, êîòî-
ðûå òåïåðü ëîêàëèçîâàíû íà ïåðèôåðèéíûõ îáî-
ëî÷êàõ, è ñíîâà ïåðåõîäèò â ïîòåíöèàëüíî
èçëó÷àòåëüíîå ñîñòîÿíèå. Òàêîå öèêëè÷åñêîå âîç-
Ôèçèêà íèçêèõ òåìïåðàòóð, 2002, ò. 28, ¹ 8/9 985
Âëèÿíèå íåîäíîðîäíîñòè ñòðóêòóðû íà ëþìèíåñöåíòíûå ñâîéñòâà
Ðèñ. 10. Âîññòàíîâëåííàÿ ïî êèíåòèêå çàòóõàíèÿ ÒË
ôóíêöèÿ ðàñïðåäåëåíèÿ ýíåðãèè àêòèâàöèè çàõâà÷åí-
íûõ íîñèòåëåé çàðÿäà &(Å).
Ðèñ. 11. Ñõåìàòè÷åñêîå èçîáðàæåíèå äåéñòâèÿ «äâóõòàêòíîãî çàðÿäîâîãî ïîðøíÿ» â íàíîêðèñòàëëè÷åñêîì êðåì-
íèè.
âðàùåíèå îáðàçöà â èçëó÷àòåëüíîå ñîñòîÿíèå ïî-
çâîëÿåò îáúÿñíèòü ýêñïåðèìåíòàëüíî íàáëþäàå-
ìûé ýôôåêò «óñòàëîñòè» ëþìèíåñöåíöèè, êîãäà
èíòåíñèâíîñòü ÔË âûõîäèò íå íà íóëåâîå, à íà
êîíå÷íîå çíà÷åíèå ñèãíàëà íàñûùåíèÿ (ðèñ. 5).
Ïðè ýòîì ýôôåêòèâíîñòü «âûòàëêèâàíèÿ» íîñè-
òåëÿ çàðÿäà â îïèñàííîì äâóõòàêòíîì ïðîöåññå
ìîæåò â îáùåì ñëó÷àå îòëè÷àòüñÿ äëÿ ýëåêòðîíà
è äûðêè èç-çà ðàçëè÷èÿ äëÿ íèõ â ðàñïðåäåëåíèè
ëîâóøåê ïî ýíåðãèè.
Èçëîæåííàÿ âûøå ìîäåëü îñíîâàíà íà ïðåäïî-
ëîæåíèè î âûñîêîé ýôôåêòèâíîñòè ýëåêòðîííîãî
îæå-ïðîöåññà, ÿâëÿþùåãîñÿ äâèæóùåé ñèëîé
«äâóõòàêòíîãî çàðÿäîâîãî ïîðøíÿ», âûòàëêèâàþ-
ùåãî ïî î÷åðåäè ýëåêòðîíû è äûðêè èç êðåìíèå-
âîãî ÿäðà íà ïåðèôåðèéíûå îáîëî÷êè. Òàêîå
ïðåäïîëîæåíèå äåéñòâèòåëüíî îïðàâäàííî. Èç-
âåñòíî, ÷òî ñêîðîñòü îæå-ïðîöåññà äëÿ ñâîáîäíûõ
íîñèòåëåé çàðÿäà ïðîïîðöèîíàëüíà êâàäðàòó èõ
êîíöåíòðàöèè. Ïðè ðàññòîÿíèè ìåæäó âçàèìîäåé-
ñòâóþùèìè ÷àñòèöàìè ïîðÿäêà 10 íì (÷òî ñîîò-
âåòñòâóåò îáúåìíîé ïëîòíîñòè îêîëî 1018 ñì–3)
ñå÷åíèå îæå-ðàññåÿíèÿ ñðàâíèìî ñ ñå÷åíèåì êðè-
ñòàëëè÷åñêîé ÿ÷åéêè (*10–15 ñì2), ò.å. ïðåâîñõî-
äèò äàæå ñå÷åíèå ýëåêòðîí-ôîíîííîãî âçàèìîäåé-
ñòâèÿ [6]. Ïîýòîìó îæå-ðàññåÿíèå ÿâëÿåòñÿ
îñíîâíûì äèíàìè÷åñêèì ïðîöåññîì, îïðåäåëÿþ-
ùèì âðåìÿ æèçíè å–h ïàð, âðåìÿ áåçûçëó÷àòåëü-
íîé ðåêîìáèíàöèè è äðóãèå êèíåòè÷åñêèå ïàðà-
ìåòðû ñèñòåìû.
Ñ âûñîêîé ýôôåêòèâíîñòüþ îæå-ïðîöåññà ìû
ñâÿçûâàåì ýôôåêòèâíîå çàñåëåíèå ëîâóøå÷íûõ
ñîñòîÿíèé (â òîì ÷èñëå äåôåêòíîé ïðèðîäû), ëî-
êàëèçîâàííûõ â ïåðèôåðèéíûõ îáîëî÷êàõ, ÷òî
ïðîÿâëÿåòñÿ â óêàçàííûõ îñîáåííîñòÿõ ñïåêòðîâ
ÔË, ñèãíàëîâ ÒÑË è ÒË, à òàêæå èõ çàâèñèìîñòè
îò òåõíîëîãè÷åñêèõ óñëîâèé ïðèãîòîâëåíèÿ îá-
ðàçöîâ íàíîñòðóêòóðèðîâàííîãî êðåìíèÿ. Çàìå-
òèì, ÷òî ýôôåêòèâíîñòü îæå-ïðîöåññà òåì âûøå,
÷åì ìåíüøå ðàçìåð íàíîêðèñòàëëèòà. Ïîýòîìó
áîëåå èíòåíñèâíûå ñèãíàëû ÒÑË è ÒË íàáëþäà-
ëèñü äëÿ îáðàçöîâ ñ ìåíüøèìè (â ñðåäíåì) ðàç-
ìåðàìè íàíîêðèñòàëëèòîâ.
 çàêëþ÷åíèå îòìåòèì îòëè÷èÿ äàííîé ìîäåëè
îò ïðåäëîæåííîé àâòîðàìè ðàáîòû [6]. Â [6] ðàñ-
ñìàòðèâàåòñÿ ïðîöåññ, êîòîðûé çàêàí÷èâàåòñÿ ïå-
ðåõîäîì íàíîêðèñòàëëèòà â áåçûçëó÷àòåëüíîå ñî-
ñòîÿíèå (ñîîòâåòñòâóåò ðèñ. 11,â), ïðè ýòîì
íåïîëíàÿ äåãðàäàöèÿ ÔË îáúÿñíÿåòñÿ ÷àñòè÷íûì
òåðìè÷åñêè àêòèâèðîâàííûì âûñâîáîæäåíèåì
ýëåêòðîíîâ, çàõâà÷åííûõ íà ïåðèôåðèéíûå ñëîè.
Îäíàêî èç íàøèõ ðåçóëüòàòîâ ïî ÒÑË ñëåäóåò,
÷òî îñíîâíàÿ ÷àñòü íîñèòåëåé çàðÿäà çàõâà÷åííûõ
ëîâóøêàìè, îñâîáîæäàåòñÿ ïðè Ò > 50 Ê. Ïîýòî-
ìó äëÿ îáúÿñíåíèÿ êîëè÷åñòâåííûõ ïîêàçàòåëåé
äåãðàäàöèè ñïåêòðà ÔË (îñîáåííî âáëèçè ãåëèå-
âîé òåìïåðàòóðû) íåäîñòàòî÷íî ó÷èòûâàòü òîëüêî
òåïëîâîé âîçâðàò, çàõâà÷åííûõ íîñèòåëåé: ìàêñè-
ìàëüíàÿ ñòåïåíü äåãðàäàöèè ÔË íå ïðåâûøàåò
òðåõ ðàç äàæå ïðè Ò = 4,2 Ê. Ïîýòîìó ìû ðàçâè-
ëè ïðåäëîæåííóþ àâòîðàìè [6] ìîäåëü, ðàñøè-
ðèâ äåéñòâèå îæå-ïðîöåññà íà äûðî÷íóþ êîìïî-
íåíòó ýëåêòðîííîé ïîäñèñòåìû êðåìíèåâîãî ÿäðà
è ïðåäïîëîæèâ âîçìîæíîñòü ìíîãîêðàòíîãî ïî-
âòîðåíèÿ ïðîöåññà â ïðåäåëàõ îäíîãî íàíîêðè-
ñòàëëèòà.  ðåçóëüòàòå, âî âíåøíèõ îáîëî÷êàõ
êðèñòàëëèòà íàêàïëèâàþòñÿ ñâÿçàííûå íîñèòåëè
çàðÿäà, ðåêîìáèíàöèÿ êîòîðûõ ïðîÿâëÿåòñÿ â
îñîáåííîñòÿõ ÒÑË è ÒË.
Çàêëþ÷åíèå
Ëþìèíåñöåíòíûå ñâîéñòâà ñèñòåìû êðåìíèå-
âûõ íàíî÷àñòèö ñóùåñòâåííî çàâèñÿò îò èõ ñðåä-
íèõ ðàçìåðîâ è ñòðóêòóðíîé íåîäíîðîäíîñòè.
Âëèÿíèå ðàçìåðíîãî ôàêòîðà ïðîÿâëÿåòñÿ íå
òîëüêî â èçìåíåíèè ñïåêòðàëüíîãî ñîñòàâà èçëó-
÷åíèÿ âñëåäñòâèå èçìåíåíèÿ øèðèíû çàïðåùåí-
íîé çîíû íàíîêðèñòàëëèòà, íî è â ýôôåêòèâíîñòè
îæå-ïðîöåññà, ñå÷åíèå êîòîðîãî îáðàòíî ïðîïîð-
öèîíàëüíî åãî ðàçìåðó. Ïðåäëîæåíà ìîäåëü
«äâóõòàêòíîãî çàðÿäîâîãî ïîðøíÿ», äâèæóùåé
ñèëîé êîòîðîãî ñëóæèò îæå-ïðîöåññ, îáåñïå-
÷èâàþùèé âûòàëêèâàíèå íîñèòåëåé çàðÿäà èç ôî-
òîâîçáóæäåííîãî êðåìíèåâîãî ÿäðà íà åãî ïå-
ðèôåðèéíûå îêñèäíûå îáîëî÷êè ñ ïîñëåäóþùåé
ëîêàëèçàöèåé íîñèòåëåé íà íèõ. Îñîáåííîñòüþ
ìîäåëè ÿâëÿåòñÿ ðàñïðîñòðàíåíèå äåéñòâèÿ îæå-
ïðîöåññà ïîñëåäîâàòåëüíî íà ýëåêòðîííóþ è äû-
ðî÷íóþ êîìïîíåíòû êðåìíèåâîãî ÿäðà. Ïðåäëî-
æåííàÿ ìîäåëü ñ åäèíûõ ïîçèöèé îáúÿñíÿåò âåñü
êîìïëåêñ ïîëó÷åííûõ ýêñïåðèìåíòàëüíûõ ðå-
çóëüòàòîâ: íåìîíîòîííóþ òåìïåðàòóðíóþ çàâèñè-
ìîñòü èíòåãðàëüíîé èíòåíñèâíîñòè ÔË è ñìåùå-
íèå òî÷êè ýêñòðåìóìà ýòîé çàâèñèìîñòè ïðè
èçìåíåíèè ïëîòíîñòè âîçáóæäåíèÿ, íàñûùåíèå
ëþêñ-èíòåíñèâíîñòíîé õàðàêòåðèñòèêè îñíîâíîé
ïîëîñû ÔË, ýôôåêò «óñòàëîñòè» èçëó÷åíèÿ â
ñïåêòðàõ ÔË, îñîáåííîñòè ñèãíàëà ÒÑË, íàëè÷èå
òóííåëüíîé êîìïîíåíòû ëþìèíåñöåíöèè è áîëåå
âûñîêóþ èíòåíñèâíîñòü ÒÑË è ÒË äëÿ îáðàçöîâ ñ
ìåíüøèìè ñðåäíèìè ðàçìåðàìè íàíîêðèñòàëëè-
òîâ. Ïðåäëîæåííàÿ ìîäåëü íîñèò îáùèé õàðàêòåð
è ìîæåò ïðèâëåêàòüñÿ äëÿ îáúÿñíåíèÿ îñîáåííî-
ñòåé ëþìèíåñöåíöèè â àíñàìáëÿõ íàíî÷àñòèö
äðóãèõ ïîëóïðîâîäíèêîâ.
Ðàáîòà âûïîëíåíà â ðàìêàõ ãðàíòà «Ýëåêòðè-
÷åñêèå è îïòè÷åñêèå ñâîéñòâà íàíîñòðóêòóð íà îñ-
íîâå êðåìíèÿ è ãåðìàíèÿ» Ìåæãîñóäàðñòâåííîé
986 Ôèçèêà íèçêèõ òåìïåðàòóð, 2002, ò. 28, ¹ 8/9
È. Â. Áëîíñêèé, Ì. Ñ. Áðîäèí, À. Þ. Âàõíèí, À. ß. Æóãàåâè÷, Â. Í. Êàäàí, À. Ê. Êàäàùóê
ðîññèéñêî-óêðàèíñêîé ïðîãðàììû «Íàíîôèçèêà
è íàíîýëåêòðîíèêà».
1. O. Bisi, S. Ossicini, and L. Pavesi, Surf. Sci. Rep.
38, 1 (2000).
2. P. Hess, Progress in Photothermal and
Photoacoustic Science and Technology, ser. Semi-
conductors and Electronic Materials, vol. IV, SPIE
Press, Washington, Bellingham (2000).
3. S. V. Bravina, I. V. Blonskyy, N. V. Morozovsky,
and V. O. Salnikov, Ferroelectrics 254, 65 (2001).
4. Ì. Ñ. Áðîäèí, È. Â. Áëîíñêèé, Â. À. Òõîðèê,
Ïèñüìà â ÆÝÒÔ 20, âûï. 14, 41 (1994).
5. I. V. Blonskyy, M. S. Brodin, and V. A. Thoryk,
Semicond. Sci. Technol. 12, 11 (1997).
6. D. Kovalev, B. Averboukh, M. Ben-Chorin,
F. Koch, A. L. Efros, and M. Rosen, Phys. Rev.
Lett. 77, 2089 (1996).
7. X. Guo and G. D. Mendenhall, Chem. Phys. Lett.
152, 146 (1988).
8. A. Kadashchuk, Yu. Skryshevskii, A. Vakhnin,
N. Ostapenko, V. I. Arkhipov, E. V. Emelianova,
and H. Bässler, Phys. Rev. B63, 115205 (2001).
9. A. Kadashchuk, D. S. Weiss, P .M. Borsenberger,
S. Nespurek, N. Ostapenko, and V. Zaika, Chem.
Phys. 247, 307 (1999).
10. I. A. Tale, Phys. Status Solidi A66, 65 (1981).
11. Ñ. Í. Áàùåíêî, È. Â. Áëîíñêèé, Ì. Ñ. Áðîäèí,
Â. Í. Êàäàí, Þ. À. Ñêðûøåâñêèé, ÆÒÔ 71, âûï.
1, 66 (2001).
12. A. Kux, D. Kovalev, and F. Koch, Appl. Phys.
Lett. 66, 49 (1995).
13. D. E. Aboltin, V. J. Grabovskis, A. R. Kangro, Ch.
Lushchik, A. A. O’Konnel-Bronin, I. K. Vitol, and
V. E. Zizap, Phys. Status Solidi A47, 667 (1978).
14. E. A. Kotomin, and A. B. Doktorov, Phys. Status
Solidi B114, 287 (1982).
15. Ê. Ã. Çàìàðàåâ, Ð. Ô. Çàéðóòäèíîâ, Â. Ï. Æäà-
íîâ, Ýëåêòðîííîå òóííåëèðîâàíèå â õèìèè: õè-
ìè÷åñêèå ðåàêöèè íà áîëüøèõ ðàññòîÿíèÿõ, Íàó-
êà, Íîâîñèáèðñê (1985).
16. A. Miller and E. Abrahams, Phys. Rev. 120, 745
(1960).
17. J. W. Haus and K. W. Kehr, Phys. Rep. 150, 263
(1987).
Influence of structure inhomogeneity
on luminescence properties of silicon
nanocrystallites
I. V. Blonskyy, M. S. Brodyn, A. Yu. Vakhnin,
A. Ya. Zhugayevych, V. M. Kadan, and
A. K. Kadashchuk
The peculiarities of photoluminescence of
different forms of nanostructured silicon, and
the manifestation of thermally stimulated- and
tunneling luminescence due to spatial separa-
tion of nonequilibrium charge carriers between
the photoexcited silicon core and its envelo-
ping SiOx and SiO2 layers are considered. A
model of «two-stroke charge piston» was pro-
posed, which is based on the Auger process af-
fecting sequentially a hole and electron, which
occurs under the condition of spatial confine-
ment and provides space separation of charge
carriers.
Ôèçèêà íèçêèõ òåìïåðàòóð, 2002, ò. 28, ¹ 8/9 987
Âëèÿíèå íåîäíîðîäíîñòè ñòðóêòóðû íà ëþìèíåñöåíòíûå ñâîéñòâà
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-128676 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0132-6414 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T18:24:21Z |
| publishDate | 2002 |
| publisher | Фізико-технічний інститут низьких температур ім. Б.І. Вєркіна НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Блонский, И.В. Бродин, М.С. Вахнин, А.Ю. Жугаевич, А.Я. Кадан, В.Н. Кадащук, А.К. 2018-01-13T11:50:54Z 2018-01-13T11:50:54Z 2002 Влияние неоднородности структуры на люминесцентные свойства кремниевых нанокристаллитов / И.В. Блонский, М.С. Бродин, А.Ю. Вахнин, А.Я. Жугаевич, В.Н. Кадан, А.К. Кадащук // Физика низких температур. — 2002. — Т. 28, № 8-9. — С. 978-987. — Бібліогр.: 17 назв. — рос. 0132-6414 PACS: 78.55.-m, 73.63.-b https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/128676 Исследованы особенности фотолюминесценции различных форм наноструктурированного кремния, а также проявления термо- и туннельной люминесценции, обусловленные разделением неравновесных носителей заряда между фотовозбужденным кремниевым ядром и его периферийными оболочками SiOx и SiO₂. Предложена модель "двухтактного зарядового поршня", действующего последовательно на электронную и дырочную компоненты посредством оже-процесса, который происходит в условиях ограниченного объема и обеспечивает пространственное разделение носителей заряда. Досліджено особливості фотолюмінесценції різних форм наноструктурованого кремнію, а також прояви термо- і тунельної люмінесценції, які обумовлені розділенням
 нерівноважних носіїв заряду між фотозбудженим кремнієвим ядром та його периферійними оболонками SiOx та SiO₂. Запропоновано модель «двотактного зарядового поршня»,
 дія якого спрямована послідовно на електронну та діркову компоненти внаслідок
 оже-процесу, що відбувається в умовах обмеженого об’єму і забезпечує просторове
 розділення носіїв заряду. The features of the photoluminescence and the manifestation of thermally stimulated and tunneling luminescence due to the separation of nonequilibrium charge carriers between the photoexcited silicon core of a nanocrystallite and its peripheral layers of SiOx and SiO₂ are investigated for different forms of nanostructured silicon. A model is proposed wherein a “two-stroke charge piston” acts in turn on the electron and hole components by means of an Auger process which occurs under restricted volume conditions and brings about a spatial separation of the charge carriers. Работа выполнена в рамках гранта «Электрические и оптические свойства наноструктур на основе кремния и германия» Межгосударственной
 российско-украинской программы «Нанофизика
 и наноэлектроника» ru Фізико-технічний інститут низьких температур ім. Б.І. Вєркіна НАН України Физика низких температур Дефекты в кристаллах Влияние неоднородности структуры на люминесцентные свойства кремниевых нанокристаллитов Influence of structural inhomogeneity on the luminescence properties of silicon nanocrystallites Article published earlier |
| spellingShingle | Влияние неоднородности структуры на люминесцентные свойства кремниевых нанокристаллитов Блонский, И.В. Бродин, М.С. Вахнин, А.Ю. Жугаевич, А.Я. Кадан, В.Н. Кадащук, А.К. Дефекты в кристаллах |
| title | Влияние неоднородности структуры на люминесцентные свойства кремниевых нанокристаллитов |
| title_alt | Influence of structural inhomogeneity on the luminescence properties of silicon nanocrystallites |
| title_full | Влияние неоднородности структуры на люминесцентные свойства кремниевых нанокристаллитов |
| title_fullStr | Влияние неоднородности структуры на люминесцентные свойства кремниевых нанокристаллитов |
| title_full_unstemmed | Влияние неоднородности структуры на люминесцентные свойства кремниевых нанокристаллитов |
| title_short | Влияние неоднородности структуры на люминесцентные свойства кремниевых нанокристаллитов |
| title_sort | влияние неоднородности структуры на люминесцентные свойства кремниевых нанокристаллитов |
| topic | Дефекты в кристаллах |
| topic_facet | Дефекты в кристаллах |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/128676 |
| work_keys_str_mv | AT blonskiiiv vliânieneodnorodnostistrukturynalûminescentnyesvoistvakremnievyhnanokristallitov AT brodinms vliânieneodnorodnostistrukturynalûminescentnyesvoistvakremnievyhnanokristallitov AT vahninaû vliânieneodnorodnostistrukturynalûminescentnyesvoistvakremnievyhnanokristallitov AT žugaevičaâ vliânieneodnorodnostistrukturynalûminescentnyesvoistvakremnievyhnanokristallitov AT kadanvn vliânieneodnorodnostistrukturynalûminescentnyesvoistvakremnievyhnanokristallitov AT kadaŝukak vliânieneodnorodnostistrukturynalûminescentnyesvoistvakremnievyhnanokristallitov AT blonskiiiv influenceofstructuralinhomogeneityontheluminescencepropertiesofsiliconnanocrystallites AT brodinms influenceofstructuralinhomogeneityontheluminescencepropertiesofsiliconnanocrystallites AT vahninaû influenceofstructuralinhomogeneityontheluminescencepropertiesofsiliconnanocrystallites AT žugaevičaâ influenceofstructuralinhomogeneityontheluminescencepropertiesofsiliconnanocrystallites AT kadanvn influenceofstructuralinhomogeneityontheluminescencepropertiesofsiliconnanocrystallites AT kadaŝukak influenceofstructuralinhomogeneityontheluminescencepropertiesofsiliconnanocrystallites |