МОДИФІКАЦІЯ СТРУКТУРИ ПОВЕРХНІ КРЕМНІЮ З ПРИРОДНИМ ТА ЗІ ШТУЧНО НАРОЩЕНИМ ОКИСЛОМ МЕТОДОМ ЙОННОГО ОПРОМІНЕННЯ

 

В. І. Варніна¹, Г. П. Гайдар¹, М. Б. Пінковська¹, О. С. Кондратенко², В. Р. Романюк², М. І. Старчик¹

 

¹Інститут ядерних досліджень НАН України, Київ, Україна

²Інститут фізики напівпровідників ім. В. Є. Лашкарьова НАН України, Київ, Україна

 

Досліджено можливість застосування швидких легких і важких йонів для зміни морфології та оптичних властивостей поверхні опроміненого кремнію з різною товщиною поверхневого окислу для подальшого створення поверхневих композитів і композитних плівок на кремнієвих підкладках. Такі композити у разі нанесення нанорозмірних металевих включень перспективні для створення сучасних опто- та наноелектронних пристроїв, які базуються на явищі збудження поверхневих (локалізованих) плазмонів (коливань) і поверхневих плазмонних поляритонів (хвиль).

Відомо, що йони, потрапляючи в кристал у процесі опромінення, втрачають енергію за рахунок розсіяння на електронній підсистемі (збудження та йонізація) та на ядерній – при передачі енергії ядрам атомів матриці з утворенням радіаційних дефектів. Основна генерація дефектів відбувається при сповільненні йонів, тобто є нерівномірною вздовж треку частинки і максимальна в кінці пробігу. Наші дослідження кремнію з природним окислом, опроміненого 27.2 МеВ йонами гелію, продемонстрували специфіку його оптичних і структурних властивостей за великих флюенсів. Металографічні дослідження структури опроміненого Si, котрі виявляють розподіл дефектів уздовж напрямку опромінення, свідчать, що, хоча найбільші напруження ґратки Si є в області гальмування йонів (як і передбачено теорією взаємодіїа опромінення з кристалом), за великих флюенсів шаруватий розподіл напружень спостерігається в пробіжній для йонів області і за межею їхнього гальмування. У спектрах кремнію, опроміненого йонами гелію флюенсом 10¹⁷ см^–2, у спектральній області 5000 ÷ 400 см^–1 не спостерігалося додаткового поглинання, пов’язаного з опроміненням. За таких флюенсів метод поляризаційної еліпсометрії констатує стрибкоподібну зміну показника поглинання кремнію, а експерименти із залученням атомно-силового мікроскопа свідчать про значне зростання шорсткості поверхні. Зазначені обставини і стали визначальними для використання даного матеріалу у ході подальших досліджень.

Термічне осадження плівки золота на таку модифіковану поверхню кремнію зумовлює формування острівцевої плівки з окремих ізольованих зерен Au, тоді як на пласкій поверхні за аналогічного осадження золота плівка набуває лабіринтної структури.

У випадку, коли на кремній перед опроміненням нанести окисел SiO₂ товщиною близько 500 нм, ситуація стане дещо іншою. Важкі йони ¹³¹Xe з енергією 130 МеВ спричинюють йонізацію та збудження атомів матеріалу вздовж усієї траєкторії руху. Структурні зміни в області траєкторії швидкого йона мають локальний характер, а нанометровий та наносекундний масштаби релаксації збудженого матеріалу забезпечують незначне збудження оточуючої матриці. Оскільки напрям руху йона, який бомбардує матеріал, практично не змінюється, утворюється прихований трек, котрий можна виявити за допомогою хімічного травлення. Напилення золотої плівки на пористу поверхню такої структури por-SіO₂ та її подальший відпал призводять до нерівномірного заповнення наночастинками Au пор шару окислу. Частинки золота розташовуються на поверхні SiO₂ та у порах верхньої частини окисної плівки товщиною близько 100 нм, ймовірно, внаслідок нерiвномiрного за розмірами витравлювання нанопор вглиб плівки SiO₂.

Таким чином, осаджуючи Au на шорстку поверхню Si, попередньо опроміненого значними флюенсами йонів гелію, або впроваджуючи наночастинки Au у модифіковану швидкими йонами ¹³¹Xe структуру SіO₂/Sі, можна створювати поверхневі нанокомпозити на кремнієвій підкладці.