Πειραματική μελέτη των δομικών και ηλεκτρονιακών ιδιοτήτων φωτοευαίσθητων χαλκογονούχων ενώσεων

Abstract

Τα άμορφα υλικά είναι μια ευρεία κατηγορία υλικών με σημαντικές ιδιότητεςπολλές από τις οποίες δεν απαντώνται όταν αυτά βρίσκονται στην αντίστοιχηκρυσταλλική τους φάση. Στην παρούσα εργασία μελετώνται επιλεγμένα υμένια(πάχους ~ 1μm) από μια ειδική κατηγορία άμορφων υλικών, τις χαλκογονούχεςενώσεις (chalcogenides). “χαλκογενή” (chlacogens) αναφέρονται τα στοιχεία τηςομάδας VIA του περιοδικού πίνακα, δηλαδή το Θείο (S), το Σελήνιο (Se) και τοΤελλούριο (Te) και συνεπώς οι ενώσεις που περιέχουν ένα ή περισσότερα από αυτάτα στοιχεία μαζί με στοιχεία όπως τα As, Ge, P, Bi, Si, Sb, Ga, Ag, κλπ. σχηματίζουντις χαλκογονούχες ενώσεις. Το γεγονός ότι το ενεργειακό χάσμα των ενώσεων αυτόεμπίπτει στην φασματική περιοχή του ορατού φωτός και του κοντινού υπερύθρου έχειως αποτέλεσμα την εμφάνιση πλήθους φωτο-επαγόμενων (μη-θερμικών) φαινομένωνόταν τα υλικά αυτά ακτινοβοληθούν με φως κατάλληλου μήκους κύματος καιπυκνότητας ισχύος.Τα φωτο-επαγόμενα φαινόμενα περιλαμβάνουν αλλαγές σε δομικές,μηχανικές, χημικές, οπτικές, ηλεκτρικές κ.α. ιδιότητες. Πιο συγκεκριμένα, μέσω τηςμελέτης των φωτο-επαγόμενων φαινομένων παρέχεται η δυνατότητα για ελεγχόμενημεταβολή δομικών (μικροσκοπικών) αλλά και μακροσκοπικών ιδιοτήτων του υλικού.Επομένως τα υλικά αυτά έχουν έντονο τεχνολογικό ενδιαφέρον, σε εφαρμογές όπωςστην οπτική, στην μικροηλεκτρονική και στην ανάπτυξη στοιχείων αποθήκευσηςπληροφορίας (οπτικές μνήμες). Στόχος της παρούσας εργασίας είναι η μελέτη και ηκατανόηση σε βασικό επίπεδο των μικρο-δομικών χαρακτηριστικών, υμενίωνεπιλεγμένων άμορφων χαλκογονούχων ενώσεων υπό την επίδραση διαφόρωνεξωτερικών ερεθισμάτων καθώς και η επίτευξη συσχετισμού μεταξύμικροσκοπικών χαρακτηριστικών και χρήσιμων για εφαρμογές μακροσκοπικώνιδιοτήτων. Πιο συγκεκριμένα, μελετήθηκε συστηματικά η επιφανειακή ηλεκτρονιακή δομήυμενίων του συστήματος AsxSe100-x, παρασκευασμένων με θερμική εναπόθεση(thermal evaporation, TE) και εναπόθεση με παλμικό laser (pulsed laser deposition,PLD) με επιφανειακά ευαίσθητες τεχνικές όπως Φασματοσκοπία Φωτοηλεκτρονίωναπό Ακτίνες-x (XPS) και από Υπεριώδες (UPS). H ΦασματοσκοπίαΦωτοηλεκτρονίων από Ακτίνες-x (XPS) χρησιμοποιείται για τον καθορισμό τηςχημικής σύστασης της επιφάνειας του στερεού. Η πολλαπλότητα των χημικών καταστάσεων για ένα συγκεκριμένο είδος ατόμου υποδηλώνει την ύπαρξη μιαςποικιλίας τοπικών ατομικών διατάξεων στην επιφάνεια του υμενίου. Επομένως οιαλλαγές των ηλεκτρονιακών ιδιοτήτων στην επιφάνεια μπορούν να συσχετιστούνάμεσα με αλλαγές που αφορούν στην επιφανειακή δομή, οι οποίες προκαλούνται είτεμεταβάλλοντας διάφορες παραμέτρους όπως η σύσταση του υλικού είτε με τηνεπιβολή κάποιου εξωτερικού ερεθίσματος όπως η θέρμανση και η ακτινοβόληση, είτεμε τη φωτο-διάλυση ατόμων μετάλλου (Ag) στο εσωτερικό τους.Μεταβάλλοντας την σύσταση σε PLD υμένια AsxSe100-x και υποβάλλοντας τασε θέρμανση, σε θερμοκρασία 150ºC (δηλαδή λίγο πιο κάτω από το Τg) οι πιοέντονες αλλαγές παρατηρήθηκαν στο ηλεκτρονικό περιβάλλον των ατόμωναρσενικού στα υμένια με ενδιάμεσες συστάσεις (As50Se50, As60Se40). Στην συνέχεια,η συμμετρική σύσταση As50Se50 μελετήθηκε διεξοδικότερα λόγω της μεγάληςποικιλομορφίας και ετερογένειας σε νανο-κλίμακα. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι ηακτινοβόληση και η θέρμανση οδηγούν την δομή σε δύο διαφορετικές άμορφεςκαταστάσεις με διαφορετικό ποσοστό δομικών μονάδων. Το φαινόμενο είναιαντιστρεπτό και επαναλήψιμο σε διαδοχικούς κύκλους θέρμανσης και ακτινοβόλησηςγια τα PLD υμένια ενώ δεν ισχύει το ίδιο για τα ΤΕ υμένια. Ο προσδιορισμός τουδείκτη διάθλασης με την χρήση φασματοσκοπικής ελλειψομετρίας σε PLD και ΤΕAs50Se50 υμένια, σε διαδοχικές διεγέρσεις ακτινοβόλησης και θέρμανσης, αποκάλυψετην συσχέτιση των αλλαγών στη μικροδομή των υμενίων με τις μεταβολές σε αυτήτην μακροσκοπική ιδιότητα του υμενίου.Επιπλέον, εκπονήθηκε μελέτη του φωτο-επαγόμενου φαινομένου της διάχυσηςκαι διάλυσης ατόμων μετάλλου όπως ο Ag στην δομή των υμενίων PLD και ΤΕAs50Se50 με ακτινοβόληση ακτίνων- x και ορατού φωτός (laser ενέργειας συγκρίσιμηςμε το ενεργειακό χάσμα του ημιαγωγού). Σκοπός ήταν η μελέτη της εξέλιξης τωνσχηματιζόμενων χημικών ειδών κατά τα διάφορα στάδια του φαινομένου σε αντίθεσημε την έως τώρα υπάρχουσα πρακτική που εστιάζει κυρίως στον μηχανισμό τηςκινητικής του φαινομένου. Μετρήσεις ανάλυσης σε βάθος με XPS και SIMS έλαβανχώρα με σκοπό την διερεύνηση του προφίλ της συγκέντρωσης του μετάλλου στοεσωτερικό του υμενίου, πριν και μετά την επαγωγή του φαινομένου.