ИСТИНА

Современные методы наноструктурирования позволяют контролируемым образом изменять электрофизические свойства кремнийсодержащих пленок за счет формирования в них областей с нанокристаллами кремния. При этом возможность контролируемого наноструктурирования позволяет не только получать нанокристаллы заданного размера и с заданной концентрацией в объеме вещества, но и влиять на степень анизотропии или нелинейности вольтамперных характеристик структурируемых пленок. Подобные структуры могут быть использованы в приложениях солнечной энергетики [1], например, для создания кремнийсодержащих многослойных солнечных элементов третьего поколения, где каждый слой содержит кремниевые нанокристаллы определенного размера, эффективно поглощающие определенную область солнечного спектра; а также для создания переключателей и логических элементов, основанных на таком явлении, как мемристивный эффект [2, 3], заключающийся в изменении проводимости элемента электрической цепи в зависимости от пропущенного тока. Поскольку основным базовым материалом для изготовления таких элементов являются кремниевые пленки, подвергшиеся наноструктурированию, то представляется перспективной реализация данной идеи в современных планарных кремниевых технологиях. В данном проекте планируется исследовать изначально содержащие кремний матрицы, в которых нанокристаллы из данного материалы формируются в результате наноструктурирования либо методом плазмохимического осаждения из газовой фазы (PECVD) с последующим отжигом [4], либо под воздействием мощного фемтосекундного лазерного излучения [5]. В первом случае в качестве исходной матрицы предлагается использовать многослойные пленки оксида и нитрида кремния, а во втором – слои аморфного кремния. Для улучшения качества структур на основе оксида и нитрида кремния с кремниевыми нанокристаллами, изготовленных методом PECVD, необходимо контролировать размер, форму и концентрацию нанокристаллов кремния, а также обеспечить равномерность их распределения в объеме пленки. Это достигается путем осаждения тонких (единицы нанометров) слоев с различной стехиометрией в виде сверхрешетки с последующим отжигом подобных сверхрешеток, в результате чего в объеме образуются нанокристаллы кремния [4]. Подобные многослойные структуры, содержащие нанокристаллы кремния, представляет интерес, поскольку есть все предпосылки, что они обладают мемристивным эффектом [6], однако на данный момент не проводилось комплексных исследований электронного транспорта в таких структурах. Поскольку в подобных кремнийсодержащих многослойных структурах возможен мемристивный эффект, включающий в себя электрическое переключение, не исключено скачкообразное изменение и других свойств при приложении плавно изменяющегося напряжения, например, интенсивности фотолюминесценции. Возможность подобной электроуправляемой фотолюминесценции на данный момент также не исследовалась. Второй из перечисленных методов - обработка фемтосекундным лазерным излучением. За счет малой длительности импульса при заданной энергии в импульсе можно получить большие значения интенсивностей излучения, при которых возникают, в том числе, эффекты нелинейного поглощения света, что упрощает проведение нанокристаллизации пленки по всему объему за счет использования лазерного излучения с меньшей энергией кванта [7]. Помимо нанокристаллизации, при фемтосекундной лазерной обработке возможно образование поверхностных периодических структур. В этом случае использование сверхкоротких импульсов также дает дополнительные преимущества: можно добиться более высокого качества обрабатываемой поверхности, поскольку при такой короткой длительности импульса процессы фотовозбуждения и термические процессы разделены во времени, поэтому минимизировано возникновение в расплаве брызг и осколков при лазерной модификации поверхности. В итоге, наибольший интерес на данный момент представляет анизотропия электрофизических и оптоэлектронных свойств подобных поверхностей, поскольку данное явление пока практически не изучено. Эффект анизотропии поверхностных структур можно использовать, например, для создания поляризационно-чувствительных солнечных элементов. Таким образом, перечисленные методы наноструктурирования позволяют создать многослойные структуры на основе оксида и нитрида кремния с кремниевыми нанокристаллами и упорядоченно-структурированные пленки из аморфного кремния, также содержащие нанокристаллы кремния. В данном проекте будут исследованы оптические и электрофизические свойства подобных структур, в частности, эффекты оптического и электрического переключения, электроуправлямая фотолюминесценция, а также анизотропия проводимости и фотолюминесценции. [1] M. A. Green. Third generation photovoltaics: Ultra-high conversion efficiency at low cost // Prog. Photovoltaics – 2001 – V. 9. – p. 123-135. [2] A. Mehonic, S. Cueff, M. Wojdak, S. Hudziak, O. Jambois, Ch. Labbe, B. Garrido, R. Rizk, and A. J. Kenyon. Resistive switching in silicon suboxide films // Journal Of Applied Physics – 2012 – V. 111. – Art. 074507. [3] H. D. Kim, H. M. An, S. M. Hong, T. G. Kim. Forming-free SiN-based resistive biswitching memory prepared by RF sputtering // Phys. Status Solidi A – 2013 – V. 210, № 9. – P.:1822–1827. [4] A. Zelenina, S. A. Dyakov, D. Hiller, S. Gutsch, V. Trouillet, M. Bruns, S. Mirabella, P. Loper, L. Lopez-Conesa,J. Lopez-Vidrier, S. Estrade, F. Peiro, B. Garrido, J. Blasing, A. Krost, D. M. Zhigunov, and M. Zacharias. Structural and optical properties of size controlled Si nanocrystals in Si3N4 matrix: The nature of photoluminescence peak shift // ZachariasJournal of Applied Physics – 2013 – V. 114. – Art. 184311. [5] X. C. Wang, H. Y. Zheng, C. W. Tan, F. Wang, H. Y. Yu, K. L. Pey. Femtosecond laser induced surface nanostructuring and simultaneous crystallization of amorphous thin silicon film // Optics Express – 2010 – V. 30. – P.:19379-19385. [6] Д. В. Шулейко, С. В. Заботнов, Д. М. Жигунов, П. В. Короленко, П. К. Кашкаров. Особенности гистерезиса вольтамперных характеристик многослойных пленок с нанокристаллами кремния // Научное обозрение №10, с. 200-208 (2015). [7] A. V. Emelyanov, M. V. Khenkin, A. G. Kazanskii, P. A. Forsh, P. K. Kashkarov, M. Gecevicius, M. Beresna, P. G Kazansky. Femtosecond laser induced crystallization of hydrogenated amorphous silicon for photovoltaic applications // Thin Solid Films – 2014 – V. 556. – P.: 410-413.

1. Будут предложены новые и улучшены имеющиеся модели, описывающие формирование нанокристаллов кремния контролируемого размера, формы и с нужной концентрацией в многослойных пленках из оксида и нитрида кремния, а также в пленках аморфного кремния, подвергнутого облучению фемтосекундными лазерными импульсами в режиме образования поверхностных периодических структур. 2. Будет разработана детальная модель электронного транспорта и механизмов электрического переключения и гистерезиса вольтамперных характеристик (мемристивного эффекта) в многослойных структурах на основе оксида и нитрида кремния, Будет дана оценка перспектив реализации логических элементов на основе эффекта переключения в данных структурах. 3. Будет исследована анизотропия проводимости и фотолюминесценции поверхностных периодических структур на основе аморфного кремния, подвергнутого облучению фемтосекундными лазерными импульсами; разработана модель, описывающая данные эффекты, а также оценена возможности создания поляризационно-чувствительных солнечных элементов. 4. Планируется доложить о результатах работ на двух конференциях, предположительно, на конференции "Передовые лазерные технологии" (ALT16), г. Голуэй, Ирландия, 12-16 сентября 2016 г.; и на конференции Европейского общества по исследованию материалов (E-MRS), г. Варшава, Польша, 19-22 сентября 2016 г. Также к концу 2016 г. планируется опубликовать две статьи в рецензируемых журналах, предположительно, в "Laser Physics" и "Физика и техника полупроводников".