Научный журнал

Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований

ISSN 1996-3955

ИФ РИНЦ = 0,593

• Авторы
• Резюме
• Файлы
• Ключевые слова
• Литература

Наджафов Б.А. 1

---

1 Институт радиационных проблем НАН Азербайджана

В работе исследованы спектры ИК поглощения пленок сплавов а-nk-Si:H (а-аморфные, nk-нанокристаллические) в диапазоне энергии 0,03 ÷ 3,0 эВ. Определены оптические коэффициенты поглощения (α) пленок для слабо и сильно поглощающих областей спектра, а также определены коэффициенты преломления (n) и коэффициенты ослабления (к0) для различных прозрачных и не прозрачных подложек.

Статья в формате PDF

1090 KB

аморфные пленки

нанокристалические пленки

оптические константы

поглощение

отражение.

1. Физика гидрогенизированного аморфного кремния. Под ред. Дж. Джоунпулоса, Дж. Люковски. – М.: Мир, 1988. – 447 с.

2. Наджафов Б.А., Исаков Г.И. Оптические свойства аморфных пленок твердого раствора а-Si1–xGex:H с различной концентрацией водорода // ЖПС. – 2005. – v. 72; № 3. – С. 371–376.

3. Gridorichi, Vancu A. Optical constants of amorphous silicon films near the main absorption edge // Thin Solid Films, 1988, v. 2, p. 105–110.

4. Brodsky M.H., Cardona M. Infrared and Raman spectra of the silicon-hydrogen bands in amorphous silicon prepared by glow discharge and sputtering // Phys. Rev. B, 1977, v. 16, №8, p. 3556–3571.

5. Clark A.H. Electrical and optical properties of amorphous germanium // Phys. Rev. B, 1967, v. 154, №3, p. 750–756.

6. Connel G.A., Temkin R.J., Paul W. Amorphous germanium. Optical properties // Adv. phys., 1973, v. 22, p. 643–648.

7. Метфессель С. Тонкие пленки, изготовление и измерение / Пер. с нем. – М.: Госэнергоиздат, 1963.

8. Хевенс О.С. Измерение оптических констант тонких пленок // Физика тонких пленок. т. 2 / Пер. с англ. – М.: Мир, 1967.

9. Мосс Т. Оптические свойства полупроводников. Пер. с англ. – М.: ИЛ, 1961.

10. Раков А.В., Потапов Е.В., Мизгириева Л.П. Влияние интерференции света в пленке двуокиси кремния на спектр отражения системы SiO2–Si в области 9 мкм // Оптика и спектроскопия. – 1968. – Т. 5, вып.1.

11. Севченко Н.А., Флоринская В.А. Спектры пропускания кварцевого стекла в области 2–24 мкм // Оптика и спектроскопия. – 1958. – Т. 5, вып.1.

12. Борн М., Вольф Э. Основы оптики / Пер. с англ. – М.: Наука, 1970.

13. Петраш Г.Г. Ширина и форма инфракрасных полос поглощения // Оптика и спектроскопия/ – 1960. – Т. 56. вып. 1.

14. Наджафов Б.А. Определение содержания водорода в аморфных пленках твердого раствора а-Si1–xCx:H оптическим методом // ISAEE. – 2007. – № 1, (29). – С. 49–54.

15. Наджафов Б.А. Аморфные и микрокристаллические полупроводники // Сб. тр. III Межд. конф. – СПб., 2002. – C. 38–39.

16. Tauc J. // The optical properties of solid (ed F. Abeles), 1970, p. 277, North-Holland, Amsterdam.

17. Tsu R., Howard W.E., Esaki Z. Optical and electrical properties and band structure of GeTe and SnTe // Phys. Rev. 15 August 1968, v. 172, №3, p. 779–788.

В мировой науке проводилось достаточное исследование в направлении измерения и изучения тонких пленок. Однако в направлении измерения интерференции и расчета оптического поглощения не получены конкретные формулы, которые могли бы упростить результаты экспериментальных работ. В этой работе проводился краткий анализ опубликованных многочисленных статей и получены расчеты, улучшающие работы исследователей.

Пленки Si и их сплава характеризуется различными структурными фазами. Наиболее интересными из них являются кристаллическими зерна, находящиеся в аморфной матрице.

Наноразмерные эффекты тонких пленок сопровождаются образованием нанотрубок, нанопроволок, наночастиц, фуллеренов, эндофуллеренов, графитов, графанов, кластеров и др. Образование этих наноматериалов обычно связано структурными дефектами, наличием и ролью водорода в их составе. В литературе оптические свойства наноматериалов изучены недостаточно.

Поэтому измерение оптических параметров – коэффициентов поглощения (a), отражения (R), пропускания (Т), преломления (n), коэффициент ослабления (к0), толщины (d) тонких пленок и определение на их основе ширины запрещенной зоны (Е0) представляют интересным [1–15].

Используя условие сохранения энергии можно найти коэффициент поглощения α:

.

Из-за многократных отражений в подложке и пленке , задача установления связи между R и Т и оптическими константами не тривиальна. Обычно делается несколько упрощающих предположений для получения связи измеряемых величин R, Т, α, n и k0. При прохождении светом границы раздела двух сред, падающий луч разбивается на отраженный и преломленный. Направления этих лучей определяется законами геометрической оптики – законами отражения и преломления. Формулы Френеля, полученные для границы раздела двух не поглощенных сред, могут быть обобщенные для случая, когда световая волна падает на границу с поглощающей средой. Из электродинамики известно, что поглощающие среды в отличие от диэлектриков характеризуются комплексным значением диэлектрической проницаемости, следовательно, и комплексным показателем преломления:

,

Действительная часть комплексного показателя преломления определяет скорость распространения волны в веществе, а его мнимая часть характеризует затухание волны при ее распространении в поглощающей среде и называется показателем поглощения. Величины n и k0 определяют оптические свойства вещества и их часто называют оптические константами данного вещества. При падении света на плоскую поверхность поглощающей среды, формулы Френеля сохраняют свой вид, с той только разницей, что действительный показатель преломления заменяется комплексной величиной .

На практике всегда имеют дело с толстой подложкой (). В этом случае интерференционные явления не наблюдаются, поскольку измерение производится не для одной длины волны , а для некоторого участка спектра , пропускаемого монохроматором.

Анализ достаточно подробных обзоров работ, в которых обсуждается формула для определения Т, позволяет нам воспользоваться конкретным известным соотношением [2, 4]:

, (1)

Приняв здесь, что:

(2)

Тогда для слабо поглощающих областей света . Отметим, что k0 – показывает ослабление света в системе пленке-подложке, толщина пленки d, определяется в этом случае из соответствующих экстремумов пропускания или отражения из интерференционных полос.

Это уравнение хорошо согласуется с уравнением для прозрачной подложки в сильно и слабо поглощающих областях спектра. Подложка обычно выбирается NaCl, кварц, стекло, KBr, CsJ и т.д.

Здесь соответственно отражение света пленка-воздух, пленка-подложка, подложка-воздух. a – коэффициент поглощения данной плени, d – толщина пленки, Т – пропускание пленки, n – коэффициент преломления и k0– коэффициент ослабления света в система пленка-подложка, – коэффициенты преломления подложки.

, (3)

.(4)

Уравнением (4) определяется коэффициент ослабление (k0) в пленках сплавов а-nk-Si:Н. Отметим, что полученные результаты также можно использовать и для других полупроводниковых материалов в том числе GeTe, SnTe, PbTe, а-nk-Si:Н:B, а-nk-Si:Н:P, мк-Si:Н, мк-Si:Н:Р, мк-Si:Н:В, мк-Si:С:Н, Si1-хОх , а-Si1-хNх:Н [16]:

, , ,

,

.

Частные случаи:

1) n=1 тогда:

,

, ,

, .

2) n1=1 тогда:

.

При , тогда

,

,

. (5)

3) если n=1, тогда:

,

,

.

4) если n1=1, тогда :

, (6)

если , тогда:

,

,

,

. (7)

5) n=1 и n1=1, тогда:

,

,

,

,

,

или

,

,

,

,

,

,

,

,

,

, ,

,

,

,

тогда:

и ,

,

,

тогда:

.

Здесь:

,

, (8)

Значит коэффициенты поглощения (α) можно определить с помощью уравнения (8). А, что касается определения толщины пленок, то ее значение определяется из следующих соотношений:

. (9)

Это уравнение используется для определения толщины пленок, если коэффициент преломления известен.

Соответственно коэффициенты преломления определяются при помощи следующее уравнении из общих кривых поглощения (α) следующим образом [2,4]:

, (10)

здесь ν – частота соответствующих длин волн; с – скорость света; – длины волны соответствующих экстремумов.

Отражение и пропускание в системе пленки и подложки слабо поглощаемых областях спектра, на не прозрачный подложке имеет вид [16–17]:

, (11)

, (12)

здесь Т23 – пропускание света пленки и подложки:

. (13)

Это значение показывает пропускание пленки на не прозрачной подложке. Соответственно отражение пленки на не прозрачной подложке определяется в следующем виде:

, (14)

. (15)

(16)

. (17)

В уравнении (15), проведя замену на , а также на  и подставив в уравнение (17), получаем следующую формулу:

. (18)

Используя коэффициент пропускания из уравнения (16), находим следующим образом. Здесь сделаем замену

.

Если , то:

. (19)

.(20)

Для аморфных, нанокристаллических (а-nk-Si:H) сплавов Si:H, оптическую ширину зоны определяют из данных по поглощению, которые описывается соотношением в следующем виде:

, (21)

здесь  – коэффициент поглощения,  – ширина запрещенной зоны, которая определяется из наклона зависимости [17].

Заключение

Результаты полученные в данной работе дают возможность определить коэффициент поглощения (α), ширину запрещенной зоны (Е0), коэффициент пропускания света (Т), коэффициент отражения (R), коэффициент преломления (n), и толщину пленок (d) во время и после осаждения пленок сплавов а-nk-Si:H.

Данные параметры можно также определить с помощью спектрометров ИКС-21, ИКС-14A, ИКС-22, ИКС-29, Фурье-ИК, Varian 640 JR, в области энергий 0,03 ÷ 3,0 эВ и более.

Библиографическая ссылка