Zmiennoprądowe właściwości dielektryczne materiałów nanowarstwowych a-SiOx/SiO2

• Autorzy: Czarnacka K. , Fedotov A. , Kołtunowicz T. N.

Identyfikatory

DOI

10.15199/48.2018.08.16

Warianty tytułu

EN

AC dielectric properties of a- SiOx/SiO2 layered nanomaterials

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Nanokompozyt warstwowy a-SiOx/SiO2 został osadzony na podłożu krzemowym o orientacji (100) przez naprzemienne próżniowe naparowywanie. W ten sposób otrzymano 50 warstw naprzemiennie ułożonych SiOx oraz SiO2. Grubości poszczególnych warstw wynosiły ok. 3nm dla SiO2 oraz ok. 8 nm dla SiOx. Całkowita grubość uzyskanego nanokompozytu bez podłoża wynosiła 280 ± 15 nm. Następnie otrzymany materiał został poddany dwu godzinnemu wygrzewaniu w temperaturze 1110ºC w atmosferze azotu. Zmiennoprądowe pomiary wielkości elektrycznych wykonano w zakresie częstotliwości z przedziału od 100 Hz do 1 MHz w temperaturach od 20 K do 375 K. Przedstawiono częstotliwościowe i temperaturowe zależności pojemności, konduktywności, kąta przesunięcia fazowego, przenikalności dielektrycznej oraz tangensa kąta strat. Na tej podstawie ustalono, mechanizm przenoszenia ładunku w materiale oraz jego właściwości dielektryczne.

EN

The layered a-SiOx/SiO2 nanocomposite was deposited by alternating vacuum evaporation on a p-Si:B (100) substrate. In this way, 50 layers of alternating placed SiOx and SiO2 were obtained. The thicknesses of individual layers were approx. 3 nm for SiO2 and approx. 8 nm for SiOx.The total thickness of the obtained nanocomposite without substrate was 280 ± 15 nm. Then the material was subjected to a two hour annealing at 1100 °C under a nitrogen atmosphere to obtain silicon nanoparticles in the oxide matrix. AC measurements of electrical properties were made in the frequency range from 100 Hz to 1 MHz at temperatures from 20 K to 375 K. Frequency and temperature dependences of capacitance, conductivity, phase shift angle, dielectric permittivity and tangent of the loss angle were presented. On this basis, the mechanism of charge transfer in the material and its dielectric properties were determined. It was found that in the nanocomposite hopping conductivity and additional polarity to the matrix occur. The temperature dependence of the dielectric relaxation time was determined, on the basis of which the activation energies were calculated. Two ranges of changes in activation energy can be observed: low temperature region corresponds to a low activation energy value E10,0002 eV, while in the high temperature range, the activation energy rises many times up to E20.08 eV.

Słowa kluczowe

PL

nanokryształ Si; nanowarstwa; właściwości elektryczne; transport ładunku

EN

Si nanocrystal; nanolayer; electrical properties; charge transport

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Przegląd Elektrotechniczny
• Rocznik: 2018
• Tom: R. 94, nr 8
• Strony: 59--62
• Opis fizyczny: Bibliogr. 21 poz., rys.

Twórcy

autor

Czarnacka K.

• Politechnika Lubelska, Wydział Elektrotechniki i Informatyki, Katedra Urządzeń Elektrycznych i Techniki Wysokich Napięć, ul. Nadbystrzycka 38 D, 20-618 Lublin, Polska

autor

Fedotov A.

• Białoruski Państwowy Uniwersytet, Wydział Fizyki, Katedra Energofizyki, ul. Nezalezhnastsi 4, 220030, Mińsk, Białoruś

autor

Kołtunowicz T. N.

• Politechnika Lubelska, Wydział Elektrotechniki i Informatyki, Katedra Urządzeń Elektrycznych i Techniki Wysokich Napięć, ul. Nadbystrzycka 38 D, 20-618 Lublin, Polska

Bibliografia

• [1] Parkhomenko I., Vlasukova L., Komarov F., Milchanin O., Makhavikou M., Mudryi A., Zhivulko V., Żuk J., Kopyciński P., Murzalinov D., Origin of visible photoluminescence from Si-rich and N-rich silicon nitride films, Thin Solid Films, vol. 626 (2017), 70–75
• [2] Jin L., Li D., Yang D., Que D., Enhancement of room temperature dislocation-related photoluminescence of electron irradiated silicon, Journal of Applied Physics, vol.113, 033518, (2013)
• [3] Wang W., Huang J., Xu W., Electrical properties of boron-and phosphorous-doped microcrystalline silicon thin films prepared by magnetron sputtering of heavily doped silicon targets, J. Mater. Sci. Materlials Electron., vol. 24 (2013), 2122–2127
• [4] Pavesi L., Turan R., Silicon Nanocrystals: Fundamentals, Synthesis and Applications, Wiley-VCH Verlag, (2010)
• [5] Canham L.T., Silicon quantum wire array fabrication by electrochemical and chemical dissolution of wafers, Applied Physics Letters, Vol. 57, Issue 10, (1990), 1046
• [6] Choi S.H., Elliman R.G., Cheylan S., Martin J.P.D., Intrinsic defect-related blue-violet and ultraviolet photoluminescence from Si+-implanted fused silica, Applied Physics Letters, Vol. 76, Issue 15, (2000), 2062
• [7] Ershov A.V. et al., Annealing-induced evolution of optical properties of the multilayered nanoperiodic SiOx/ZrO2 system containing Si nanoclusters, Semiconductors, vol. 45, (2011), no. 6
• [8] Wang X. et al., Fabrication and carrier transport properties of Si quantum dots/SiO2 multilayer films on Si substrate, Vacuum, vol. 101, (2014), 301–305
• [9] Creazzo T., Redding B., Marchena E., Murakowski J., Prather D.W., Tunable photoluminescence and electroluminescence of size-controlled silicon nanocrystals in nanocrystalline-Si/SiO2 superlattices, Journal of Luminescence, vol. 130, (2010), no. 4, 631–636
• [10] Jambois O., Rinnert H., Devaux X., Vergnat M., Photoluminescence and electroluminescence of size-controlled silicon nanocrystallites embedded in SiO2 thin films, Journal of Applied Physics, vol. 98, 046105, (2005)
• [11] Gourbilleau F., Ternon C., Maestre D., Palais O., Dufour C., Silicon-rich SiO2/SiO2 multilayers: A promising material for the third generation of solar cell, Journal of Applied Physics, vol. 106, 013501, (2009)
• [12] Ershov A.V., Chugrov I.A., Tetelbaum D.I., Mashin A.I., Pavlov D.A., Nezhdanov A.V., Bobrov A.I., Grachev D.A., Thermal Evolution of the Morphology, Structure, and Optical Properties of Multilayer Nanoperiodic Systems Produced by the Vacuum Evaporation of SiO and SiO2, Semiconductors, , Vol. 47 (2013), No. 4, 481–486
• [13] Gutsch S., Laube J., Hartel A.M., Hiller D., Zakharov N., Werner P., Zacharias M., Charge transport in Si nanocrystal/SiO2 superlattices, J. Appl. Phys., vol. 113, 133703, (2013)
• [14] Rolver R., Berghoff B., Batzner D., Spangenberg B., Kurz H., Schmidt M., Stegemann B., Si/SiO2multiple quantumwells for all silicon tandemcells: conductivity and photocurrent measurements, Thin Solid Films, vol. 516, (2008), 6763–6766
• [15] Manousiadis P., Gardelis S., Nassiopoulou A.G., Electrical transport and photocurrent mechanisms in silicon nanocrystal multilayers, J. Appl. Phys., Vol. 113, 043703, (2013)
• [16] Lopez-Vidrier J., Berencen Y., Hernandez S., Blazquez O., Gutsch S., Laube J., Hiller D., Loper P., Schnabel M., Janz S., Zacharias M., Garrido B., Charge transport and electroluminescence of silicon nanocrystals/SiO2 superlattices, J. Appl. Phys., vol. 114, 163701, (2013)
• [17] Koltunowicz T.N., Measurement station for Frequency Dielectric Spectroscopy of nanocomposites and semiconductors, Journal of Applied Spectroscopy, vol. 82, (2015), no. 4, 653-658
• [18] Mott N., F., Davis E.A., Electronic Processes in Non-crystalline Materials, 2nd edn, Oxford Univ. Press, Oxford, (1979)
• [19] Koltunowicz T.N., Zukowski P., Boiko O., Saad A., Fedotova J.A., Fedotov A.K., Larkin A., Kasiuk J., AC hopping conductance in nanocomposite films with ferromagnetic alloy nanoparticles in a PbZrTiO3 matrix, Journal of Electronic Materials, vol. 44, (2015), no. 7, 2260-2268
• [20] Koltunowicz T.N., Zukowski P., Bondariev V., Czarnacka K., Boiko O., Fedotova J.A., Kasiuk J.V., Study of dielectric function of (FeCoZr)x(CaF2)(100-x) nanocomposites produced with a beam of argon ions, Journal of Alloys and Compounds, vol. 650, (2015), 262-267
• [21] Psarras G.C., Manolakaki E., Tsangaris G.M., Dielectric dispersion and ac conductivity in—Iron particles loaded— polymer composites, Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, Vol.34, (2003), 1187-1198

Uwagi

Opracowanie rekordu w ramach umowy 509/P-DUN/2018 ze środków MNiSW przeznaczonych na działalność upowszechniającą naukę (2018).