Морфологические и оптические свойства различных наноформ ZnO тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.07, кандидат наук Аль Рифаи, Самира Алексеевна

• Аль Рифаи, Самира Алексеевна
• кандидат наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат наук Аль Рифаи, Самира Алексеевна

Содержание

Введение

Глава 1. Фундаментальные свойства наноструктур ZnO (литературный обзор)

1.1 Основные свойства ZnO

1.1.1 Кристаллическая структура

1.1.2 Параметры решетки

1.2 Методики выращивания и морфологические особенности различных наноструктур ZnO

1.3 Механизмы роста наноструктур ZnO

1.4 Оптические свойства наноструктур ZnO

1.4.1 Особенности фотолюминесценции (ФЛ)

1.4.2 Стимулированная УФ эмиссия

1.5 Собственные дефекты нанокристаллов ZnO

1.6 Акцепторные и донорные примеси в ZnO

Глава 2. Методики получения и экспериментальных исследований наноструктур ZnO

2.1 Метод химического осаждения из паровой фазы (СУБ) для выращивания

нанотетраподов и других наноформ ZnO

2.2 Рентгенофазовый анализ (РФА)

2.3 Сканирующая электронная микроскопия (СЭМ)

2.4 Просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ)

2.5 Фотолюминесценция (ФЛ)

2.6 ИК-Фурье спектроскопия

2.7 Спектроскопия диффузного отражения

Глава 3. Синтез и свойства различных наноформ ZnO

3.1 Особенности выращивания нанотетраподов и мультиподов оксида цинка

3.1.1 Анализ оптических свойств. Роль дефектов

3.2 Особенности выращивания наногребней, нанонитей и нанолент, других наноформ оксида цинка. Анализ структурных и оптических свойств

3.3 Выводы по главе

Глава 4. Исследование микроструктурных и оптических свойств Еи3+-легированных нанонитей ZnO

4.1 Методика эксперимента

4.2 Особенности РФ А, СЭМ, ПЭМ измерений. «Трехступенчатый» механизм роста нанонитей

4.3. Анализ ФЛ и ИК-Фурье спектров

4.4 Спектроскопия диффузного отражения. Эффект Бурштейна-Мосса

4.5 Выводы по главе

Глава 5. Синтез N-легированных нанотетраподов ZnO

5.1 Экспериментальные особенности выращивания. Роль легирующей примеси

5.2 Особенности РФА, СЭМ, ПЭМ и оптических измерений. Модель роста

5.3 Метод термоэлектродвижущей силы (ТЭДС) для определения типа проводимости нанотетраподов

5.4 Выводы по главе

Заключение

Список использованной литературы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Морфологические и оптические свойства различных наноформ ZnO»

Введение

Актуальность темы. Наноразмерные материалы обладают широким спектром электрических, магнитных и оптических свойств, вызывая активность мирового научного сообщества в получении, исследовании фундаментальных свойств, поиске практического применения различных форм нанокристаллических материалов (нитей, лент, тетраподов, пружин и т.д.). Особый интерес вызывают полупроводниковые наноструктуры такие, как Оа1Ч, ОаАэ, N10, 8пОг, ХпО. Оксид цинка является ключевым технологическим материалом. Отсутствие центра симметрии у вюрцитной сингонии, к которой принадлежит ХпО, приводит к появлению пьезоэлектрических и пироэлектрических свойств, позволяя моделировать активные элементы для нужд нанопьезоэлектроники. Оксид цинка (ширина запрещенной зоны Eg = 3.37 эВ) является перспективным материалом п-типа электропроводности для создания полупроводниковых лазеров и светодиодов в ультрафиолетовой (УФ) области спектра. Высокая энергия связи экситонов (60теУ) ZnO способна обеспечить эффективное экситонное излучение при комнатной температуре. Актуальной проблемой остается синтез р-типа ZnO. Несмотря на то, что есть сообщения об успешном получении таких структур, необходимо добиться стабильности и воспроизводимости результатов. Кроме того, развитие надежных методов получения наноматериалов с заданными характеристиками по-прежнему остается первоочередным вопросом.

Вариация технологических методик выращивания наноструктурированного ZnO (золь-гель, гидротермальный, солвотермальный, СУХ), МОСУБ и др.) позволяют синтезировать разнообразные по структуре и свойствам нанокристаллы. Отличительной особенностью оксида цинка является хорошая электронная проводимость в сочетании с высокой химической стойкостью, что делает их перспективными для применения в газовых и жидкостных сенсорах, датчиках УФ излучения, электродах, материалах для

автоэмиссионных катодов, элементах солнечных батарей. Особенно привлекательны для этих целей нанонити, сочетающие совершенную кристаллическую структуру с развитой поверхностью.

Цель работы. Разработка контролируемого синтеза различных наноструктур ZnO методом химического осаждения из паровой фазы с уникальными морфологическими, электрическими и оптическими свойствами.

Для достижения поставленной цели в настоящей работе решались следующие основные задачи:

• Синтез ЗБ нанотетраподов и мультиподов ZnO методом СУБ. Изучение влияния параметров синтеза на основные свойства данных структур. Анализ морфологических и фазовых особенностей рентгеноструктурными и микроскопическими методами. Проанализирована роль собственных точечных дефектов на оптические спектры ФЛ.

• Прослежена зависимость влияния условий синтеза на морфологические, оптические свойства; получена коллекция разнообразных по структуре наноформ: ленты, гребни, аэропланы и др.

• Выращен вертикальный массив одномерных нанонитей ZnO, Еи3+-легированных. Продемонстрирован анализ влияния ионов европия на оптические свойства нитей, в частности, ширину запрещенной зоны и ФЛ. Рост данных наноструктур происходил по новаторскому «трехступенчатому» механизму, при котором механизмы УЬ8 «пар-жидкость-кристалл» и У8 «пар-кристалл» конкурируют между собой в процессе роста.

• Впервые получены нанотетраподы ZnO, легированные азотом. Продемонстрирована роль легирующего компонента. Проведена сравнительная характеристика свойств с нелегированным ZnO.

Научная новизна представленных в работе результатов:

1. Основным итогом настоящей диссертации является решение фундаментальных задач контролируемого синтеза наноструктурных материалов с заданными физическими свойствами. Все представленные результаты получены в последние несколько лет и носят важный характер.

2. Впервые продемонстрирован синтез одномерных наноструктур ZnO легированных европием, обладающих уникальными оптическими свойствами. Предполагается двойственная роль легирующего компонента для синтеза однородных массивов нанонитей, т.е. ионы европия влияют на рост нитей в качестве катализатора, так и в качестве легирующей примеси.

3. Методом химического осаждения из паровой фазы были выращены легированные азотом нанотетраподы ZnO, используя медицинскую закись азота в качестве основного газа-носителя. Для качественного определения электрической проводимости использовался метод термо-эдс, который указал на р-тип электрической проводимости Ы-легированных образцов.

4. ПЭМ исследования дают прямое предположение о формировании структуры сфалерита на начальной стадии роста 1Ч-легированного тетрапода. ПЭМ и БАЕБ (электронная дифракция) исследования указали на существование плоскостей двойникования между каждыми двумя ногами тетрапода. Кроме того, доказано, что тетраподы обладают совершенной тетраэдрической симметрией.

Практическая значимость исследований результатов работы определяется тем, что полученные в ходе исследований материалы могут быть использованы при создании различных оптоэлектронных устройств, наногенераторов, светодиодов, люминофоров, газовых сенсоров, солнечных батарей.

На защиту выносятся следующие основные положения.

• Модель контролируемого направленного роста нанокристаллов оксида цинка (тетраподов, мультиподов) по механизму «пар-кристалл» без использования катализаторов. Анализ структурных и оптических свойств.

• Найдены параметры «самокаталитического» синтеза массива нанонитей, определяющие латеральные размеры, форму и низкую концентрацию точечных дефектов образца.

• Использование различных подложек, в том числе с нанесенным слоем катализатора позволяют управлять морфологическими особенностями наноформ ZnO.

• Продемонстрирован метод синтеза Ей3+-легированного однородного массива нанонитей 7пО, осуществляемый по новаторскому «трехступенчатому» механизму УЬ8->УЬ8+У8->У8. Существенное влияние небольших концентраций легирующего компонента на оптические свойства обеспечивает перспективность применения в оптоэлектронных устройствах.

• Получены ^легированные азотом нанотетраподы, предположительно обладающие дырочной проводимостью.

• Тетраэдрическая структура зародыша тетрапода ТпО, легированного азотом, обладающего четырьмя «ногами», направленными из общего центра к вершинам тетраэдра, имеющими гексагональную структуру вюрцита. На основании ПЭМ измерений зародыш (ядро) 14-легированных тетраподов имеет структуру сфалерита.

Научная обоснованность и достоверность полученных экспериментальных результатов, представленных в диссертационной работе, определяется использованием современной экспериментальной техники и воспроизведением обнаруженных эффектов на ряду с исследователями из зарубежных научных коллективов. В частности: достоверность результатов

подтверждена взаимодополняющими исследованиями с применением арсенала современных методов, таких как электронная микроскопия, фотолюминесценция, инфракрасная спектроскопия и спектроскопия диффузного отражения, рентгеноструктурный анализ и других. Многие работы выполнены в соавторстве с исследователями из других организаций, а образцы для совместных работ передавались в эти организации, где проходили дополнительные независимые исследования. Все представленные результаты докладывались и обсуждались на конференциях различного уровня и опубликованы в виде статей в рецензируемых российских и международных журналах.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были представлены в виде докладов и обсуждались на:

1. "NAN02012", XI International Conference on Nanostructured Materials, August 26-31, 2012, Rhodes, Greece.

2. XIII Международная научно-техническая конференция, "Кибернетика и высокие технологии XXI века", (С&Т-2012), г. Воронеж, 15-17 мая 2012

Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 5 печатных работах, т.е. научных журналах, входящих в перечень ВАК, в том числе зарубежных журналах.

Личный вклад автора является основным и заключается в формулировке проблемы, постановке задач исследования, выбора методов исследования, проведении экспериментов, анализе, моделированию и интерпретации полученных данных, обосновании основных положений диссертации и развития научного направления - получение и исследование наноструктурированного ZnO с уникальными свойствами. ПЭМ исследования проводились на базе Белгородского Национального Государственного Университета и Технологического института

сверхтвердых и новых углеродных материалов в г. Москва, Троицк при непосредственном участии автора.

Объем и структура диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав и заключения с выводами, изложенных на 141 страницах машинописного текста, включая 67 рисунков, 5 таблиц и списка литературы из 113 наименований.

Содержание работы

Во введении к диссертации обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи работы, ее научная новизна, практическая значимость полученных результатов и научные положения, выносимые на защиту.

В первой главе проведен обзор научных работ, посвященных фундаментальным свойствам ХпО. В частности, акцент был сделан на исследовании кристаллографических особенностей полупроводникового оксида цинка, методах получения, оптических свойствах, природе собственных дефектов. Кроме того, уделено особое внимание применению наноструктур в различных устройствах, начиная от светодиодов, заканчивая наногенераторами на основе р-типа нанонитей Хг\0. На основании анализа литературных данных сделаны выводы, определившие цели и основные задачи исследования.

Во второй главе изучена методика выращивания наноструктурированных форм ХпО путем химического осаждения из паровой фазы (СУТ)). Проанализированы способы и особенности исследования, использованные в экспериментальной части диссертации. Для идентификации и характеристики наноструктур ТпО применялись: рентгеновская дифрактометрия, сканирующая и просвечивающая электронная микроскопия, энерго-дисперсионный рентгеновский микроанализ, электронная дифракция,

фотолюминесценция, спектроскопия диффузного отражения, ИК Фурье спектроскопия.

В третьей главе продемонстрирован синтез различных по структуре наноформ ZnO методом химического осаждения из паровой фазы. Разработан эффективный и воспроизводимый подход к синтезу тетраподов и мультиподов без использования катализаторов роста. Экспериментально выращен массив разнонаправленных нитей без использования затравок и чистого кислородного потока в открытой системе при нормальном атмосферном давлении. Прослежена зависимость условий синтеза на стехиометрию и кристаллическое совершенство образцов. Все полученные структуры исследовались методами ХМ), ПЭМ, СЭМ и ФЛ.

В четвертой главе разработан контролируемый синтез упорядоченного вертикального массива Еи3+-легированных нанонитей ZnO методом СУБ. По сравнению с нелегированным образцом, параметры решетки Еи3+-легированного ZnO были увеличены из-за встраивания катионов европия в матрицу ZnO. ПЭМ исследования показали, что нанонити являются монокристаллами с направлением роста ± [0001]. Концентрация легирующей примеси достигала 0,8 атом. %. Сдвиг спектра ФЛ Ей3+-легированного ZnO в красную область был продемонстрирован. Наблюдаемое расширение ширины запрещенной зоны для легированного образца = 3,31 эВ), по сравнению с нелегированным образцом (3,19 эВ), отнесено к эффекту Бурштейна-Мосса, в частности, обусловлено сдвигом края области собственного поглощения ZnO в сторону высоких частот при увеличении концентрации электронов проводимости и заполнении ими зоны проводимости.

В пятой главе рассматривается синтез ЗБ нанотетраподов ZnO, легированных азотом. Обсуждаются возможные механизмы легирования. Механизм рост нанотетраподов - «пар-кристалл». Азот, с атомным радиусом

аналогичным кислороду, должен быть лучшим кандидатом и легирующей примесью в нанокристаллах Хт\0 для возможного изменения типа электропроводности с п - типа на р - тип с точки зрения управляемости и эффективности. Синтез претерпевает несколько химических реакций, и именно разложение N20 на промежуточные газы обуславливает успех легирования. Методами ПЭМ исследованы возможные пути формирования и роста нанотетраподов. Оптические свойства измерялись методами ФЛ, диффузного отражения, ИК-Фурье спектроскопии, которые подтвердили успех легирования. Качественный метод термо-эдс зафиксировал р-тип электропроводности для И-легированного ХпО.

В заключении изложены основные результаты работы и сформулированы выводы.

Глава 1. Фундаментальные свойства наноструктур ZnO (литературный обзор)

1.1 Основные свойства ZnO

В этой главе рассматриваются фундаментальные, оптические и структурные свойства ZnO, проанализированы и обобщены литературные данные и достижения ученых за последние несколько лет.

В последние несколько лет наноструктурированный оксид цинка ^пО) получил большое внимание, потому что обладает широким спектром электрических, магнитных и оптических свойств. ZnO - широкозонный полупроводник, активно применяется в устройствах электроники и оптоэлектроники. При комнатной температуре ширина запрещенной зоны оценивается -3,37 эВ. ZnO принадлежит к П-У1 группе полупроводников и родным типом проводимости ZnO является п-тип. ZnO имеет большую энергию связи экситонов -60 МэВ, обусловленную тем, что экситоны термически стабильны при комнатной температуре. Этот полупроводник имеет много важных свойств таких, как высокая подвижность электронов, хорошая прозрачность, сильная люминесценция при комнатной температуре и др. Эти свойства используются для моделирования электронных устройств, начиная от тонкопленочных транзисторов и светодиодов, заканчивая изготовлением пьезоэлектрических наногенераторов на основе наностержней [1-5]. Вариация технологических режимов синтеза ZnO позволяет получать разнообразные наноразмерные структуры (нанонити, нанотетраподы, наногребни, нанокольца и др.). Возможно использование различных экспериментальных методик (гидротермальный метод, золь-гель, газотранспортный и т.д.) как на любой подложке, так и без использования катализаторов роста, что позволяет расширить потенциальный диапазон применения наноструктур ZnO.

В таблице 1.1 приведены основные физические и электрические свойства оксида цинка [6].

Табл. 1.1 Основные физические и электрические свойства оксида цинка

Параметры Значения

Параметры решетки а = 0.32495 нм, с =0.52069 нм

Плотность, г/см3 5.606

Стабильная кристаллографическая фаза при комнатной температуре вюрцит

Температура плавления, °С 1975

Теплопроводность, Вт/(м*К) 0,98-1,1

Статическая диэлектрическая проницаемость 8,656

Показатель преломления 2.008, 2.029

Статическая диэлектрическая проницаемость 8.656

Эффективная электронная масса, шо-масса покоя электрона 0.23шо

Эффективная дырочная масса, шо-масса покоя электрона 0.54тО

Ширина запрещенной зоны, эВ 3.37

Электронная подвижность, см2/В*с -210

Дырочная подвижность, см2/В*с -10

Энергия связи экситона, мэВ 60

1.1.1 Кристаллическая структура

Большинство полупроводниковых соединений типа

апву1

имеют

кристаллическую структуру сфалерита, каменной соли (№С1) или вюрцита, при которой каждый анион окружен четырьмя катионами в углах тетраэдра,

и наоборот. Тетраэдрнческая координация атомов типична для ковалентной связи, для которой также характерны малые координационные числа, отсутствие плотнейших упаковок, сильная температурная зависимость ширины запрещенной зоны, существенное влияние примесей и температуры на проводимость, высокие значения твердости и температуры плавления. Ковалентная связь - признак полупроводниковых кристаллов. Однако материалы соединений типа АПВУ1 также обладают существенным ионным характером, осуществляемым силами электростатического взаимодействия между положительными и отрицательными ионами, которые образуются из-за избытка или недостатка электронов у атома, что приводит к значительному увеличению ширины запрещенной зоны. Связь между атомами ZnO носит преимущественно ковалентно-ионный характер (доля ионной составляющей порядка 45-60%) с характерной особенностью полиморфизма и наличием политипов кубической и гексагональной модификаций. Таким образом, ХпО кристаллизуется в 3 структурах (рис. 1.1): 1) вюрцит, 2) сфалерит, 3) №01. При обычных условиях термодинамически стабильной фазой является вюрцит. Структура 1ЧаС1 у ZnO может быть получена только при высоких давлениях. Что же касается сфалерита, мнения разделены. Одни исследователи считают, что структура сфалерита ZnO может быть стабилизирована только на кубических подложках [7], в то время как четких экспериментальных доказательств не имеется. Однако, далее в исследованиях китайских коллег [58-59] и моей работе, в частности, главе 5, предполагается, что на первом этапе роста тетраподов ZnO образовалась структура сфалерита, согласно анализу картин электронной дифракции и ПЭМ снимков. Рассмотрим подробнее каждую из 3 структур оксида цинка.

Структура вюрцита ZnO имеет гексагональную ячейку с двумя параметрами решетки а и с в соотношении с/а = л/8/3 = 1,633 (идеальный кристалл) и принадлежит пространственной группе С£у в обозначениях Шенфлиса и группе Р63тс в интернациональных обозначениях (Германн-

Магуин). В структуре вюрцита пара атомов катиона и аниона соединена вдоль направления [0001] пунктирными линиями (рис. 1.1 б) и притягивается друг к другу посредством электростатических сил. Считается, что именно электростатическое взаимодействие атомов обеспечивает стабильность структуры вюрцита ZnO, чья степень ионности достаточно высока. Структура состоит из двух взаимопроникающих гексагональных плотноупакованных (ГПУ) подрешеток, каждая из которых состоит из одного типа атомов, смещенных относительно друг друга вдоль тройной оси с на величину и = 3/8 = 0,375. Плотнейшая упаковка в структуре вюрцита образована параллельными слоями анионов. Катионы находятся между четырьмя анионами на равных расстояниях от них, заполняя половину тетраэдрическх пустот. Элементарная ячейка вюрцита составлена из 2-х тригональных призм. На одну элементарную ячейку приходится по 2 аниона и 2 катиона (рис. 1.3), координационное число 4. Ионы одного элемента (цинка) располагаются в вершинах гексагональной призмы, в центрах ее базисных граней и в центрах 3-х тригональных призм, а ионы 2 элемента (кислорода) - в тех же 3-х тригональных призмах и на всех ребрах гексагональной призмы. Винтовая ось 63 проходит через линию центров масс незаполненной тригональной призмы. Вдоль большой диагонали основания примитивной элементарной ячейки проходит плоскость т , а вдоль малой диагонали - плоскость скользящего отражения с. Как видно из рис. 1.2, вюрцит, также как и сфалерит, построен из двойных слоев, каждый из которых состоит из 2-х подслоев ионов разного типа. Ионы внутри двойного слоя соединены тремя связями на каждый ион, а между двойными слоями - одной связью на ион. Двойные связи параллельны плоскости базиса (0001).

а)

б)

Р

в)

[001] [111] [0001] [001] [111]

Рис. 1.1 Схематическое изображение атомной структуры: а) сфалерита, б) вюрцита, в) каменной соли.

Рис. 1.2 Вектор прямой решетки а) и обратной решетки б) гексагональной плоскости (0001).

Основными плоскостями ZnO вюрцита являются (0001), (1120) и (1010), что соответствует направлениям [0001], [1120] и [1010]. Основной или базисной плоскостью, часто используемой для роста, является энергетически выгодная и быстрая (0001) т.е. направление роста [0001] с-оси кристалла имеет наименьшую поверхностную энергию по сравнению другими возможными

а)

б)

[1100]

направлениями роста [1010] и [1120], определяя высокую вероятность зарождения и роста нанокристаллов.

сфалерит

Рис. 1.3 Представление кристаллических структур ZnO. Серыми и черными сферами обозначены атомы Zn и О, соответственно.

Структура сфалерита ZnO метастабильна и может быть стабилизирована гетеро-эпитаксиальным ростом на кубических подложках, таких как ZnS [5], GaAs / ZnS [6], а также Pt/Ti/Si02/Si [7], что способствует преодолению внутренней тенденции к формированию вюрцитной фазы. В случае несоответствия подложек, как правило, имеется определенное количество фазы сфалерита ZnO, разделенной кристаллографическими дефектами от фазы вюрцита. Симметрия структуры сфалерита (цинковой обманки) задается пространственной группой F43m в Hermann-Mauguin обозначениях и Td2 в обозначениях Шенфлиса и состоит из двух взаимопроникающих гранецентрированных кубических (ГЦК) подрешеток сдвинутых по диагонали на одну четверть длины. Существуют четыре атома в элементарной ячейке и каждый атом одного типа (группа II) тетракоординирован с четырьмя атомами другого типа (группа VI), и наоборот. Возможны простые формы - куб [100], ромбический додекаэдр [110] и тетраэдр [111]. В связи с тетраэдрической координацией для структур

вюрцита и сфалерита, расстояние между 4 ближайшими соседними атомами и 12 последующими одинаково. Структура сфалерита соответствует плотнейшей кубической упаковке ...АВСАВС... , плотнейшие слои нормальны к 4 полярным направлениям [111]. Структура вюрцита характеризуется плотнейшей гексагональной упаковкой ...АВАВАВ... , плотнейшие слои нормальны к единичному полярному направлению [ООО 1 ].

В кубической упаковке сфалерита треугольные основания тетраэдров любого слоя ориентированы так же, как и основания тетраэдров предыдущего слоя. В гексагональной упаковке вюрцита треугольные основания тетраэдров в последующих слоях повернуты на 60°. Каждая вершина является общей для четырех тетраэдров. В структурах сфалерита и вюрцита нет центра симметрии, структуры полярны. В данном случае это означает, что ZnO обладает пьезоэлектрическими свойствами.

Структура сфалерита сходна со структурой алмаза: это гранецентрированная кубическая решетка (ГЦК), в которой заселена половина тетраэдрических пустот. Заселенные октанты чередуются с незаселенными в шахматном порядке. Отличие от структуры алмаза заключается в том, что в алмазе все атомы одинаковы, а сфалерите атомы кислорода занимают узлы ГЦК-ячейки, а атомы цинка - центры 4-х октантов. По расположению атомов в пространстве сфалерит хоть и подобен структуре алмаза, однако из-за наличия атомов двух типов не содержит центра инверсии.

Как и другие полупроводники 11-У1 группы, вюрцитный ZnO может быть преобразован в структуру каменной соли (ТЧаС1) при относительно небольших внешних значений гидростатического давления. Причина этого в уменьшение размеров решетки, приводящее к кулоновским межионным взаимодействиям в пользу ионности, с подавлением ковалентной связи. Кубическая фаза в метастабильном состояние сохраняется на долгий период

времени даже при атмосферном давлении и выше 100 0 [8]. Измерения энерго-дисперсионной рентгеновской дифракции (ЕБХО) с использованием синхротронного излучения показали, что происходит структурный фазовый переход гексагональной структуры вюрцита ЪпО в структуру каменной соли при начальном давлении ЮГПа и полностью завершается при 15ГПа с уменьшением параметров решетки.

Структуру №С1 (рис. 1.1 в) можно описать как 2 гранецентрированные кубические решетки, сдвинутые одна относительно другой так, что узел {000} одной ячейки совпадает с узлом {1/2,1/2, 1/2}. Структура характеризуется Б-ячейкой Бравэ: 4 оси третьего порядка совпадают с телесными диагоналями элементарной ячейки - гранецентрированного куба, плоскости симметрии т проходят в координатных и диагональных направлениях. Пространственная группа ЕтЗт. Анионы кислорода занимают узлы кубической гранецентрированной ячейки Бравэ и образуют кубическую плотнейшую упаковку. Перпендикулярно любой оси третьего порядка располагаются слои плотнейшей упаковки шаров. Катионы цинка заполняют все тетраэдрические пустоты. Упаковка трехслойная ... АВСАВС... .

1.1.2 Параметры решетки

Параметры решетки ZnO измерялись и исследовались в течение многих лет как практически (рентгеноструктурный анализ, метод дифракции быстрых электронов и др.), так и теоретически (метод Хартри-Фока, квантовомеханические расчеты и др.) [2-9]. Параметры решетки полупроводников часто зависят от следующих факторов:

1) концентрации свободных электронов в зоне проводимости;

2) концентрации чужеродных атомов и дефектов, различия их ионных радиусов по отношению к междоузельному иону матрицы;

3) внешних напряжений, вызванных подложкой;

4) температуры.

При комнатной температуре постоянные решетки определяется различными экспериментальными измерениями и теоретическими расчетами. Для вюрцитной структуры ZnO все расчеты находятся в хорошем согласии друг с другом. Постоянные решетки в основном варьируются в диапазоне от 3,2475 до 3.2501А для параметра а и от 5,2042 до 5.2075А для с параметра. Отношение с / а и и параметр могут изменяться в несколько более широком диапазоне, от 1,593 до 1,6035 и 0,3856 до 0,383, соответственно. Отклонение от значений идеального кристалла вюрцитной структуры (с / а = 1.633, и = 0.375), вероятно происходит ввиду стабильности и ионности решетки. Как сообщается в работе [14], что свободный заряд является доминирующим фактором, ответственным за расширение решетки и пропорционален минимуму деформационного потенциала зоны проводимости и обратно пропорционален плотности носителей и объемному модулю упругости.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Аль Рифаи, Самира Алексеевна, 2013 год

Список использованной литературы

[1] Jaffe J.E., Snyder J.A., Lin Z. and Hess A.C. (2000) Physical Review B: Condensed Matter, 62, 1660

[2] Ozgur U., Alivov Y. I., Liu C., Teke A., Reshchikov M. A, Dogan S., Avrutin V., Cho S-J and Morkoc H. (2005) J. Appl. Phys. 98 041301

[3] Ogale S. B. (2005) Thin Films and Heterostructures for Oxide Electronics (New York: Springer)

[4] Maeda K., Sato M., Niikura I. and Fukuda T. (2005) Semiconductor Science and Technology, 20, S49.

[5] J. Ishihara et al., Appl. Phys. Lett. 89, 091914 (2006)

[6] Ashrafi, A.B. M.A., Ueta, A., Avramescu A., Kumano H., Suemune I., Ok Y.-W.and Seong T.-Y. (2000) Applied Physics Letters, 76, 550.

[7] Kim S.-K., Jeong S.-Y. and Cho C.-R. (2003) Applied Physics Letters, 82, 562.

[8] EJ. Schwalbach, P.W. Voorhees, Nano Lett. 8, 3739 (2008)

[9] Huang M. H, Wu Y. Y., Feick H, Tran N., Weber E. and Yang P. D. (2001) Adv. Mater. 13 113

[10] Wagner R. S. and Ellis W. C. (1964) Appl. Phys. Lett. 4, 89

[11] Westwater J, Gosain D P, Tomiya S, Usui S and Ruda H (1997) J. Vac. Sci. Technol. В 15, 554

[12] Desgreniers, S. (1998) High-density phases of ZnO: structural and compressive parameters. Physical Review B: Condensed Matter, 58, 14102.

[13] Morales A. M. and Lieber С. M. (1998) Science 279, 20

[14] Ahuja R., Fast L., Eriksson O., Wills J.M. and Johansson B. (1998) Journal of Applied Physics, 83, 8065.

[15] Recio J.M., Blanco M.A., Luaca V., Pandey R., Gerward L. and Staun Olsen J. (1998) Compressibility of high-pressure rock salt phase of ZnO. Physical Review B.Conden. Matter, 58, 8949.

[16] Jaffe J.E., Snyder J.A., Lin Z. and Hess A.C., (2000), Physical Review B: Condensed Matter, 62, 1660.

[17] Desgreniers, S. (1998) High-density phases of ZnO: structural and compressive parameters. Physical Review B: Condensed Matter, 58, 14102.

[18] Zhong Lin Wang, J. Phys.: Condens. Matter 16 (2004) R829-R858

[19] N. Hongsith et al. / Solid State Communications 149 (2009) 1184-1187

[20] Jaffe J.E. and Hess A.C. (1993) Physical Review B: Condensed Matter, 248, 7903.

[23] P. M. Aneesh, K. A.Vanaja, M. K. Jayaraj, Nanophotonic Materials IV, edited by Zeno Gaburro, Stefano Cabrini, Proc. of SPIE Vol. 6639, 66390J, (2007)

[24] G. Cao, "Nanostructures & Nanomaterials: Synthesis, Properties &Applications", Imperial College Press, London, 2004

[25] Zhao M. H., Wang Z. L. and Mao S. X. (2004) Nano Lett. 4 587

[26] Hofmann D. M, Hofstaetter A., Leiter F., Zhou H., Henecker F., Meyer В. K, Orlinskii S. В., Schmidt J. and Baranov P. G. (2002) Phys. Rev. Lett. 88 045504

[27] Ко H. J., Chen Y. F., Hong S. K., Wenisch H., Yao T. and Look D. C. (2000) Appl. Phys. Lett. 77 3761

[28] Гидротермальные процессы // Химическая энциклопедия. Т. 1. — М.: Советская энциклопедия, 1988. - С. 567.

[29] Pan Z. W., Dai Z. R. and Wang Z. L. (2001) Science 291 1947

[30] Ming-Pei Lu, Jinhui Song, Ming-Yen Lu, Min-Teng Chen, Yifan Gao, Lih-Juann Chen, and Zhong Lin Wang, Nano Lett., Vol. 9, No. 3, (2009)

[31] Guoping Wang , Sheng Chu , Ning Zhan, Huimei Zhou, Jianlin Liu, Appl. Phys. Л (2011) 103,951-954

[32] Catti M., Noel Y. and Dovesi R. (2003) Journal of Physics and Chemistry of Solids, 64, 2183.

[33] X. Y. Kong, and Z. L. Wang, (2003) Nano Lett. 3, 1625

[34] Zhang S. В., Wei S-H and Zunger A. (2001) Phys. Rev. В 63 075205

[35] Hu J. and Gordon R. G. (1991) Solar Cells 30 437

[36] Look D C, Reynolds D C, Litton С W, Jones R L, Eason D В and Cantwell G (2002) Appl. Phys. Lett. 81 1830

[37] Wei Liu, Faxian Xiu, et al„ J. AM. CHEM. SOC. (2010), 132, 2498-2499

[38] Yang, L. L.; Ye, Z. Z.; Zhu, L. P.; Zeng, Y. J.; Lu, Y. F.; Zhao, В. H. J.Electron. Mater. (2001), 36, 498.

[39] Glicksman M. E. (2000) Diffusion in Solids: Field Theory, Solid-State Principles and Applications (New York: Wiley)

[40] Janotti A. and Van de Walle C. G. (2005) Appl. Phys. Lett.%1 122102

[41] Neumann G. (1981,) Current Topics in Materials Science vol. 7 E. Kaldis (Amsterdam: North Holland)

[42] Janotti A. and Van de Walle C. G. (2006) J. Cryst. Growth 287, 58

[43] Ланно M., Бургуэн Ж. Точечные дефекты в полупроводниках. Теория. Мир, 1984.

[44] Шкловский Б. И., Эфрос A. JI. Электронные свойства легированных полупроводников.- М: Наука, 1979.

[45] Oba F., Togo A., Tanaka I., Paier J. and Kresse G. (2008) Phys. Rev. В 77 245202

[47] Janotti A. and Van de Walle C. G. (2007) Phys. Rev. В 75 165202

[48] H. Cao, Y. G. Zhao, H. C. Ong, S. T. Ho, J. Y. Dai, J. Y. Wu, and R. P. H. Chang, (1998) Appl. Phys. Lett. 73, 3656.

[49] G. Cao, "Nanostructures & Nanomaterials: Synthesis, Properties & Applications", Imperial College Press, London, 2004.

[50] Zhang S. В., Wei S-H. and Zunger A. (2001) Phys. Rev. В 63 075205

[51] H. Yan, R. He, J. Johnson, M. Law, R. J. Saykally and P. Yang, (2003) J. Am. Chem. Soc. 125, 4728

[52] Редькин A.H. Контролируемый газофазный синтез наноструктур для наноэлектроники, фотоники и микросистемной техники, диссер. (2013)

[53] Anderson Janotti and Chris G Van de Walle, Rep. Prog. Phys. (2009) 72, 126501

[54] Рентгенофазовый анализ: методические указания по дисциплине «Физико-химические методы исследования» / Сост. JI.H. Пименова. - Томск : Изд-во. Том. архит.-строит. ун-та, 2005. - 14 с.

[55] Lyapina О.А., Baranov A.N., et al., Inorg. Mater., (2008), 8, 958-965.

[56] А.И. Бобров, A.B. Пирогов, H.O. Кривулин, Д.А. Павлов, Электронное учебно-методическое пособие / под редакцией Павлова Д.А. - Нижний Новгород: Нижегородский госуниверситет, 2012. - 31 с.

[57] Dai Y., Zhang Y. and Wang Z. L. et al., Solid State Communications, (2003),126, 629

[58] N. Hongsith, T. Chairuangsri, et al. Solid State Communications 149 (2009) 1184-1187

[59] Yong Ding, Zhong Lin Wang, Tianjun Sun, and Jieshan Qiu,Appl. Phys. Lett. 90, 153510 (2007)

[60] Chao, L. С.; Hu, H. Т.; Yang, S. H.; Fan, Y. C. Thin Solid Films (2008),516, 6305

[61] M. Shiojiri, C. Kaito, J. Cryst. Growth, 52 (1981) 173.

[62] S. Takeuchi, H. Iwanaga, M. Fujii, Philos. Mag. A, 69 (1994) 1125.

[63] Yu Hang Leunga, Aleksandra B. Djurisic, Wallace С. H. Choy, et al., Journal of Crystal Growth, 21A (2005) 430-437

[64] Janotti A. and Van de Walle С. G. (2007) Phys. Rev. В 75, 165202

[65] Sekiguchi Т., Ohashi N. and Terada Y. (1997) Japan. J. Appl. Phys. 36 L289

[66] Lavrov E. V., Weber J., Borrnert F., Van de Walle С. G. and Helbig R. (2002) Phys. Rev. В 66 165205

[67] G. D. Yuan, W. J. Zhang, J. S. Jie, X. Fan, J. A. Zapien, Y. H. Leung, Nano Lett., Уol. 8, No. 8, (2008)

[68] Wenas W. W. et al (1991) J. Appl. Phys. 70 7119

[69] Meyer В К, Stehr J. , Hofstaetter A, Volbers N, Zeuner A and Sann J (2007) Appl. Phys. A 88, 119

[70] P. Mohantya, B. Kima, J. Park, Mat. Science and Engineering В 138, 224 (2007)

[71] Chen L., Wu S. and Yin Y., J. Phys. Chem. С 113, 21572-21576 (2009)

[72] G. Zhu, Y. Zhou, S.Wang, et al., Nanotechnology 23, 055604 (2012)

[73] W.Ostwald , Z. Phys. Chem. 34, 495 (1900)

[74] C.Wagner, Z Electrochem. 65, 581 (1961)

[75] Михайлов М.Д., Семенча А.В., Колесников И.Е., Маньшина А.А., ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫХ СВОЙСТВ НАНОЧАСТИЦ YAG: Ей, «СОВРЕМЕННЫЕ ПРОБЛЕМЫ НАУКИ И ОБРАЗОВАНИЯ», № 4, (2012)

[76] L. Luo, L. Gong, Y.F. Liu, et al., Opt. Materials 32, 1066 (2010)

[77] М.Лифшиц, В.Слёзов , ЖЭТФ 35, 479 (1958)

[78] M.Lifshitz, V.Slyozov , J. Phys. Chem. Solids 19, 35 (1961)

[79] M.H. Huang, Y.Wu, H. Feick, N. Tran, E. Weber, P. Yang, Adv. Mat. 13, 113 (2001)

[80] Li Chen, Jiahua Zhang, et al., OPTICS EXPRESS 16, 11796 (2008)

[81] Lyu S.C., Zhang Y., Ruh H., et al Chem. Phys. Lett. 363 134-138 (2002)

[82] T. S. Barros, B. S. Barros, et al., Materials Science Forum Vols. 591-593 (2008)

[83] P. Hidalgo, E. Libert, et al., J. Phys. Chem. C, 113 17200-17205 (2009)

[84] Y.P. Du, Y.W. Zhang, L.D. Sun, C.H. Yan, J. Phys. Chem. С 112 1223412241 (2008)

[85] Huang M. H., Wu Y., Feick H., Tran N., Weber E. and Yang P. Adv. Mater. 13, 113-116(2001)

[86] M. Zhong, G. Shan, Y. Li, G. Wang, Y. Liu, Mater. Chem. Phys. 106, 305 (2007)

[87] L. Feng, A. Liu, et al., Mater. Characterization, 61 128-133 (2010)

[88] J. Kaur, P. Kumar, et al., International Nano Letters 3:4 (2013)

[89] A.A. Dakhel, Opt. Materials 31,691-695 (2009)

[90] R. Pino, Y. Ko et al .J. Appl. Phys., Vol. 96, No. 9, (2004)

[91] Nargis Bano, Fabrication and Characterization of ZnO Nanorods Based Intrinsic White Light Emitting Diodes (LEDs), Linköping Studies in Science and Technology, Dissertation No. 1401, (2011)

[92] Y. Ortega et al, Journal of Nanoscience and Nanotechnology, 10, 502-507 (2010)

[93] Kamran ul Hasan, Graphene and ZnO Nanostructures for Nano-Optoelectronic & Biosensing Applications, Linköping Studies in Science and Technology Dissertations, No. 1458, (2012)

[94] C. H. Ahn, Y. Y. Kim, D. C. Kim, S. K. Mohanta, and H. K. Cho, J. Appl. Phys. 105,013502 (2009)

[95] M. C. Payne et al., Rev. Mod. Phys., 64, 1045 (1992).

[96] Yanfa Yan and S. B. Zhang, PHYSICAL REVIEW LETTERS, 86, 25 (2001)

[97] A. F. Kohan, G. Ceder, and D. Morgan, PHYSICAL REVIEWB, 61,22 (2001)

[98] M. D. McCluskey and S. J. Jokela, J. Appl. Phys. 106, 071101 (2009)

[99] J. L. Lyons, A. Janotti, and C. G. Van de Walle, Appl Phys. Lett. 95, 252105 (2009)

[100] Huang, Y.; Duan, X.; Wei, Q.; Lieber, C. M. Science 291, 630-633 (2001)

[101] Z. Zhang, H. Yuan, Y. Gao, et al., Appl. Phys. Letters 90, 153116, (2007)

[102] Vladimir Blank, Leonid Ivanov, Boris Kulnitskiy, Igor Perezhogin, Evgene Polyakov, Alexander Semenov, Acta crystallographica. Section B, Structural science 10, (2012)

[103] Tomzig, E.; Helbig, R., J. Lumin. (1976) 14, 403.

Qm

[104] Lin, S. S.; Lu, J. G.; Ye, Z. Z.; He, H. P.; Gu, X. Q.; Chen, L. X.; Huang, J. Y.; Zhao, B. H., Solid State Commun., (2008) 148, 25

[105] M. C. Tarun, M. Zafar Iqbal, et al., AIP ADVANCES 1, 022105 (2011)

[106] Chen L. Y., Wu S. H. and Yin Y. T. (2009) J. Phys. Chem. C, 113 21572-6

[107] Xiu, F. X.; Yang, Z.; Mandalapu, L. J.; Zhao, D. T.; Liu, J. L.; Beyermann, W. P. Appl. Phys. Lett., (2005) 87, 152101

[108] J. Park, H.-Ho Choi, K. Siebein and R. K. Singh, J. Cryst. Growth, 258, 342

(2003)

[109] B.Wang, J. Xie, Q. Yuan and Y. Zhao, Journal of physics D: Applied physics, 41, 102005 (2008)

[110] R. Huang, S. Xu, W. Guo, et al., Appl. Phys. Letters 99, 143112 (2011)

[111] F. Liu, P. J. Cao, H. R. Zhang, J. Q. Li and H. J. Gao, Nanotechnology 15

(2004) 949-952

[112] Hong J. I., Bae J., Snyder R. L. and Wang Z. L. (2009) Nanotechnology 20 085609

[113] Ong, W.L., Zhang, C., Ho, G.W. (2011) Nanoscale 3 (10), pp. 4206-4214