Перспективы исследования нитевидных нанокристаллов фосфида индия методом микроскопии пьезоотклика

Перспективы исследования нитевидных нанокристаллов фосфида индия методом микроскопии пьезоотклика[1]

Фоминых Анатолий Кириллович, магистрант

Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» имени В. И. Ульянова (Ленина)

Данная статья посвящена рассмотрению перспектив изучения и применения нитевидных нанокристаллов фосфида индия, преимуществу использования метода микроскопии пьезоотклика.

Ключевые слова: АСМ, микроскопия пьезоотклика, фосфид индия, наностержни, наноструктуры, нанодиагностика

Весьма перспективным направлением современно науки является изучение нитевидных нанокристаллов (нанонити, нанопроволоки, наностержни), так как изучение подобных наноструктур требует высокой разрешющей способности от применямых измерительных приборов. Нитевидные нанокристаллы это весьма перспективная область материаловедения, возможности применения таких структур очень широки. Например в области фотовольтаики для создание солнечных элементов, в термоэлектричеих и пьезоэлектрических устройствах, для создания p-n переходов и транзисторов, в качестве активных областей различных датчиков и сенсоров итд. [1–3]

На данный момент, атомно-силовая микроскопия используется повсеместно для изучения свойств различных материалов. С учетом повышенного внимания как научного сообщества, так и общественности в целом к нанотехнологиям, особенно востребованой становиться такое преимущество АСМ, как высокая разрешающая способность. Это позволяет изучать не только интегральные, но и локальные характеристики исследуемых материалов и наноразмерных приборов. [4–7]

Пьезоэлектрическая силовая микроскопия — один из режимов работы АСМ, позволяющий получить информацию о электромеханических характеристиках различных сегнетоэлектрических, пьезоэлектрических, полимерных и биологических материалов.

В режиме микроскопии пьезоотклика зонд АСМ проводимости входит в контакт с поверхностью изучаемого сегнетоэлектрического и пьезоэлектрического материала, и создается заданное напряжение между поверхностью образца и зондом АСМ, создавая электрическое поле в области образца. Благодаря такому эффекту как электрострикция (обратный пьезоэлектрический эффект), различных сегнетоэлектрических или пьезоэлектрических материалов, образец способен локально увеличиваться или уменьшаться в зависимости от направления приложенного внешнего электрического поля. Например, если изначальная поляризация электрического домена измеренного образца перпендикулярна поверхности образца, параллельна и совпадает по направлению с приложенным электрическим полем, домены будут испытывать вертикальное расширение. Так как зонд АСМ находится в контакте с поверхностью образца, подобное расширение доменов приводит к механическому отклонению кантилевера АСМ вверх. В результате происходит увеличение отклонения кантилевера по сравнению с тем, которое существовало до приложения электрического поля. Соответственно, если первичная поляризация домена параллельна, но не совпадает по направлению с внешним электрическим полем, то домен будет уменьшаться в размере, что приводит к снижению отклонения кантилевера. Величина изменения отклонения кантилевера в подобных случаях непосредственно связана с расширением или сокращением электрических доменов образца, следовательно, пропорциональна приложенному электрическому полю и зависит от свойств образца. [8–11]

Самыми известными методами создания нанопроводов, на текущий момент, являются подвешивание и напыление. В первом методе тонкий обычный провод подвешивают в вакуумной камере и уменьшают его толщину либо травлением, либо обстреливая его высокоэнергетичными частицами, либо вытягивая его из расплава. Второй метод является более распространенным — нанпровода фосфида индия, выращиваются на подложках, например кремниевых) в MOCVD камере методом роста ПЖК (пар-жидкость-кристалл) из жидкой капли металла. (MOCVD — осаждение металлорганических соединений из газообразной фазы.)

Рис. 1. рост кристалла InP

На кремниевые пластины наносится капля золота, малого диаметра, порядка единиц нм, на которых происходит кристаллизация InP. Так как реакция происходит только на границе с золотом, то происходит рост «вниз», т. е. на вершине нанопровода оказывается капля золота. Длинна нанопроводов и угол наклона к подложке урегулируются параметрами камеры и процесса напыления. Во время выращивания нанопроводов можно проводить их легирование.

Обычно фосфид индия имеет кристаллическую структуру сфалерита, однако предполагается, что в исследуемых образцах в более узкой части может существовать кристаллическая решетка типа вюрцита.

Рис. 2. А — структура типа сфалерита, б — типа вюрцита

В кристаллической структуре типа вюрцита может наблюдаться пьезоэффект. В связи с размерами структур, наиболее логично проводить измерения с помошью атомно-силового микроскопа в режиме пьезоэлектрической силовой микроскопии. [12] Свойства подобных структур будут зависеть от множества факторов: длинны, диаметра сечения, однородности строения, уровня легирования. Все эти параметры можно так или иначе контролировать.

Заключение

Исследование пьезоэлектрических свойств нанопроводов фосфида индия является весьма перспективным направлением, так как подобные структуры могут найти широкое применение. На данный момент уже существует достаточно большое число публикаций о применении аналогичных проводов в солнечной энергетике, причем их использование значительно повышает кпд. Нанопровода фосфида индия так же зачастую используются для создания различных оптоэлектронных приборов, различных сенсоров и датчиков, в каестве активных элементов МЕМС.

В связи с тем, что нанопровода имеют очень малые размеры и необходимо определять именно их локальные характеристики, а не интегральные свойства всей подложки, применение методик АСМ является оправданным и практически безальтернативным методом их изучения.

Литература:

1. R. R. LaPierre, A. C. E. Chia, S. J. Gibson, C. M. Haapamaki, J. Boulanger, R. Yee, P. Kuyanov, J. Zhang, N. Tajik, N. Jewell, and K. M. A. RahmanIII-V nanowire photovoltaics: Review of design for high efficiency // Physica Status Solidi (RRL). Год 2013 — Т. 16 — С. 815
2. В. Г. Дубровский, Г. Э. Цырлин, В. М. Устинов Полупроводниковые нитевидные нанокристаллы: синтез, свойства, применения // Физика и техника полупроводников, Год 2009 — Т. 43 — С. 1585
3. A.Mishra, L. V. Titova, T. B. Hoang, H. E. Jackson, L. M. Smith, J. M. Yarrison-Rice, Y. Kim, H. J. Joyce, Q. Gao, H. H. Tan, C. Jagadish Polarization and temperature dependence of photoluminescence from zincblende and wurtzite InP nanowires // Applied Physics Letters. Год 2007 — Т. 9 — В. 26 — С. 263104 — URL:http://dx.doi.org/10.1063/1.2828034
4. Лашкова Н. А. Исследование полупроводниковых материалов методом микроскопии сопротивления растекания [Текст] / Н. А. Лашкова, Н. В. Пермяков // Молодой ученый. — 2014. — № 10. — С. 32–35.
5. В. Л. Миронов, Основы сканирующей зондовой микроскопии. Российская академия наук,Институт физики микроструктур г. Нижний Новгород, 2004 г. — 110 с
6. Диагностика материалов методами сканирующей зондовой микроскопии. Учеб. пособие. Под ред. В. А. Мошникова. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2012. 172 с.
7. Мошников В. А., Спивак Ю. М. Атомно-силовая микроскопия для нанотехнологии и диагностики: Учеб. пособие. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2009. 80 с.
8. Атомно-силовая микроскопия для исследования наноструктурированных материалов и приборных структур: Учеб.пособие. В. А. Мошников, Ю. М. Спивак, В. А. Алексеев, Н. В. Пермяков СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2014
9. Спивак Ю. М. Наноструктурированные материалы. Особенности получения и диагностики // Известия высших учебных заведений России. Радиоэлектроника. 2013. Т. 6. С. 54–64.
10. INVESTIGATION OF LEAD-FREE THIN FILMS BASED ON BARIUM TITANATE FOR ELECTROCALORIC DEVICES, Abrashova E. V., Fominykh A. K. Journal of Physics: Conference Series. 2014. Т. 541. № 1. С. 012091.
11. http://www.czl.ru/applications/piezoelectric-force-microscopy-pfm/
12. http://www.ioffe.ru/SVA/NSM/Semicond/InP/index.html