НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ “ЛЬВІВСЬКА ПОЛІТЕХНІКА”

НІЧКАЛО СТЕПАН ІГОРОВИЧ

УДК 621.315.592

ОТРИМАННЯ ТА ХАРАКТЕРИСТИКИ НИТКОПОДІБНИХ МІКРО- ІНАНОКРИСТАЛІВ Si ТА ТВЕРДИХ РОЗЧИНІВ Si1-xGex ДЛЯ

ПРИЛАДНИХ ЗАСТОСУВАНЬ

05.27.01 – твердотільна електроніка

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступенякандидата технічних наук

Львів – 2012

Дисертацією є рукописРобота виконана у Національному університеті „Львівська політехніка”Міністерства освіти і науки, молоді та спорту України

Науковий керівник: доктор технічних наук, професорДружинін Анатолій Олександрович,Національний університет “Львівська політехніка”,завідувач кафедри напівпровідникової електроніки

Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук, професорЄвтух Анатолій АнтоновичІнститут фізики напівпровідників ім. В.Є. ЛашкарьоваНАН України, м. Київпровідний науковий співробітник відділу фізичнихоснов інтегральної мікроелектроніки

доктор технічних наук, професорСтахіра Павло ЙосиповичНаціональний університет “Львівська політехніка”,професор кафедри електронних приладів

Захист відбудеться 27 вересня 2012 р. о 16 год 30 хв на засіданні спеціалізованоївченої ради Д 35.052.13 у Національному університеті „Львівська політехніка”(79013, м. Львів, вул. С. Бандери, 12)

З дисертацією можна ознайомитись у науковій бібліотеці Національногоуніверситету „Львівська політехніка” (79013, м. Львів, вул. Професорська, 1)

Автореферат розісланий “ ” серпня 2012 р.

Вчений секретарспеціалізованої вченої ради Д 35.052.13 Заячук Д.М.

1

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИАктуальність теми. Прогрес мікро- та наноелектроніки вимагає розроблення

та застосування у галузі науки і техніки сучасних прецизійних приладів, зокремасенсорів фізичних величин та різноманітних перетворювачів, що, своєю чергою,спонукає науковців до використання нових матеріалів та дослідження їхвластивостей. У цьому відношенні при створенні чутливих елементів сенсорівширокого використання набули ниткоподібні кристали (НК), які є ідеальнимимодельними об’єктами для фізичних досліджень, оскільки дають змогу змінюватияк досконалість структури, так і властивості матеріалу. Наприклад, унікальнагеометрія НК порушила питання про механізми їх утворення й разом з тимстимулювала дослідження механізмів і кінетики одновимірного росту кристалів.Сьогодні нанорозмірні НК, або нанодротини (НД), завдяки своїм розмірам, формі йвластивостям все частіше розглядають як фундаментальні “цеглини” для реалізаціїнових класів приладів та систем наноелектроніки. Зокрема, на основі НД можнастворювати польові та гетеробіполярні транзистори, тунельні діоди, однофотоннівипромінювачі, одноелектроні транзистори, світловипромінювальні пристрої ізнаднизьким енергоспоживанням, різноманітні сенсори фізичних величин, зонди дляатомно-силових мікроскопів, автоемісійні катоди. А віднедавна НД отримали щеодин не менш актуальний напрям використання – альтернативні джерела енергії.Так, на основі ансамблів НД створюють наногенератори, термо- та фотоелектричніперетворювачі тощо.

Найбільш вивченими з фізичного погляду є НК Si та твердих розчинів Si1-хGeх,що зумовлено простотою їх виготовлення та широким спектром практичногозастосування, зокрема у сенсорах тиску, магнетного поля, температури тощо. Так,відомо, що у НК твердих розчинів Si1-хGeх за низьких температур спостерігаєтьсязначний магнетоопір, завдяки чому їх використовують як чутливі елементи сенсорівмагнетного поля. На цей час існує достатня кількість теоретичних таекспериментальних робіт по вивченню характера магнетоопору НК твердихрозчинів Si1-хGeх поблизу переходу метал-діелектрик (ПМД). Однак, такідослідження проводили для товстих кристалів діаметром порядку 30–50 мкм. Своєючергою механізми перенесення носіїв заряду у нанорозмірних НК Si та твердихрозчинів Si1-xGex недостатньо досліджено у широкому інтервалі температур тасильних магнетних полях, зокрема, унаслідок складності створення омічнихконтактів.

Оскільки унікальні транспортні, електричні, оптичні та інші характеристикиниткоподібних мікро- і нанокристалів Si та твердих розчинів Si1-xGex визначаютьсяїх розміром та морфологією, то стають актуальними дослідження технологічнихумов їх вирощування, вивчення кінетики утворення, а також дослідження їхелектрофізичних властивостей. Це, своєю чергою, дозволить моделювати різніумови для перевірки та розширення існуючих уявлень про фізичну природубагатьох процесів у твердих тілах, і як наслідок, розробити концепцію створеннянових сучасних приладів із наперед заданими та прогнозованими характеристиками.

2

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаціювиконано відповідно до напряму наукової діяльності кафедри напівпровідниковоїелектроніки Національного університету „Львівська політехніка”, в межахдержбюджетних НДР Міністерства освіти і науки, молоді та спорту України:„Транспорт носіїв заряду та деформаційно-стимульовані ефекти у легованихмікрокристалах та структурах під впливом зовнішніх збурень”, (2008–2010 рр.,номер державної реєстрації 0108U000325), „Розробка наукових основ ітехнологічних методів створення перетворювачів на базі мікро- і наноструктуркремнію для інформаційних систем”, (2011–2012 рр., номер державної реєстрації0111U001226), госпдоговірною НДР з Інститутом фізики напівпровідників ім. В.Є.Лашкарьова НАН України „Дослідження та розробка автоемісійних катодів наоснові регулярних ансамблів нанодротин кремнію в діелектричних матрицях таемісійних резонансно-тунельних структур” в рамках Державної цільової науково-технічної програми на 2010–2014 рр. „Нанотехнології та наноматеріали”, а також урамках міжнародної наукової співпраці, зокрема спільного українсько-молдавськогонауково-дослідного проекту „Розробка технології виготовлення ниткоподібнихмікро- та нанокристалів на основі напівпровідників та напівметалів і вивчення їхмагніто-транспортних властивостей при пружних деформаціях для створеннявисокочутливих тензо- та термосенсорів” (2009–2010 рр., номер державноїреєстрації 0111U006568) на підставі Угоди між Урядом України та УрядомРеспубліки Молдова про співробітництво у галузі освіти, науки і культури; та врамках Угоди про співпрацю з Міжнародною лабораторією сильних магнетнихполів і низьких температур (м. Вроцлав, Польща).

Мета і задачі дослідження. Мета дисертації – розвиток технології отриманняниткоподібних мікро- і нанокристалів Si та твердих розчинів Si1-xGex, встановленнязакономірностей їх електрофізичних, термо- і фотоелектричних характеристик длязастосування в приладах.

Для досягнення мети необхідно було вирішити наступні завдання:– установити закономірності вирощування ниткоподібних кристалів Si та Si1-xGex

методом хімічних транспортних реакцій у закритій бромідній та відкритійводневій системах для отримання кристалів заданої морфології та геометрії;

– дослідити електропровідність та магнетоопір ниткоподібних мікро- інанокристалів Si та твердих розчинів Si1-xGex у широкому інтервалі температур(4,2–300 К) та магнетних полів (до 14 Тл) для створення сенсорів магнетногополя і температури;

– розробити методику вимірювання теплопровідності мікро- і нанокристалів Si татвердого розчину Si1-xGex, дослідити їх термоелектричні властивості дляпрогнозування характеристик сенсорів температури та різниці температур;

– дослідити властивості ансамблів ниткоподібних нанокристалів Si для їхвикористання в антивідбивних покриттях фотоелектричних перетворювачів.

Об’єкт дослідження. Ниткоподібні кристали Si та твердих розчинів Si1-хGeх(х=0,03), леговані бором до концентрацій з металевого та діелектричного бокупереходу метал–діелектрик (ПМД), та приладні структури на їх основі.

3

Предмет дослідження. Магнетоопір, структурні, терморезистивні, термо- тафотоелектричні характеристики НК Si та твердих розчинів Si1-хGeх в широкомуінтервалі температур і магнетних полів.

Методи дослідження. Для контролю якості досліджуваних зразків НКвикористовували електронну мікроскопію, зокрема атомно-силовий мікроскоп AFMта сканувальні електронні мікроскопи Hitachi SEM S806, JEOL JSM-U3. Елементнийвміст ниткоподібних кристалів Si та Si1-xGex контролювали методамимікрозондового аналізу (AN 10000) та йонної мас-спектроскопії (CAMECA IMS 4F).Вимірювання електричного опору та термоЕРС зразків НК Si та твердих розчинівSi1-xGex за низьких температур проводили у гелієвих кріостатах за спеціальнорозробленою методикою з використанням сучасних цифрових метрологічнихзасобів. Теплопровідність НК Si1-xGex визначали за допомогою методу 3w.Магнетоопір НК Si1-хGeх за низьких температур досліджували за допомогоюбіттерівських магнетів у Міжнародній лабораторії сильних магнетних полів танизьких температур (м. Вроцлав, Польща).

Наукова новизна одержаних результатів полягає в тому, що впершевстановлено зв'язок між особливостями отримання ниткоподібних мікро- інанокристалів Si та твердих розчинів Si1-xGex та змінами їх електрофізичнихвластивостей, що покладено в основу концепції розроблення та прогнозуванняхарактеристик сучасних приладів, зокрема сенсорів магнетного поля татемператури, фотоелектричних перетворювачів та сенсорів температури зтермоелектричним принципом дії:– на основі методу кінетичного експерименту по вирощуванню ниткоподібних

кристалів Si та твердих розчинів Si1-xGex у закритій бромідній та відкритійводневій системах установлено залежність швидкості аксіального тарадіального росту НК від їх діаметра, що дозволило визначити мінімальнийкритичний діаметр нанокристалів, який обмежується пересиченням у системі;

– установлено, що на першій стадії процесу вирощування методом хімічногопарового осадження поверхня кремнієвої підкладки вкриваєтьсяполікристалічним буферним шаром, який є джерелом високого локальногопересичення в ділянках утворення нанодротин, що дає можливість зменшити їхдіаметр до декількох десятків нанометрів і отримати кристали заданоїморфології та геометрії;

– виявлено особливості поведінки термоелектричних характеристиксубмікронних НК твердого розчину Si1-xGex, які проявляються у зростанніефекту фононного захоплення носіїв заряду та зменшенні їх розсіювання нафононах, яке пов’язано з наявністю нанопористої оболонки в НК, що дозволилопідвищити їх термоЕРС, й відповідно, точність вимірювання різницітемператур в сенсорах температури з термоелектричним принципом дії;

– виявлено закономірності зміни електропровідності та магнетоопору НК Si татвердих розчинів Si1-xGex, які покладені в основу створення сенсоріводночасного вимірювання індукції магнетного поля до 14 Тл і температури вінтервалі 4,2–77 К;

4

– набула подальшого розвитку концепція використання ниткоподібнихнанокристалів Si для приладних застосувань, зокрема запропоновано структуруфотоелектричного перетворювача з використанням антивідбивного покриття увигляді ансамблів нанодротин кремнію, що дозволяє підвищити ефективністьперетворення фотоелектричних перетворювачів за рахунок збільшенняпоглинання світла.

Практичне значення одержаних результатів.· Розроблені технологічні основи вирощування субмікронних та нанорозмірних

НК методом хімічного парового осадження у відкритій системі далиможливість створити мікро- та нанокристали на основі НК із заданимивластивостями і геометрією, зокрема створено ансамблі нанодротин Si накремнієвій підкладці.

· Розроблено методику вимірювання теплопровідності ниткоподібних мікро- інанокристалів Si та твердого розчину Si1-xGex на основі методу 3w.

· Створено сенсори температури з термоелектричним принципом дії з точністювимірювання різниці температур 0,1 К, а також сенсори одночасноговимірювання індукції магнетного поля до 14 Тл і температури в інтервалі 4,2–77 К.

· Запропоновано спосіб одержання поверхневої функціональної нанотекстури наоснові ансамблів нанодротин Si для антивідбивних покриттів фотоелектричнихперетворювачів.Новизну практичних розробок захищено патентами України.Виготовлені сенсори використовують для виконання наукових досліджень у

Міжнародній лабораторії сильних магнітних полів та низьких температур (м.Вроцлав, Польща), в НДЦ „Кристал”, а також у навчальному процесі кафедринапівпровідникової електроніки Національного університету „Львівськаполітехніка”.

Особистий внесок здобувача в отриманні наукових результатів. Узазначених роботах здобувачу належить: вирощування зразків НК Si та твердогорозчину Si1-xGex у відкритій та закритій системах [1–25]; аналіз та моделюваннякінетики росту нанорозмірних НК [3, 4, 6, 7, 9, 10, 12, 14, 16]; розроблення методівстворення електричних контактів до тонких НК, дослідження магнетоопору таелектропровідності НК Si та твердого розчину Si1-xGex [11, 19, 21, 22], вимірюваннятеплопровідності і термоЕРС НК твердого розчину Si1-xGex [1, 2, 17], розробленняконцепції створення антивідбивної поверхні для фотоелектричних перетворювачів[5, 8, 13, 18, 20] та сенсорів магнетного поля і температури для інтервалу низькихтемператур [15, 23–25]. В усіх роботах спільно зі співавторами проведенопостановку задач досліджень, інтерпретацію результатів експериментів, аналізвиявлених ефектів та особливостей, а також підготовку публікацій до друку.

Апробація основних результатів досліджень. Основні результатидосліджень, які викладено у дисертації, представлено на таких науковихконференціях: Міжнародна конференція “Фізика і технологія тонких плівок”

5

(МКФТТП-XІІ 16–21.05.2009, МКФТТП-XІІІ 16–21.05.2011, Івано-Франківськ,Україна); 12-та Міжнародна науково-практична конференція „Сучасні інформаційніта електроні технології” СІЕТ–2011 (Одеса, 23–27 травня 2011 р.); Int. Conf. TCSET2010 (Lviv–Slavsko, Ukraine, February 23–27, 2010); E-MRS Spring meeting,Strasbourg, France ( 2009, 2010, 9–13 may, Nice, 2011); International Meeting „Clustersand nanostructured materials (CNM-2)” (Uzhgorod, Ukraine, 2009); Міжн. наук. конф.„Органічні і неорганічні матеріали для молекулярної електроніки і нанофотоніки”(23–25 квітня 2010 р., м. Черкаси); Четверта міжнародна науково-практичнаконференція МЕТІТ-4 (19–21 травня 2010 р., Кременчук, Україна); E–MRS 2010 FallMeeting, Warsaw (Poland, 4th–8th September); 8-th Intern. conf. on elecronic proceses inorganic and inorganic materials; (17-22 May 2010, Synyogora residence, Ukraine); ІІМежд. научн. конф. „Наноструктурные материалы 2010” (Киев, 2010); ІІ Міжн.конф. „Сучасні проблеми фізики конденсованого стану” (Київ, 2010); Mediterranean-East-Europe Meeting „Multifunctional nanomaterials–2011” (Uzhgorod, 12–14.05.2011);XIth International young scientists’ conference on applied physics (June, 15–18, Kyiv,2011); 7th Int. Conf. on „Microelectronics and computer science” (Chisinau, Moldova,September 22–24, 2011); І Всеукраїнська науково-практична конференція „Фізико-технологічні проблеми радіотехнічних пристроїв, засобів телекомунікацій, нано- тамікроелектроніки” (Чернівці, 13–15.10.2011); та на щорічних Відкритих науково-технічних конференціях професорсько-викладацького складу Інститутутелекомунікацій, радіоелектроніки та електронної техніки Національногоуніверситету „Львівська політехніка” з проблем електроніки (Львів, 2008–2010).

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 25 наукових праць, з яких11 статей у фахових виданнях, 12 публікацій у матеріалах конференцій, 2 патентиУкраїни.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу, чотирьохрозділів, висновків, списку використаних джерел, який налічує 150 бібліографічнихнайменувань, та додатку. Роботу викладено на 146 сторінках, містить 80 рисунків та5 таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИУ вступі обґрунтовано актуальність теми, визначено мету та основні завдання

роботи, показано наукову новизну отриманих результатів та їх практичну цінність, атакож особистий вклад здобувача в отриманні результатів. Наведено дані щодоапробації роботи та її зв’язок з науковим програмами, темами.

У першому розділі наведено огляд сучасних методів отриманняниткоподібних мікро- та нанокристалів Si і твердого розчину Si1-xGex, стан вивченняїх електрофізичних, термо- та фотоелектричних властивостей, а також їхзастосування у приладах, зокрема використання нанодротин у альтернативнихджерелах енергії. Показано, що технологія отримання ниткоподібних мікро- інанокристалів Si та твердого розчину Si1-xGex потребує подальшого розвитку,оскільки усі розглянуті методи їх вирощування складні в експлуатації і дорогі, авідтак не завжди доступні, за винятком методу хімічного парового осадження

6

(більш відомого як CVD). Важливо установити закономірності електрофізичних,термо- і фотоелектричних характеристик мікро- та нанокристалів Si і твердогорозчину Si1-xGex, оскільки це дозволить більш детально вивчити вплив на нихрозмірних ефектів, які виникають не лише у нано-, а й у мікрокристалах. На основіаналізу літературних даних сформульовано основні завдання досліджень, якінеобхідно вирішити у дисертації.

У другому розділі подано короткий опис методики одержання ниткоподібнихмікро- і нанокристалів Si та твердих розчинів Si1-хGeх методом хімічного паровогоосадження (CVD) у відкритій проточній та закритій бромідній системах. Детальнорозглянуто обладнання, необхідне для проведення досліджень. Описано методикустворення електричних контактів та дослідження електрофізичних властивостейнанокристалів Si та твердих розчинів Si1-xGex. Для створення контактів досубмікронних НК діаметром більше 200 нм з метою дослідження їх електрофізичнихвластивостей використовували металевий клей, який за кімнатної температури являєсобою пастоподібну консистенцію на основі композиту ґалію з індієм.Особливостями такої пасти є високі електро- та теплопровідність, які зберігаютьсяяк за кріогенних, так і за високих (до 1200 К) температур, що дозволило впершепровести дослідження опору та магнетоопору субмікронних НК Si та твердогорозчину Si1-хGeх в інтервалі температур 4,2–300 К для створення сенсорів на їхоснові.

Для вимірювання теплопровідності НК розроблено методику на основі методу3w, перевагою якого є те, що замість температурної характеристики тепловихколивань на часовій шкалі використовується частотна залежність. ТеплопровідністьНК твердого розчину Si1-xGex оцінювали, прирівнюючи вихідний сигнал складовоїV3ω до значення теплопровідності еталонного зразка, теплопровідність якого закімнатної температури становила 150 Вт×м-1×K-1. Зразки НК було під’єдано до одногоз плечей моста Уітстона, далі НК нагрівали змінним струмом, який записується увигляді I0sinωt, з дійсними значеннями 20,5 мA та 10,5 мA. Складову сигналу, якавідображає величину теплопровідності V3ω було виділено селективнимпідсилювачем та відображено на екрані осцилографа для кращого контролю точногоналаштування моста Уітстона підбором величини опору Rω.

У третьому розділі проаналізовано особливості вирощування нанорозмірнихниткоподібних кристалів Si та твердого розчину Si1-xGex у відкритій та закритійсистемах методом хімічного парового осадження. Технологія вирощування увідкритій системі передбачала обробку поверхні пластин кремнію, напиленняметалевої плівки та ріст. Згідно механізму пара–рідина–кристал роль металевоїплівки полягає у формуванні нанокрапель, які є каталізатором процесувирощування. У даних досідженнях як метал-каталізатор використовували золото.

Результати проведених експериментів показали, що із зменшенням товщиниосадженої плівки золота середній діаметр коагульованих після відпалу нанокрапельSi–Au зменшується (рис. 1). Установлено, що на підкладці Si з плівкою золотазавтовшки 10 нм за часу росту 5 хвилин з’являлись п’єдестали з середнім діаметромблизько 40 нм (рис. 2, а). Збільшення часу вирощування до 10 хвилин привело до

7

утворення п’єдесталів більшого діаметра – близько 100 нм (рис. 2, б). Виявлено, щоіз зменшенням товщини напиленої плівки зменшуються розміри зародків, що своєючергою приводить до зменшення діаметра НК (рис. 3).

а) б)Рис. 1. Зображення СЕМ розподілу крапель Si–Au після відпалу: (а)

товщина плівки 10 нм; (б) товщина плівки 4 нм

а) б)Рис. 2. Зображення АСМ п’єдесталів на Si підкладці:

(а) – час росту 5 хв; (б) – час росту 10 хв

а) б)Рис. 3. Нанодротини Si, одержані за умов Тросту=580 оС, t=10 хв: (а) товщина

плівки золота 10 нм; (б) товщина плівки золота 4 нм

На основі методу кінетичного експерименту, який дає можливість визначититакі основні параметри росту НК як кінетичний коефіцієнт кристалізації, швидкістьросту, енергію кристалізації тощо, та моделювати процес вирощування дляпрогнозування геометричних розмірів НК, побудовано залежності швидкостіаксіального та радіального росту НК від їх діаметра. На рис. 4, а показано, щошвидкість радіального потовщення (VR) НК найменших діаметрів дуже мала (менше2 нм/хв) і практично не залежить від нього. Натомість кристали більшого діаметразазнають істотного потовщення за механізмом пара–кристал. Виходячи з отриманихданих, можна прогнозувати геометричні розміри ядра та оболонки кристала, що має

8

практичне значення для створення радіальних гетероструктур на основі НКкремнію, які можна використати у фотовольтаїці. Типову залежність швидкостіаксіального росту НК Si від їх діаметра в координатах √VL=f(1/d) показано на рис. 4,б. Швидкість аксіального росту (VL) визначали як відношення довжини НК (L) дочасу (t), упродовж якого відбувався ріст. Точність вимірювання геометричнихрозмірів НК становила ±5 нм. Встановлено, що зі збільшенням діаметра НКшвидкість їх росту зростає. У цьому разі швидкість аксіального росту НКописуватиметься виразом:

úúû

ù

êêë

é÷øö

çèæ W-D

=2

0 4kTdkT

bV ПКLam

(1)

де W – питомий об’єм атома, aпк – питома вільна енергія фазової межі „пара–конденсована пара”, значення яких відповідно дорівнює 7·10-23 см3 і 1230 ерг/см2, k –стала Больцмана, Dmо/kT – пересичення над плоскою поверхнею, d – діаметр НК, b –кінетичний коефіцієнт кристалізації.

Апроксимація залежності √VL=f(1/d) до перетину з віссю абсцис дозволилавизначити критичний діаметр, який дорівнює 45 нм. Під „критичним діаметром”розуміємо, що кристали з меншим, ніж критичний не можуть утворитися за такихумов росту. Розв’язавши рівняння (1) знайдено значення пересичення над плоскоюповерхнею Dmо/kT та кінетичний коефіцієнт кристалізації b, які дорівнюють 0,162 та4·10-4 см×с-1, відповідно.

а) б)Рис. 4. Залежність швидкості радіального (а) та аксіального (б) росту від

діаметра НК

Подальше зменшення діаметра НК можливе з використанням ефекта Гіббса–Томсона, суть якого полягає в тому, що тиск насиченої пари над скривленоюповерхнею є більшим, ніж над плоскою. Тому з метою отримання якомога тоншихНК (d

9

Результати експериментів показали, що у лунках утворювались короткікільцеподібні аморфні нитки Si з середнім діаметром близько 500 нм (рис. 5).Зроблено висновок, що пересичення у лунках зменшилось, причому настільки, щодоставки ростового матеріалу парогазової суміші і тиску насиченої пари булонедостатньо для утворення структури з періодичною решіткою, тобто НК, і, якрезультат, формувались аморфні нитки.

Рис. 5. Утворення аморфних ниток улунках на підкладці кремнію

Рис. 6. Нанокристали Si, одержані узакритій системі

В усіх експериментах (як у відкритій так і у закритій системі) на першій стадіїросту (коли нанокристалів ще немає), виявлено утворення полікристалічногобуферного шару. Дослідження в АСМ поверхні пластини кремнію показали, щовона є „горбкувата”. Оскільки згідно формули (1) критичний діаметр є оберненопропорційний пересиченню, то згідно ефекту Гіббса–Томсона локальне пересиченняв такій ділянці більше, ніж над плоскою поверхнею, чи, тим більше, у лунках. ТомуНК, які виросли за наявності полікристалічного шару (рис. 6), мали меншийкритичний діаметр, а у лунках НК не утворювались взагалі.

Отже, проведені дослідження показали, що на основі методу кінетичногоексперименту, який дає можливість моделювати процес вирощування, окрімкінетичних параметрів росту можна визначити критичний діаметр НК, і у такийспосіб прогнозувати геометричні розміри кристалів.

У четвертому розділі представлено результати досліджень електрофізичнихвластивостей НК Si та твердого розчину Si1-xGex у широкому інтервалі температур(4,2–300 К) та у магнетних полях до 14 Тл, термоелектричних характеристик НК Siта твердих розчинів Si1-xGex, зокрема показано розмірну залежність коефіцієнтатермоЕРС, а також представлено результати досліджень теплопровідності НКтвердих розчинів Si1-xGex методом 3w. Запропоновано концепцію створення сенсорівдля одночасного вимірювання індукції магнетного поля і температури, сенсорівтемператури з термоелектричним принципом дії для інтервалу температур 4,2–77 К,а також антивідбивного покриття на основі ансамблів нанодротин кремнію дляфотоелектричних перетворювачів.

10

а) б)

в)

Рис. 7. Температурна залежність опорузразків НК: (а) – НК Si1-xGex (d=200 нм,r300K=0,02 Ом·см); (б) – НК Si1-xGex(d=20 мкм, r300K=0,02 Ом×см); (в) – НКSi (d=5 мкм, r300K=0,01 Ом×см)

Результати досліджень електрофізичних властивостей вирощених НКпоказали, що температурні залежності опору НК Si та твердого розчину Si1-xGexрізного діаметра є лінійними в інтервалі 4,2–77 К (рис. 7).

Причому в НК твердого розчину Si1-xGex з діаметром 200 нм виявлено змінузначення енергії активації провідності домішкового рівня ΔЕ2. Зокрема, порівнянняенергій активації досліджуваних НК з літературними даними показало, що енергіяактивації провідності основного рівня НК твердих розчинів Si1-xGex з діаметромпорядку 200 нм однакова, а домішкового – менша, ніж очікувалось для таких НК зпитомим опором 0,02 Ом·см, і дорівнює ΔЕ2=3,2 меВ. Зроблено припущення, щовиявлена зміна в енергії активації спричинена деформацією розтягу ядра кристала,зокрема із-за несумірності параметрів кристалічної решітки виникають напруженняна межі кристалічного ядра та нанопористої оболонки, унаслідок чого ядро зазнаєчасткового розтягу.

Установлено, що залежність магнетоопору НК Si та твердого розчину Si1-хGeху магнетних полях до 14 Тл лінійна, при цьому максимум відносної зміни опору дляНК твердого розчину Si1-хGeх завтовшки 200 нм дорівнює 250 % за температури4,2 К (рис. 8, а) і магнетного поля 14 Тл, тоді як для НК Si з діаметром 5 мкм – лише3 % за 4,2 K (рис. 8, б).

11

а) б)Рис. 8. Польова залежність магнетоопору НК Si1-xGex (d=200 нм, r300K=0,02

Ом×см) (а) та НК Si (d=5 мкм, r300K=0,01 Ом×см) (б)

Враховуючи лінійну температурну залежність опору НК Si1-хGeх, розробленосенсор магнетного поля і температури, градуювальні характеристики якого показанона рис. 9. Особливістю такого сенсора є одночасне вимірювання двох величин –індукції магнетного поля і температури в інтервалі 4,2–77 К. Чутливість сенсора домагнетного поля 20%/Тл за температури 4,2 К, що дозволяє вимірювати індукціюмагнетного поля з точністю 5 мТл. Незважаючи на те, що на цей час длявимірювання слабких магнетних полів використовують датчики Холла або серійнімагніторезистори, наприклад, типу СМ4-1, та все ж для сильних магнетних полів інизьких температур запропоновані сенсори можуть знайти широке застосування.

а) б)Рис. 9. Градуювальні характеристики терморезистивної (а) та магнітної (б)складової віток чутливих елементів сенсора магнетного поля і температуриРезультати дослідження термоелектричних характеристик НК Si1-xGex (х=0,05)

з діаметром 50 мкм та питомим опором 0,025 Oм·cм показали, що температурназалежність теплопровідності має спадний характер (рис. 10, а) і поблизу кімнатнихтемператур значення теплопровідності НК Si діаметром 50 мкм сумірне іззначенням для масивного кремнію, у той час як для НК Si1-xGex воно на 30% менше ідорівнює 100 Вт·м-1·K-1.

12

а) б)Рис. 10. Теплопровідність (а) та термоелектрична ефективність (б) НК

Si0,95Ge0,05 (d=50 мкм, r300K=0,025 Oм·cм) за підвищених температур

Отримане значення ZT=0,01 вказує на невисоку термоелектричнуефективність НК Si1-xGex з вмістом ґерманію 3–5 ат. % в даному інтервалітемператур (рис. 10, б), проте дані термоелектричні властивості таких НК єсумірними до значень композиту p-Si0,8Ge0,2 з пресованих наночастинок кремнію таґерманію (ZT=0,02 при 400 К). Підвищити ефективність перетворення тепловоїенергії в електричну можна зменшенням масивів чи індивідуальних НК Si1-xGex донанорозмірів.

На основі аналізу вкладу явища фононного захоплення в коефіцієнт термоЕРСвстановлено, що у НК Si1-xGex порівняно з масивним Si1-xGex збільшилась рухливістьдірок, що свідчить про зменшення розсіювання носіїв заряду на фононах.Збільшення ефекту фононного захоплення можна пояснити, виходячи з міркувань,

які представлено вище, тобто деформацієюрозтягу ядра НК на межі з нанопористоюоболонкою, оскільки відомо, щодеформація розтягу істотно впливає назначення коефіцієнта термоЕРС, зокремамаксимум температурної залежностікоефіцієнта термоЕРС зміщується в біквищих температур.

На рис. 11 показано температурнузалежність коефіцієнта термоЕРС для НКSi1-xGex з питомим опором ρ=0,02 Ом·см тадіаметром 20 мкм (крива 3) порівняно зізразками НК Si1-xGex (d=40–60 мкм) –вільного (крива 1) та на кварцовійпідкладці, яка забезпечувала розтягкристала внаслідок різниці термічних

коефіцієнтів лінійного розширення підкладки та НК (крива 2).За відсутності деформації температурна залежність коефіцієнта термоЕРС НК

Si1-xGex – це крива з максимумом поблизу температур Т»120–140 К. З фізичного

Рис. 11. Залежність коефіцієнтатермоЕРС НК Si1-xGex (x=0,03;r300K=0,02 Ом·см): 1 – вільний зразок;2 – на кварцовій підкладці; 3 – зразокНК Si1-xGex (d=20 мкм)

13

погляду наявність максимуму коефіцієнта Зеєбека на температурній залежності длявільних (недеформованих) зразків Si1-xGex пояснюється ефектом фононногозахоплення носіїв заряду. За температур більше 50 К спостерігається класичнийхарактер п’єзо-термоЕРС, що відповідає “сміттівській” поведінці п’єзоопору –збільшення α за розтягу. Як бачимо, деформація розтягу (рис. 11, криві 2 та 3) дещопідсилює цей ефект, що й приводить до зростання значення максимума коефіцієнтатермоЕРС.

На основі цих результатів запропоновано сенсор температури і різницітемператур, де як чутливі елементи використано НК твердого розчину Si1-xGex зпитомим опором r300K=0,02 Ом×см і завтовшки 20 мкм, що дало можливістьпідвищити точність вимірювання різниці температур унаслідок збільшення значеннякоефіцієнта термоЕРС, яке випливає з розмірної залежності. Також удосконаленокорпусну конструкцію, яка дозволяє коректно вимірювати температуру поверхонь.

З метою використання вирощених нанокристалів кремнію у приладах наоснові порівняння спектрального поглинання з відповідним для інших структурФЕП показано значне збільшення поглинання ансамблів нанокристалів кремнію успектральному діапазоні 300–1100 нм. Враховуючи це, запропоновано спосібодержання поверхневої нанотекстури з використання ансамблів нанодротинкремнію як антивідбивного покриття фотоелектричних перетворювачів (схематичнозображено на рис. 12).

Рис. 12. Схематичне зображенняструктури ФЕП з ансамблем НК Si:р-Si – пластина кремнію (тіло ФЕП);n-Si – p–n-перехід; SiNW – кремнієвінанокристали; ІТО (indium tin oxide) –прозорий провідний контакт; Al –нижній алюмінієвий контакт

Незважаючи на те, що ефективність перетворення енергії фотоелектричнихперетворювачів на основі нанодротин кремнію на сьогодні невисока, все ж є низкатехнологічних підходів підвищити ефективність перетворення енергії, зокремапасивуванням поверхні антивідбивного покриття ансамблів нанодротин.

У додатку математичні розрахунки інтеграла зіткнень та документи провикористання результатів дисертації.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ ТА ВИСНОВКИУ результаті проведених досліджень, на основі встановлення закономірностей

отримання та зміни властивостей ниткоподібних мікро- і нанокристалів Si татвердих розчинів Si1-xGex розв’язано науково-прикладну задачу розроблення тапрогнозування характеристик сучасних приладів, зокрема сенсорів одночасного

14

вимірювання індукції магнетного поля і температури, фотоелектричнихперетворювачів та сенсорів температури з термоелектричним принципом дії.1. У результаті проведених ростових експериментів у відкритій водневій та

закритій бромідній системах отримано ансамблі нанодротин Si з середнімдіаметром 200 нм. Показано, що середній діаметр нанодротин залежить віддіаметра коагульованих нанокрапель Si–Au, а діаметр останніх – від товщиниосадженої плівки золота, при цьому збільшення часу росту приводить дозростання діаметра нанодротин. Показано, що на першій стадії процесувирощування методом хімічного парового осадження поверхня кремнієвоїпідкладки вкривається полікристалічним буферним шаром, який є джереломвисокого локального пересичення в ділянках утворення нанодротин, що даломожливість зменшити їх діаметр до нанорозмірів.

2. Проведено моделювання кінетики процесу вирощування, яке дає можливістьпрогнозувати геометричні розміри кристалів, виходячи з оцінки основнихпараметрів цього процесу. На основі моделювання аксіального росту кремнієвихниткоподібних кристалів методом хімічного парового осадження у закритійсистемі визначено критичний діаметр нанокристалів (45 нм), який обмежуєтьсяграничним пересиченням у системі. Показано, що швидкість радіального ростунанорозмірних НК найменшого діаметра дуже мала і практично не залежить віддіаметра, натомість кристали більшого діаметра зазнають істотного потовщенняза механізмом пара–кристал, що дає змогу прогнозувати геометричні розміриядра та оболонки кристала для створення радіальних гетероструктур, придатнихдля фотоелектричних застосувань.

3. Результати досліджень електропровідності НК Si1-xGex показали, що у зразках НКSi1-xGex з питомим опором 0,02 Ом·см (d=200 нм) зменшилась енергія активаціїпровідності DЕ2, що пов’язано з впливом нанопористої оболонки, за рахунок якоївідбувається деформація ядра кристала унаслідок напружень, зумовленихнесумірністю параметрів кристалічної рештіки на межі кристалічного ядра таоболонки.

4. Встановлено, що в інтервалі 4,2–77 К температурна залежність опору та польовазалежність магнетоопору зразків НК твердих розчинів Si1-xGex завтовшки 200 нмлінійні, причому максимальне значення магнетоопору становило 250 % заіндукції магнетного поля 14 Тл і температури 4,2 К, що дозволило використати їхяк чутливі елементи сенсорів для одночасного вимірювання індукції магнетногополя і температури.

5. Встановлено, що термоелектричні характеристики субмікронних НК Si татвердого розчину Si1-xGex відрізняються від характеристик масивного матеріалу,що проявляється у зростанні ефекту фононного захоплення носіїв заряду тазменшенні їх розсіювання на фононах. Причиною є деформація розтягукристалічного ядра НК унаслідок несумірності параметра решітки ядра тананопористої оболонки кристала, що привело до збільшення коефіцієнтатермоЕРС і зумовило зміщення його максимального значення у бік вищихтемператур. Це дозволило розробити сенсор температури та різниці температур

15

для інтервалу 4,2–77 К, де як чутливі елементи використано НК Si1-xGexдіаметром 20 мкм, які володіють покращеними характеристиками завдяки проявурозмірної залежності коефіцієнта термоЕРС.

6. На основі результатів досліджень оптичних властивостей нанокристалів кремніюпоказано, що вони мають широкий спектр поглинання сонячного світла, щодозволило використати їх як антивідбивне покриття фотоелектричнихперетворювачів.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ1. Si and Si-Ge wires for thermoelectrics / A. Druzhinin, I. Ostrovskii, Iu. Kogut, S.

Nichkalo, T. Shkumbatyuk // Physica Status Solidi (C). – 2011. – V. 8 (3). – P. 867–870.

2. Seebeck’s effect in p-SiGe whisker samples / A.P. Dolgolenko, A.A. Druzhinin, A.Ya.Karpenko, S.I. Nichkalo, I.P. Ostrovsky, P.G. Litovchenko, A.P. Litovchenko //Semiconductor Physics, Quantum Electronics & Optoelectronics. – 2011. – V. 14 (4). –P. 456–460.

3. Особливості створення нанорозмірних кристалів кремнію / А.О. Дружинін, І.П.Островський, Ю.М. Ховерко, С.І. Нічкало // Фізика і хімія твердого тіла. – 2009. –Т. 10, № 4. – C. 777–780.

4. Получение нитевидных нанокристаллов Si и SiGe / А.А. Дружинин, И.П.Островский, Ю.Н. Ховерко, С.И. Ничкало // Зб. наук. праць „Наносистеми,наноматеріали, нанотехнології”. – 2011. – Т. 9. – С. 925–931.

5. Низкоразмерные кристаллы кремния для фотоэлектрических преобразователей /А.А. Дружинин, И.П. Островский, Ю.Н. Ховерко, С.И. Ничкало, Е.И.Бережанский // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. – 2011.– № 5. – С. 11–13.

6. Моделювання кінетики росту нанорозмірних кристалів кремнію / А.О. Дружинін,І.П. Островський, Ю.М. Ховерко, С.І. Нічкало // Нові технології. – 2010. – № 2(28). – С. 75.

7. Аналіз кінетики росту нановіскерів кремнію / А.О. Дружинін, С.І. Нічкало, Ю.Р.Когут, А.М. Вуйцик // Зб. наук. праць „Наносистеми, наноматеріали,нанотехнології”. – 2011. – Т. 9. – С. 933–940.

8. Використання наноструктур кремнію в фотоелектричних перетворювачах / А.О.Дружинін, В.Ю. Єрохов, І.П. Островський, Ю.М. Ховерко, С.І. Нічкало // ВісникЧеркаського Національного університету ім. Б. Хмельницького. Серія «Хімічнінауки». – 2010. – Вип. 175. – С.51–54.

9. Вирощування нано- та мікродротин кремнію методом CVD та можливість їхсенсорних застосувань / А.О. Дружинін, І.П. Островський, Ю.М. Ховерко, С.І.Нічкало // Наук.-техн. збірн. „Электроника и связь”. – 2009. – № 2–3. – С. 56–60.

10.Вирощування нанорозмірних кристалів Si методом газофазової епітаксії / А.О.Дружинін, І.П. Островський, Ю.М. Ховерко, С.І. Нічкало // Вісник НУ „Львівськаполітехніка” “Електроніка”. – 2009. – № 646. – С. 11–16.

11.Магнетоопір ниткуватих кристалів Si-Ge з концентрацією домішки в околі

16

концентраційного переходу метал-діелектрик за кріогенних температур / А.О.Дружинін, І.П. Островський, Ю.Р. Когут, С.І. Нічкало // Вісник НУ „Львівськаполітехніка” “Електроніка”. – 2008. – № 619. – С. 127–134.

12.Патент № 63926 Україна, МПК H01L 21/00, C30B 29/00 Спосіб одержаннямасивів нанокристалів кремнію / А.О. Дружинін, І.П. Островський, С.І. Нічкало,Ю.М. Ховерко; заявник і власник патенту Національний університет „Львівськаполітехніка”. – № u201103520; заявл. 24.03.2011; опубл. 25.10.2011, Бюл. № 20,2011 р.

13.Патент № 66137 Україна, МПК H01L 31/05 Спосіб одержання поверхневоїфункціональної нанотекстури / А.О. Дружинін, В.Ю. Єрохов, І.П. Островський,С.І. Нічкало, Ю.М. Ховерко; заявник і власник патенту Національний університет„Львівська політехніка”. – № u201106810; заявл. 30.05.2011, опубл. 26.12.2011,Бюл. № 24, 2011р.

14.Growth of Si wires array by CVD method / A.A. Druzhinin, I.P. Ostrovski, Yu.M.Khoverko, S.I. Nichkalo // E-MRS 2009 Spring Meeting, Strasbourg (France), June 8–12, 2009: Book of Abstracts. Symposium: I Advanced Silicon materials research forelectronic and photovoltaic applications. – 2009. – P. 155.

15.Microelectromechanical System Design Based on Si Nanowires / A. Klimovskaya, I.Ostrovskii, Yu. Khoverko, S. Nichkalo // Proc. of the Xth Int. Conf. “The Experience ofDesigning and Application of CAD Systems in Microelectronics”, February 28–29,2009, Svalyava, Ukraine. – 2009. – P. 504–505.

16.Peculiarities of Si nanowires growth / A.A. Druzhinin, I.P. Ostrovskii, Yu.M.Khoverko, S.I. Nichkalo // Materials of International Meeting “Clusters andnanostructured materials (CNM-2)”, September 27–30, 2009, Uzhgorod, Ukraine. –2009. – P. 58.

17.One-dimensional silicon-based crystals for thermoelectrics / A. Druzhinin, I.Ostrovskii, Iu. Kogut, S. Nichkalo // Proceedings of the International ConferenceTCSET ’2010, February 23–27, 2010, Lviv-Slavske, Ukraine. – 2010. – P. 327-328.

18.Використання кремнієвих нанодротів в сучасних фотоелектричнихперетворювачах / С.І. Нічкало, В.Ю. Єрохов, І.П. Островський // XIII наук.-техн.конф. Інституту телекомунікацій, радіоелектроніки та електронної техніки НУ„Львівська політехніка” з проблем електроніки, 13–15.04.2010, Львів: Тезидоповідей. – 2010. – С. 49.

19.Strain-induced magnetoresistance of Si1-xGex whiskers / A.A. Druzhinin, I.P.Ostrovskii, N.S. Liakh-Kaguy, Iu.R. Kogut, S.I. Nichkalo // 8-th Int. Conf. onElectronic Processes in Organic and Inorganic Materials, May 17–22, 2010, Ivano-Frankivsk, Ukraine: Book of Abstracts. – 2010. – P. 67–68.

20.Growth of Si-based nanowires for alternative energy sources / A.A. Druzhinin, Yu.M.Khoverko, S.I. Nichkalo, Iu.R. Kogut // E-MRS 2010 Fall Meeting, Warsaw (Poland),September 13–17, 2010: Scientific Programme and Book of Abstracts. Symp.E:Nanoscaled Si, Ge based materials. – 2010. – P.40.

21.Hysteresis of magnetic susceptibility of Si nanowires / A.A. Druzhinin, I.P. Ostrovskii,S.I. Nichkalo, R.M. Koretskii // Materials of the Mediterranean-East-Europe Meeting

17

„Multifunctional nanomaterials (NanoEuroMed 2011)”, 12–14.05.2011, Uzhgorod,Ukraine. – 2010. – P. 47.

22. Investigation of Ga-In contacts to Si and Ge wires for sensor application / A.O.Druzhinin, Yu.M. Khoverko, I.P. Ostrovskii, S.I. Nichkalo, A.A. Nikolaeva, L.A.Konopko, I. Stich // Materials of XIII Int. conf. Physics and technology of thin filmsand nanosystems, May 16–21, Ivano-Frankivsk. – 2011. – V. 1. – P. 234.

23.The wireless hardware-software system of strain measurement / R.M. Koretskii, S.I.Nichkalo, Ye.I. Berezhanskii, Iu.R. Kogut // Proceedings of the XIth Internationalyoung scientists’ conference on applied physics, June 15–18, Kyiv. – 2011. – P. 205–206.

24.Si, Ge and SiGe wires for sensor application / A.A. Druzhinin, Yu.M. Khoverko, I.P.Ostrovskii, S.I. Nichkalo, A.A. Nikolaeva, L.A. Konopko, I. Stich // Proceedings of the7th Int. conf. on “Microelectronics and computer science”, September 22–24, Chisinau,Moldova. – 2011. – P. 59–62.

25.Система моніторингу температури та магнітного поля на основі нитчастихкристалів SiGe / А.О. Дружинін, Ю.М. Ховерко, І.П. Островський, А.М. Вуйцик,Р.М. Корецький, С.І. Нічкало // Матеріали І-ї Всеукр. наук.-практ. конф. «Фізико-технологічні проблеми радіотехнічних пристроїв, засобів телекомунікацій, нано-та мікроелектроніки» 13–15 жовтня, Чернівці, Україна. – 2011. – С. 201–203.

АНОТАЦІЯНічкало С.І. Отримання та характеристики ниткоподібних мікро- і

нанокристалів Si та твердих розчинів Si1-xGex для приладних застосувань. –Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук заспеціальністю 05.27.01 – твердотільна електроніка. – Національний університет„Львівська політехніка”, Львів, 2012.

Дисертація присвячена дослідженню технологічних умов вирощуванняниткоподібних мікро- і нанокристалів Si та твердих розчинів Si1-xGex, вивченнюкінетики їх утворення, а також дослідженню властивостей для розширення існуючихуявлень про фізичну природу багатьох процесів у твердих тілах, що даломожливість розробити концепцію створення нових сучасних приладів із напередзаданими та прогнозованими характеристиками. Наведено результати дослідженьелектрофізичних, термо- та фотоелектричних властивостей ниткоподібних мікро- інанокристалів Si та твердих розчинів Si1-xGex.

Встановлено, що температурна залежність опору і польова залежністьмагнетоопору НК Si1-xGex (d=200 нм) та Si (d=5 мкм) лінійні в інтервалі 4,2–77 К, авідносна зміна опору для зразків НК Si1-xGex (d=200 нм) становила 250 % за індукціїмагнетного поля 14 Тл і температури 4,2 К, що дозволило розробити на їх основісенсор одночасного вимірювання індукції магнетного поля та температури.

Встановлено, що термоелектричні характеристики субмікронних НК твердогорозчину Si1-xGex відрізняються від характеристик масивного матеріалу, що пов’язаноз нанопористою оболонкою кристалів. Розроблено сенсор температури та різниці

18

температур для інтервалу 4,2–77 К на основі НК Si1-xGex, які володіютьпокращеними характеристиками завдяки прояву розмірної залежності коефіцієнтатермоЕРС.

Запропоновано удосконалену модель фотоелектричного перетворювача звикористанням антивідбивної поверхні у вигляді ансамблів нанодротин кремнію.

Ключові слова: ниткоподібний кристал, твердий розчин кремній–ґерманій, магнетоопір, коефіцієнт термоЕРС, фотоелектричний перетворювач,сенсор.

АННОТАЦИЯНичкало С.И. Получение и характеристики нитевидных микро- и

нанокристаллов Si и твёрдых растворов Si1-xGex для приборных применений. –Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук заспециальностью 05.27.01 – твердотельная электроника. – Национальныйуниверситет „Львивська политэхника”, Львов, 2012.

Диссертация посвящена исследованию технологических условийвыращивания нитевидных микро- и нанокристаллов Si и твёрдых растворов Si1-xGex,изучению кинетики их образования, а также исследованию свойств для расширениясуществующих представлений о физической природе многих процессов в твердыхтелах, что позволило разработать концепцию создания новых современныхприборов с заданными и прогнозируемыми характеристиками. Приведенырезультаты исследований электрофизических, термо-и фотоэлектрических свойствнитевидных микро-и нанокристаллов Si и твёрдых растворов Si1-xGex.

В результате проведенных ростовых экспериментов в открытой и закрытойсистемах получены ансамбли нанонитей Si со средним диаметром 200 нм. Показано,что на первой стадии процесса выращивания методом химического паровогоосаждения поверхность кремниевой подложки покрывается поликристаллическимбуферным слоем, который является источником высокого локального пресыщение вучастках образования нанокристаллов. На основе моделирования аксиального ростанитевидных кристаллов определен их критический диаметр (45 нм).

Установлено, что температурная зависимость сопротивления и зависимостьмагнетосопротивления от магнитного поля НК Si1-xGex (d=200 нм) и Si (d=5 мкм)имеет линейный характер в интервале 4,2–77 К, а относительное изменениесопротивления НК Si1-xGex (d=200 нм) составляло 250% при индукции магнитногополя 14 Тл, что позволило разработать на их основе сенсор для одновременногоизмерения индукции магнитного поля и температуры.

Установлено, что термоэлектрические характеристики субмикронных НКтвёрдого раствора Si1-xGex отличаются от характеристик массивного материала, чтопроявляется в росте эффекта фононного увлечения носителей заряда. Причинойявляется деформация кристаллического ядра НК вследствии рассогласованияпараметров решетки ядра и нанопористой оболочки кристалла, что привело кувеличению коэффициента термоЭДС и обусловило смещение его максимального

19

значения в сторону более высоких температур. Это позволило разработать сенсортемпературы и разности температур для интервала 4,2–77 К, где в качествечувствительных элементов использовали НК Si1-xGex диаметром 20 мкм,обладающих улучшенными характеристиками благодаря проявлению размернойзависимости коэффициента термоЕРС.

Предложена усовершенствованная модель фотоэлектрическогопреобразователя с использованием антиотражающей поверхности в виде ансамблейнанокристаллов кремния.

Ключевые слова: нитевидный кристалл, твёрдый раствор кремний–германий, магнетосопротивление, коэффициент термоЭДС, фотоэлектрическийпреобразователь, сенсор.

ABSTRACTNichkalo S.I. Preparation and characteristics of Si and Si1-xGex solid solution

micro- and nanowires for device applications. – Manuscript.Thesis for a candidate’s degree by specialty 05.27.01 – solid state electronics. –

Lviv Polytechnic National University, Lviv, 2012.The thesis is devoted to research of technological growing conditions of Si, Si1-xGex

solid solution micro- and nanowires, study of the kinetics of their formation and study ofthe their properties for the expansion of existing ideas about the physical nature of manyprocesses in solids, making it possible to develop a concept for a new modern devices withpredetermined and predictable characteristics. The research results of studying theirelectrophysical, thermal and photovoltaic properties of micro-and nanocrystals of Si,Si1-xGex solid solution micro- and nanowires are presented. It was found that thedependence of magnetoresistance on magnetic field for Si1-xGex nanowires (d=200 nm)and Si (d=5 mm) possesses the linear character, and the relative change in resistance forSi1-xGex nanowires samples was 250 % at magnetic 14 T and temperature 4,2 K. Theconcept of making sensors on the basis of Si1-хGeх nanowhiskers detecting simultaneouslymagnetic field and temperature has been proposed. It was found that the thermoelectricproperties of submicron wires differs from that of bulk crustals due to the presence ofnanoporous shell in crystals. In particular, the decreased scattering of charge carriers byphonons and the enhanced phonon drag effect in whiskers is caused by interface tensionbetween crystalline core and nanoporous shell and the shifting maximum value ofthermopower on its temperature dependence towards higher temperatures confirmedprevious thought. These results allowed to design thermoelectric sensor operating at 4,2–77 K, which have improved characteristics due to size dependenced thermopowercoefficient. An improved model of the photoelectric converter using antireflective coatingin the form of Si nanowires array is proposed.

Keywords: nanowires, silicon-germanium solid solution, magnetoresistance,thermopower coefficient, photoelectric converter, sensor.

спеціалізованої вченої ради Д 35.052.13Заячук Д.М.