МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

имени М.В. ЛОМОНОСОВА

Физический факультет

На правах рукописи

Форш Екатерина Александровна

ОПТИЧЕСКИЕ, ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ И

ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

НАНОКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО ОКСИДА ИНДИЯ

01.04.10 – Физика полупроводников

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва – 2013

Работа выполнена на кафедре общей физики и молекулярной электроники физического факультета Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова

Научный руководитель: доктор физико-математических наук, профессор П.К. Кашкаров

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор В.А. Кульбачинский кандидат физико-математических наук, начальник лаборатории В.Л. Лясковский

Ведущая организация: Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный исследовательский университет «МИЭТ»

Защита состоится « 6 » июня 2013 года в 17.30 часов на заседании Диссертационного совета Д 501.001.70 при Московском государственном университете имени М.В.

Ломоносова по адресу: 119991 ГСП-1 Москва, Ленинские горы, д.1, стр. 35, конференцзал Центра коллективного пользования физического факультета МГУ имени М.В.

Ломоносова.

С диссертацией можно ознакомиться в Отделе диссертаций Научной библиотеки МГУ имени М.В. Ломоносова (Ломоносовский пр., д. 27).

Автореферат разослан « 25 » апреля 2013 года.

Учёный секретарь диссертационного совета Д 501.001. доктор физико-математических наук, профессор Г.С. Плотников

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Оксид индия (In2O3) находит широкое применение в современной технике. Будучи оптически прозрачным широкозонным полупроводником, In2O3 используется для производства компонент высокомощных полупроводниковых приборов (тиристоров, варисторов), ультрафиолетовых фильтров, фотодетекторов, фотопреобразователей, оптоэлектронных устройств. В то же самое время In2O3 является чувствительным к содержанию в атмосфере таких газов, как NO, NO2, CO, CO2, O3, что делает его одним из основных материалов для создания сенсоров резистивного типа, детектирующих указанные газы. В последнее время внимание исследователей в области сенсорики привлекают образцы нанокристаллического оксида индия – материала, состоящего из зерен кристаллического In2O3 нанометрового размера. Дело в том, что уменьшая размер нанокристаллов, можно заметно увеличить удельную поверхность образца, что приведет, в свою очередь, к увеличению чувствительности сенсора на основе In2O3. Поскольку сенсоры на основе In2O являются приборами резистивного типа (т.е. их сопротивление меняется в результате адсорбции), то первоочередной вопрос для создания таких сенсоров с оптимальными характеристиками состоит в выяснении механизмов переноса носителей заряда в нанокристаллическом In2O3. Этот же вопрос является важным и в случае использования нанокристаллического In2O3 при создании электронных и оптоэлектронных приборов.

На данный момент большинство работ посвящено исследованию электрического транспорта в хорошо проводящем и прозрачном в видимой области спектра сложном оксиде на основе SnO2 и In2O3 (именуемом в литературе как ITO). Существуют также работы по механизмам проводимости в монокристаллическом и поликристаллическом (состоящем из кристаллов микронного размера) In2O3. Однако переход в область нанометровых размеров может существенным образом изменить как величину проводимости, так и механизм переноса носителей заряда, за счет появления большого числа локализованных поверхностных состояний и, возможно, проявления квантоворазмерных эффектов. В настоящее время не существует единой точки зрения на механизмы переноса носителей заряда в нанокристаллическом In2O3. Кроме того, не установлена корреляция между электрическими и структурными свойствами (размером нанокристаллов, величиной площади удельной поверхности) нанокристаллического In2O3.

Как для практических приложений, так и для выяснения фундаментальных закономерностей необходимо изучить вопрос о влиянии адсорбции молекул на электрофизические свойства образцов нанокристаллического In2O3 с различным размером нанокристаллов. На данный момент продолжается дискуссия о влиянии адсорбции молекул на транспорт носителей заряда в нанокристаллическом In2O3. Также не проведено систематических исследований зависимости проводимости нанокристаллов. В частности, нет данных по изменению чувствительности нанокристаллов до единиц нанометров.

Одно из активно развивающихся сейчас направлений газовой сенсорики – это дополнительной подсветки. Важным для использования нанокристаллического In2O3 в таких приборах является вопрос о его оптических и фотоэлектрических свойствах.

Исследование оптических и фотоэлектрических свойств нанокристаллического In2O также ключевой вопрос и в случае создания на его основе фотодетекторов, фотопреобразователей и иных оптоэлектронных устройств. На данный момент нанокристаллического In2O3, однозначно не установлены.

Цель настоящей диссертационной работы – проведение фундаментальных исследований электрических, оптических и фотоэлектрических свойств нанокристаллического оксида индия с различным размером нанокристаллов с целью определения механизмов генерации, переноса и рекомбинации носителей заряда и выявления корреляции между структурными особенностями (размером нанокристаллов и площадью удельной поверхности) нанокристаллического оксида индия и его исследуемыми свойствами.

Основные научные задачи работы:

1. Изучить электрические свойства нанокристаллического оксида индия с целью определения механизмов переноса носителей заряда и влияния на них размеров нанокристаллов.

2. Исследовать влияние адсорбции молекул-окислителей (на примере диоксида азота ) на проводимость оксида индия с различным размером нанокристаллов проводимости в условиях адсорбции и определения влияния размеров нанокристаллов и площади удельной поверхности на чувствительность к NO2.

3. Исследовать оптические свойства нанокристаллического оксида индия с целью определения оптической ширины запрещенной зоны и выяснения природы электронных переходов при поглощении светового излучения.

4. Изучить фотоэлектрические свойства нанокристаллического оксида индия и влияния на них размеров нанокристаллов с целью установления механизмов, определяющих фотоэлектрические особенности исследуемого материала.

Объекты и методы исследования. Для решения поставленных задач в качестве объектов исследования были выбраны нанокристаллические образцы оксида индия с размером нанокристаллов от 7 до 20 нм. Эксперименты проводились с использованием следующих методов:

рентгеновской дифракции;

просвечивающей микроскопии;

адсорбционного определения удельной площади поверхности в рамках импеданс-спектроскопии;

определения электрических свойств на постоянном токе;

спектроскопии диффузного отражения;

спектроскопии пропускания и отражения в ультрафиолетовом, видимом и инфракрасном диапазонах спектра;

фотоэлектрической спектроскопии;

измерения электропроводности при адсорбции NO2.

Достоверность полученных результатов. определяется применением набора современных взаимно-дополняющих экспериментальных методик, согласием полученных экспериментальных данных на различных образцах, а также сопоставлением некоторых данных экспериментов с результатами работ других авторов, выполненных на схожих образцах.

Научная новизна. В результате проведенных в диссертационной работе исследований получен ряд новых результатов по проводимости, фотопроводимости, оптическим свойствам и влиянию адсорбции активных молекул на проводимость нанокристаллического In2O3:

1. В области температур T=50300 K определены механизмы переноса носителей заряда в образцах нанокристаллического In2O3 с размерами нанокристаллов от 2. Определен «оптимальный» размер нанокристаллов, при котором наблюдается максимальная чувствительность нанокристаллического In2O3 к диоксиду азота.

нанокристаллического оксида индия с размерами нанокристаллов от 7 до 4. Исследована спектральная зависимость фотопроводимости образцов нанокристаллического оксида индия со средними размерами нанокристаллов от 7 до 20 нм. Обнаружено, что в области энергий падающего излучения h3,2 эВ (практически совпадающей для образцов с различным размером нанокристаллов) наблюдается максимальное значение фотопроводимости нанокристаллического In2O3. В то же время установлено, что размер нанокристаллов влияет на значение энергии падающего излучения, при котором появляется фотопроводимость.

нанокристаллического оксида индия в воздухе, вакууме и аргоне. Обнаружено, что после выключения освещения наблюдается долговременной спад фотопроводимости (уменьшение фотопроводимости в e раз происходит за время порядка нескольких часов и зависит от размера нанокристаллов и окружающей среды), описываемый растянутой экспонентой.

нанокристаллического оксида индия уменьшается с уменьшением размера нанокристаллов. Предложена модель, объясняющая долговременной спад фотопроводимости.

Основные положения, выносимые на защиту. В рамках проведенных исследований получены следующие основные результаты, выносимые на защиту: