Перспективи дослідження ниткоподібних нанокристалів фосфіду методом мікроскопії п’єзовідгуку,
Бібліографічний опис:
Перспективи дослідження ниткоподібних нанокристалів фосфіду Індія методом мікроскопії п'єзовідгуку [1]
Фоміних Анатолій Кирилович, магістрант
Санкт-Петербурзький державний електротехнічний університет «ЛЕТИ» імені В. І. Ульянова (Леніна)
Ключові слова : АСМ, мікроскопія п'єзовідгуку, фосфід індія, наностержні, наноструктури, нанодіагностика
Дуже перспективним напрямом сучасної науки є вивчення ниткоподібних нанокристалів (наноніти, нанодроту, наностержні), оскільки вивчення подібних наноструктур вимагає високої роздільної здатності від застосовуваних вимірювальних приладів. Ниткоподібні нанокристали це дуже перспективна галузь матеріалознавства, можливості застосування таких структур дуже широкі. Наприклад в області фотовольтаїки для створення сонячних елементів, термоелектричних і п'єзоелектричних пристроях, для створення p-n переходів і транзисторів, в якості активних областей різних датчиків і сенсорів ітд. [1-3]
На даний момент атомно-силова мікроскопія використовується повсюдно для вивчення властивостей різних матеріалів. З урахуванням підвищеної уваги як наукової спільноти, так і громадськості загалом до нанотехнологій, особливо затребуваної ставати таку перевагу АСМ, як висока роздільна здатність. Це дозволяє вивчати як інтегральні, а й локальні характеристики досліджуваних матеріалів і нанорозмірних приладів. [4–7]
П'єзоелектрична силова мікроскопія - один з режимів роботи АСМ, що дозволяє отримати інформацію про електромеханічні характеристики різнихсегнетоелектричних, п'єзоелектричних, полімерних та біологічних матеріалів.
У режимі мікроскопії п'єзовідгуку зонд АСМ провідності входить у контакт з поверхнею сегнетоэлектрического і п'єзоелектричного матеріалу, що вивчається, і створюється задана напруга між поверхнею зразка і зондом АСМ, створюючи електричне поле в області зразка. Завдяки такому ефекту як електрострикція (зворотний п'єзоелектричний ефект), різних сегнетоелектричних або п'єзоелектричних матеріалів, зразок здатний локально збільшуватися або зменшуватися в залежності від напряму зовнішнього електричного поля, що додається. Наприклад, якщо початкова поляризація електричного домену виміряного зразка перпендикулярна поверхні зразка, паралельна і збігається у напрямку до прикладеного електричного поля, домени будуть відчувати вертикальне розширення. Так як зонд АСМ знаходиться в контакті з поверхнею зразка, подібне розширення доменів призводить до механічного відхилення кантилевера АСМ вгору. В результаті відбувається збільшення відхилення кантилевера порівняно з тим, що існувало до застосування електричного поля. Відповідно, якщо первинна поляризація домену паралельна, але не збігається у напрямку із зовнішнім електричним полем, то домен буде зменшуватися у розмірі, що призводить до зниження відхилення кантилевера. Величина зміни відхилення кантилевера у разі безпосередньо пов'язані з розширенням чи скороченням електричних доменів зразка, отже, пропорційна прикладеному електричному полю і залежить від властивостей зразка. [8–11]
Найвідомішими методами створення нанопроводів, на даний момент, є підвішування та напилення. У першому методі тонкий звичайний провід підвішують у вакуумнійкамері та зменшують його товщину або травленням, або обстрілюючи його високоенергетичними частинками, або витягуючи його з розплаву. Другий метод є більш поширеним - нанпровода фосфіду індію, вирощуються на підкладках, наприклад кремнієвих) в MOCVD камері методом зростання ПЖК (пар-рідина-кристал) з рідкої краплі металу. (MOCVD - осадження металоорганічних сполук із газоподібної фази.)
Мал. 1. зростання кристала InP
На кремнієві пластини наноситься крапля золота, малого діаметра, порядку одиниць нм, у яких відбувається кристалізація InP. Оскільки реакція відбувається лише з золотом, то відбувається зростання «вниз», т. е. на вершині нанопроводу виявляється крапля золота. Довжина нанопроводів та кут нахилу до підкладки врегулюються параметрами камери та процесу напилення. Під час вирощування нанопроводів можна проводити їхнє легування.
Зазвичай фосфід має кристалічну структуру сфалериту, однак передбачається, що в досліджуваних зразках у більш вузькій частині може існувати кристалічна решітка типу вюрциту.
Мал. 2. А - структура типу сфалериту, б - типу вюрциту
У кристалічній структурі типу вюрциту може спостерігатися п'єзоефект. У зв'язку з розмірами структур найбільш логічно проводити вимірювання за допомогою атомно-силового мікроскопа в режимі п'єзоелектричної силової мікроскопії. [12] Властивості подібних структур залежатимуть від багатьох факторів: довжини, діаметра перерізу, однорідності будови, рівня легування. Усі ці параметри можна так чи інакше контролювати.
Дослідження п'єзоелектричних властивостей нанопроводів фосфіду Індія є дуже перспективним напрямом, оскільки подібні структури можуть знайти широке застосування. На даний момент вжеіснує досить велика кількість публікацій про застосування аналогічних проводів у сонячній енергетиці, причому їх використання значно підвищує ккд. Нанопроводи фосфіду Індія також часто використовуються для створення різних оптоелектронних приладів, різних сенсорів і датчиків, в якості активних елементів МЕМС.
У зв'язку з тим, що нанопроводи мають дуже малі розміри і необхідно визначати саме їх локальні характеристики, а не інтегральні властивості всієї підкладки, застосування методик АСМ є виправданим і безальтернативним методом їх вивчення.
[1] Робота виконана у рамках Угоди № 14.584.21.0005 про надання субсидії