Структура та властивості поруватого кремнію, що утворюється при електрохімічному розчиненні монокристала
The structure of porous Si has been studied by scanning electron microscopy (SEM) and atomic force microscopy (AFM) as dependent on the conditions of electrochemical dissolution of single-crystal p–type silicon. The formation has been found of two-layer nanoporous silicon polymer film, of microporou...
Saved in:
| Date: | 2004 |
|---|---|
| Main Authors: | , |
| Format: | Article |
| Language: | Ukrainian |
| Published: |
Chuiko Institute of Surface Chemistry National Academy of Sciences of Ukraine
2004
|
| Online Access: | https://surfacezbir.com.ua/index.php/surface/article/view/141 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Surface |
| Download file: |  |
Institution
Surface| _version_ | 1869291235594731520 |
|---|---|
| author | Gorbanyuk, T. I. Solntsev, V. S. |
| author_facet | Gorbanyuk, T. I. Solntsev, V. S. |
| author_institution_txt_mv | [
{
"author": "T. I. Gorbanyuk",
"institution": "Інститут фізики напівпровідників Національної академіії наук України"
},
{
"author": "V. S. Solntsev",
"institution": "Київський національний університет ім. Тараса Шевченка"
}
] |
| author_sort | Gorbanyuk, T. I. |
| baseUrl_str | |
| collection | OJS |
| datestamp_date | 2018-11-27T09:41:38Z |
| description | The structure of porous Si has been studied by scanning electron microscopy (SEM) and atomic force microscopy (AFM) as dependent on the conditions of electrochemical dissolution of single-crystal p–type silicon. The formation has been found of two-layer nanoporous silicon polymer film, of microporous layer with incorporated amorphous silicon particles, or of polished silicon surface. |
| first_indexed | 2025-07-22T19:30:35Z |
| format | Article |
| fulltext |
Хімія, фізика та технологія поверхні. 2004. Вип. 10. С.65-68
65
УДК 535.36.37+537.2+539.219
СТРУКТУРА ТА ВЛАСТИВОСТІ ПОРУВАТОГО
КРЕМНІЮ, ЩО УТВОРЮЄТЬСЯ ПРИ
ЕЛЕКТРОХІМІЧНОМУ РОЗЧИНЕННІ МОНОКРИСТАЛА
Т.І. Горбанюк, В.С. Солнцев*
Інститут фізики напівпровідників Національної академіії наук України
Просп. Науки 45, 03028 Київ-28
*Київський національний університет ім. Тараса Шевченка, радіофізичний факультет
Просп. акад. Глушкова 2, корпус 5, 03127 Київ-127; e-mail: Solarstar@rambler.ru
Досліджено структуру поруватого кремнію методами скануючої електронної
мікроскопії (СЕМ) та атомної силової мікроскопії (АСМ) в залежності від режимів
електрохімічного процесу розчинення монокристалічного кремнію р-типу. Встановлено,
що при анодному розчиненні можливе утворення двохшарової нанопоруватої полімерної
плівки кремнію, мікропоруватого шару з включеннями аморфного кремнію або полірованої
поверхні кремнію.
The structure of porous Si has been studied by scanning electron microscopy (SEM) and
atomic force microscopy (AFM) as dependent on the conditions of electrochemical dissolution of
single-crystal p–type silicon. The formation has been found of two-layer nanoporous silicon
polymer film, of microporous layer with incorporated amorphous silicon particles, or of polished
silicon surface.
Вступ
Розвинена поверхня і висока хімічна активність робить поруватий кремній
перспективним матеріалом для створення на його основі високочутливих та селективних
сенсорів [1, 2]. В цій роботі викладено результати досліджень процесів формування
поруватого шару на поверхні монокристалічного кремнію в залежності від режимів
травлення і перебігу адсорбційно-десорбційних процесів на поверхні.
Експериментальна частина
Поруватий кремній одержували методом анодного розчинення кремнієвої підкладинки
p–типу з питомим опором 10 Ом·см та орієнтацією (100) в розчині плавикової кислоти та
етилового спирту з концентрацією HF 20-80% при густині струму j=10-50 мА/см2 протягом
5-30 хв. Структура пористого кремнію досліджувалася методами скануючої електронної та
атомної силової мікроскопії.
Для дослідження адсорбційних властивостей були сформовані структури метал–
поруватий кремній-кремній. В деяких структурах як каталітично активний електрод
використовувалися біметалічні плівки мідь-паладій завтовшки ~100-200 та ~400-500Å
відповідно. Для цього на поверхню плівки поруватого кремнію методом магнетронного
розпилення через металеву маску було нанесено шари паладію та міді. Швидкість
розпилення дорівнювала ~1 Å/с. При нанесенні плівок металу підкладинка спеціально не
підігрівалась, але її температура становила 50-60°С внаслідок дії аргонової плазми при
mailto:Solarstar@rambler.ru
66
розпиленні металевих мішеней. Виміри температури підкладинки проводились з хромель-
алюмельовою термопарою.
Результати та їхнє обговорення
Режими одержання поруватого кремнію
При одержанні шарів поруватого кремнію застосовано концентровані (80% HF) і
розведені розчини (20% HF) електролітів. При застосуванні електроліту з певним
значенням концентрації HF, було встановлено, що існують різні режими формування
поруватого кремнію в залежності від густини струму, яким відповідає критична густина
струму j1 та j2.
Якщо густина струму при встановленій концентрації нижча за j1, на поверхні
кремнієвої підкладинки утворюється двохшарова система з нанопоруватої полімерної
плівки. В роботі [3] методом ІЧ-спектроскопії показано, що при анодному розчиненні
кремнію на поверхні виникає полімеризована плівка з гідридів, оксидів та фторидів.
При j1<j<j2 відбувається формування мікропоруватого шару з включеннями аморфного
кремнію. При j>j2 починається електрополіровка та вирівнювання поверхні кремнію.
Дослідження структури методами СЕМ і АСМ
На рис. 1 наведено мікрофотографії поверхні полімерної плівки за даними СЕМ при
різному збільшені. Плівка має добре розвинену рельєфну структуру.
a б
Рис. 1. Структура поверхні полімерної плівки за даними СЕМ (поверхня
під кутом 60о): збільшено у 1000 (а) та 10000 (б) разів.
Вивчення відколу таких структур (рис. 2, а) на скануючому електронному мікроскопі
показало, що нанопорувата полімерна плівка складається з двох шарів: верхнього пухкого
та нижнього більш щільного та однорідного. Дослідження поверхні кремнію на атомному
силовому мікроскопі після витравлювання полімерної плівки виявило присутність шару
мікропоруватого кремнію (рис. 2, б).
В діапазоні густини струму j1<j<j2 на поверхні виникає шар мікропоруватого
аморфного кремнію. На рис. 3 показано СЕМ зображення морфології поверхні такої
67
структури. Плівки мікропоруватого аморфного кремнію, одержані в аналогічних умовах,
були досліджені раніше в роботі [4].
a б
Рис. 2. Відкол за даними СЕМ (а) та поверхня (б) поруватого кремнію
за даними АСМ.
Рис. 4. Структура мікропоруватого шару
з включеннями аморфного кремнію
за даними СЕМ.
Адсорбційна чутливість
Для дослідження адсорбційної чутливості були сформовані два типи структур
Cu/Pd-поруватий Si-Si: (а) з нанопоруватою полімерною плівкою та (б) з мікропоруватим
кремнієм. Газова чутливість до дії водню та кисню перевірялась за зміною вольтамперних
характеристик при концентрації газів 1:2000. На рис. 4 показана зміна вольтамперної
характеристики під дією газів. Вихідна крива 1 виміряна в азоті. Крива 2 демонструє зміну
вольтамперної характеристики під дією водню, крива 3 - під дією кисню. Вихідні
характеристики були типовими для структур з бар’єром Шотки.
Встановлено, що структури, сформовані на нанопоруватому кремнії, мають коефіцієнт
випрямлення (Іпр/Ізвор) ~102. Газочутливим виявився прямий струм, який або зростав (при
адсорбції кисню), або зменшувався (при адсорбції водню) в декілька разів (рис. 4, а). Для
68
структур, сформованих на мікропоруватому кремнії, коефіцієнт випрямлення складав 3-5,
чутливим до адсорбції водню та кисню був зворотний струм (рис. 4, б).
-1,5 -1,0 -0,5 0,0 0,5 1,0 1,5
0
20
40
60
80
100
120
140
160
I,мкА
3
2
1
O2-500ppm(N2)
N2
H2-500ppm(N2)
U, B
-2,0 -1,5 -1,0 -0,5 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0
-400
-200
0
200
400
600
800
3
2
1 N2
O2-500ppm(N2)
H2-500ppm(N2)
I,мкА
U, B
a б
Рис. 4. Вольтамперні характеристики структур типу а (зміна прямої гілки під дією
H2 та O2) та б (зміна зворотної гілки під дією H2 та O2).
Чутливість до адсорбції газових молекул даних структур пояснюється таким чином.
При адсорбції водню або кисню відбувається дисоціація молекул з подальшою дифузією
на межу поділу метал–поруватий кремній, де відбувається поляризація атомів газу під дією
контактної різниці потенціалів метал-напівпровідник. Додаткове електричне поле
поляризованих атомів змінює висоту бар’єра Шотки і, відповідно, величину струму, що
реєструється.
Висновки
Досліджено особливості формування пористого Si з різною структурою поверхні.
Вивчено різні режими одержання поруватого кремнію. Методами СЕМ та АСМ
встановлено, що при густині струму j <j1 утворюється двохшарова система нанопоруватої
полімерної плівки. В діапазоні j1<j<j2 утворюється мікропоруватий шар з включеннями
аморфного кремнію.
Роботу виконано при частковій підтримці Державного Фонду фундаментальних
досліджень (проект Ф7/274-2001).
Література
1. Свечников С.В., Саченко А.В., Сукач Г.А., Евстигнеев А.М., Каганович Э.Б.
Светоизлучающие слои пористого кремния: получение, свойства и пременение //
Оптоэлектроника и полупроводниковая техника. - 1994. - Вып. 27. - С.3-29.
2. Polishuk V., Souteyrand E., Martin J.R., Stricha V.I., Skyshevsky V.A. A study of hydrogen
detection with palladium modified porous silicon // Anal. Сhim. Аcta. – 1998. –V. 375. –
P.205-210.
3. Beckmann K.N. Investigation of the chemical properties of stain films on silicon by means of
infrared spectroscopy // Surface Sci. - 1965. – N 3. - P.314-332.
4. Горячев Д.Н., Беляков Л.В., Сресели О.М. О механизме образования пористого
кремния // Физ. и техн. полупроводников. – 2000. – Т. 34. – С.1130–1134.
Інститут фізики напівпровідників Національної академіії наук України
*Київський національний університет ім. Тараса Шевченка, радіофізичний факультет
Просп. акад. Глушкова 2, корпус 5, 03127 Київ-127; e-mail: Solarstar@rambler.ru
Просп. акад. Глушкова 2, корпус 5, 03127 Київ-127; e-mail: Solarstar@rambler.ru
Просп. акад. Глушкова 2, корпус 5, 03127 Київ-127; e-mail: Solarstar@rambler.ru
Результати та їхнє обговорення
Результати та їхнє обговорення
Результати та їхнє обговорення
Режими одержання поруватого кремнію
Адсорбційна чутливість
Висновки
|
| id | oai:ojs.pkp.sfu.ca:article-141 |
| institution | Surface |
| keywords_txt_mv | keywords |
| language | Ukrainian |
| last_indexed | 2026-03-12T17:04:20Z |
| publishDate | 2004 |
| publisher | Chuiko Institute of Surface Chemistry National Academy of Sciences of Ukraine |
| record_format | ojs |
| resource_txt_mv | surfacezbircomua/61/c56bb33c67be8e9840298c5ba0a06161.pdf |
| spelling | oai:ojs.pkp.sfu.ca:article-1412018-11-27T09:41:38Z Structure and properties of porous silicon prepared at monocrystal electrochemical dissolution Structure and properties of porous silicon prepared at monocrystal electrochemical dissolution Структура та властивості поруватого кремнію, що утворюється при електрохімічному розчиненні монокристала Gorbanyuk, T. I. Solntsev, V. S. The structure of porous Si has been studied by scanning electron microscopy (SEM) and atomic force microscopy (AFM) as dependent on the conditions of electrochemical dissolution of single-crystal p–type silicon. The formation has been found of two-layer nanoporous silicon polymer film, of microporous layer with incorporated amorphous silicon particles, or of polished silicon surface. The structure of porous Si has been studied by scanning electron microscopy (SEM) and atomic force microscopy (AFM) as dependent on the conditions of electrochemical dissolution of single-crystal p–type silicon. The formation has been found of two-layer nanoporous silicon polymer film, of microporous layer with incorporated amorphous silicon particles, or of polished silicon surface. Досліджено структуру поруватого кремнію методами скануючої електронної мікроскопії (СЕМ) та атомної силової мікроскопії (АСМ) в залежності від режимів електрохімічного процесу розчинення монокристалічного кремнію р-типу. Встановлено, що при анодному розчиненні можливе утворення двохшарової нанопоруватої полімерної плівки кремнію, мікропоруватого шару з включеннями аморфного кремнію або полірованої поверхні кремнію. Chuiko Institute of Surface Chemistry National Academy of Sciences of Ukraine 2004-06-16 Article Article application/pdf https://surfacezbir.com.ua/index.php/surface/article/view/141 Surface; No. 10 (2004): Chemistry, Physics and Technology of Surface; 65-68 Поверхность; № 10 (2004): Химия, физика и технология поверхности; 65-68 Поверхня; № 10 (2004): Хімія, фізика та технологія поверхні; 65-68 3154-8091 3154-8083 uk https://surfacezbir.com.ua/index.php/surface/article/view/141/140 Авторське право (c) 2004 Т.І. Горбанюк, В.С. Солнцев |
| spellingShingle | Gorbanyuk, T. I. Solntsev, V. S. Структура та властивості поруватого кремнію, що утворюється при електрохімічному розчиненні монокристала |
| title | Структура та властивості поруватого кремнію, що утворюється при електрохімічному розчиненні монокристала |
| title_alt | Structure and properties of porous silicon prepared at monocrystal electrochemical dissolution Structure and properties of porous silicon prepared at monocrystal electrochemical dissolution |
| title_full | Структура та властивості поруватого кремнію, що утворюється при електрохімічному розчиненні монокристала |
| title_fullStr | Структура та властивості поруватого кремнію, що утворюється при електрохімічному розчиненні монокристала |
| title_full_unstemmed | Структура та властивості поруватого кремнію, що утворюється при електрохімічному розчиненні монокристала |
| title_short | Структура та властивості поруватого кремнію, що утворюється при електрохімічному розчиненні монокристала |
| title_sort | структура та властивості поруватого кремнію, що утворюється при електрохімічному розчиненні монокристала |
| url | https://surfacezbir.com.ua/index.php/surface/article/view/141 |
| work_keys_str_mv | AT gorbanyukti structureandpropertiesofporoussiliconpreparedatmonocrystalelectrochemicaldissolution AT solntsevvs structureandpropertiesofporoussiliconpreparedatmonocrystalelectrochemicaldissolution AT gorbanyukti strukturatavlastivostíporuvatogokremníûŝoutvorûêtʹsâprielektrohímíčnomurozčinennímonokristala AT solntsevvs strukturatavlastivostíporuvatogokremníûŝoutvorûêtʹsâprielektrohímíčnomurozčinennímonokristala |