Nội dung được dịch bởi AI, chỉ mang tính chất tham khảo
Các lớp tinh thể Ge dày đặc được nhúng trong oxit thu được bằng cách kiểm soát quá trình khuếch tán - kết tinh
Tóm tắt
Các cấu trúc đa lớp Ge/SiO2 vô định hình được lắng đọng bằng phương pháp phun magnetron đã được xử lý nhiệt ở các nhiệt độ khác nhau từ 650 đến 800 °C nhằm thu được các tinh thể Ge trong ma trận oxit. Tính chất của các cấu trúc đã được xử lý nhiệt được điều tra bằng kính hiển vi điện tử truyền qua, quang phổ Raman, và phát quang ở nhiệt độ thấp. Sự kết tinh của Ge phần nào được đạt được ở 650 °C và tăng lên với nhiệt độ xử lý. Hiểu biết về sự hình thành tinh thể Ge đã được có được bằng cách so sánh hai quy trình xử lý nhiệt, tức là, trong lò ống thông thường và bằng xử lý nhiệt nhanh. Bằng cách xử lý nhiệt nhanh so với xử lý trong lò thông thường, quá trình kết tinh Ge diễn ra nhanh hơn so với sự khuếch tán Ge, dẫn đến sự hình thành các lớp tinh thể Ge dày đặc hơn có kích thước từ 8 đến 9.5 nm theo như quang phổ Raman cho thấy. Những phát hiện này rất quan trọng trong việc cải thiện hiệu suất xử lý nhiệt trong việc hình thành các tinh thể nano để kiểm soát chính xác kích thước và vị trí của chúng trong ma trận oxit và khả năng tạo ra các hệ thống với các hạt nano tương tác cho việc chuyển giao điện tích hoặc kích thích. Phát quang hồng ngoại của các tinh thể Ge ở nhiệt độ thấp cho thấy phát xạ mạnh với hai đỉnh sắc nét ở khoảng 1,000 meV.
Từ khóa
#Ge nanocrystals #oxide matrix #magnetron sputtering #annealing #crystallization #photoluminescence #Raman spectroscopyTài liệu tham khảo
Ağan S, Dana A, Aydinli A (2006) TEM studies of Ge nanocrystal formation in PECVD grown SiO2:Ge/SiO2 multilayers. J Phys Condens Matter 18:5037–5045. doi:10.1088/0953-8984/18/22/004
Ang R, Chen TP, Yang M, Wong JI, Yi MD (2010) The charge trapping and memory effect in SiO2 thin films containing Ge nanocrystals. J Phys D 43:015102. doi:10.1088/0022-3727/43/1/015102
Arguirov T, Mchedlidze T, Kittler M, Rölver R, Berghoff B, Först M, Spangenberg B (2006) Residual stress in Si nanocrystals embedded in a SiO2 matrix. Appl Phys Lett 89:053111. doi:10.1063/1.2260825
Buljan M, Desnica UV, Dražić G, Ivanda M, Radić N, Dubček P, Salamon K, Bernstorff S, Holý V (2009) The influence of deposition temperature on the correlation of Ge quantum dot positions in amorphous silica matrix. Nanotechnology 20:085612. doi:10.1088/0957-4484/20/8/085612
Chang JE, Liao PH, Chien CY, Hsu JC, Hung MT, Chang HT, Lee SW, Chen WY, Hsu TM, George T, Li PW (2012) Matrix and quantum confinement effects on optical and thermal properties of Ge quantum dots. J Phys D 45:105303. doi:10.1088/0022-3727/45/10/105303
Chew HG, Zheng F, Choi WK, Chim WK, Foo YL, Fitzgerald EA (2007) Influence of reductant and germanium concentration on the growth and stress development of germanium nanocrystals in silicon oxide matrix. Nanotechnology 18:065302. doi:10.1088/0957-4484/18/6/065302
Choi WK, Choo CK, Han KK, Chen JH, Loh FC, Tan KL (1998) Densification of radio frequency sputtered silicon oxide films by rapid thermal annealing. J Appl Phys 83:2308–2314. doi:10.1063/1.366974
Choi WK, Ho YW, Ng V (2001) Effect of size of Ge nanocrystals embedded in SiO2 on Raman spectra. Mater Phys Mech 4:46–50
Das S, Singha RK, Manna S, Gangopadhyay S, Dhar A, Ray SK (2011) Microstructural, chemical bonding, stress development and charge storage characteristics of Ge nanocrystals embedded in hafnium oxide. J Nanopart Res 13:587–595. doi:10.1007/s11051-010-0054-8
Das S, Aluguri R, Manna S, Singha R, Dhar A, Pavesi L, Ray SK (2012) Optical and electrical properties of undoped and doped Ge nanocrystals. Nanoscale Res Lett 7:143. doi:10.1186/1556-276X-7-143
Foss S, Finstad TG, Dana A, Aydinli A (2007) Growth of Ge nanoparticles on SiO2/Si interfaces during annealing of plasma enhanced chemical vapor deposited thin films. Thin Solid Films 515:6381–6384. doi:10.1016/j.tsf.2006.11.094
Fujii M, Hayashi S, Yamamoto K (1991) Growth of Ge microcrystals in SiO2 thin film matrices: a Raman and electron microscopic study. Jpn J Appl Phys 30:687–694. doi:10.1143/JJAP.30.687
Gao F, Green MA, Conibeer G, Cho EC, Huang Y, Pere-Wurfl I, Flynn C (2008) Fabrication of multilayered Ge nanocrystals by magnetron sputtering and annealing. Nanotechnology 19:455611. doi:10.1088/0957-4484/19/45/455611
Hessel CM, Wei J, Reid D, Fujii H, Downer MC, Korgel BA (2012) Raman spectroscopy of oxide-embedded and-stabilized silicon nanocrystals. J Phys Chem Lett 3:1089–1093. doi:10.1021/jz300309n
Hiller D, Goetze S, Zacharias M (2011) Rapid thermal annealing of size-controlled Si nanocrystals: dependence of interface defect density on thermal budget. J Appl Phys 109:054308. doi:10.1063/1.3556449
Huo Y, Lin H, Chen R, Rong YW, Kamins TI, Harris JS (2012) MBE growth of tensile-strained Ge quantum wells and quantum dots. Front Optoelectron 5:112–116. doi:10.1007/s12200-012-0193-x
Iwayama TS, Hama T, Hole DE, Boyd IW (2006) Enhanced luminescence from encapsulated silicon nanocrystals in SiO2 with rapid thermal anneal. Vacuum 81:179–185. doi:10.1016/j.vacuum.2006.03.023
Janicki V, Sancho-Parramon J, Zorc H, Salamon K, Buljan M, Radić N, Desnica U (2011) Ellipsometric study of thermally induced redistribution and crystallization of Ge in Ge:SiO2 mixture layers. Thin Solid Films 519:5419–5423. doi:10.1016/j.tsf.2011.02.071
Jie YX, Wee ATS, Huan CHA, Sun WX, Shen ZX, Chua SJ (2004) Raman and photoluminescence properties of Ge nanocrystals in silicon oxide matrix. Mater Sci Eng B 107:8–13. doi:10.1016/j.mseb.2003.09.037
Jie Y, Wee ATS, Huan CHA, Shen ZX, Choi WK (2011) Phonon confinement in Ge nanocrystals in silicon oxide matrix. J Appl Phys 109:033107. doi:10.1063/1.3503444
Kanemitsu Y, Masuda K, Yamamoto M, Kajiyama K, Kushida T (2000) Near-infrared photoluminescence from Ge nanocrystals in SiO2 matrices. J Lumin 87–89:457–459. doi:10.1016/S0022-2313(99)00486-X
Kim S, Choi SH, Park CJ, Cho KH, Cho HY, Elliman RG (2006) Structural and optical characterization of Ge nanocrystals showing large nonvolatile memories in metal-oxide-semiconductor structures. J Korean Phys Soc 49:959–962. doi:10.3938/jkps.49.959
Kolobov AV, Wei SQ, Yan WS, Oyanagi H, Maeda Y, Tanaka K (2003) Formation of Ge nanocrystals embedded in a SiO2 matrix: transmission electron microscopy, X-ray absorption, and optical studies. Phys Rev B 67:195314. doi:10.1103/PhysRevB.67.195314
Lieten RR, Bustillo K, Smets T, Simoen E, Ager JW, Haller EE, Locquet JP (2012) Photoluminescence of bulk germanium. Phys Rev B 86:035204. doi:10.1103/PhysRevB.86.035204
Maeda Y, Tsukamoto N, Yazawa Y, Kanemitsu Y, Masumoto Y (1991) Visible photoluminescence of Ge microcrystals embedded in SiO2 glassy matrices. Appl Phys Lett 59:3168–3170. doi:10.1063/1.105773
Mestanza SNM, Rodriguez E, Frateschi NC (2006) The effect of Ge implantation dose on the optical properties of Ge nanocrystals in SiO2. Nanotechnology 17:4548–4553. doi:10.1088/0957-4484/17/18/004
Nataraj L, Xu F, Cloutier SG (2010) Direct-bandgap luminescence at room temperature from highly-strained Germanium nanocrystals. Opt Express 18:7085–7091. doi:10.1364/OE.18.007085
Nilsson G, Nelin G (1971) Phonon dispersion relations in Ge at 80°K. Phys Rev B 3:364–369. doi:10.1103/PhysRevB.3.364
Niquet YM, Allan G, Delerue C, Lannoo M (2000) Quantum confinement in germanium nanocrystals. Appl Phys Lett 77:1182–1184. doi:10.1063/1.1289659
Ou H, Ou Y, Liu C, Berg RW, Rottwitt K (2011) Formation and characterization of varied size germanium nanocrystals by electron microscopy, Raman spectroscopy, and photoluminescence. Opt Mater Express 1:643–651. doi:10.1364/OME.1.000643
Pinto SRC, Rolo AG, Chahboun A, Kashtiban RJ, Bangert U, Gomes MJM (2010) Raman study of stress effect on Ge nanocrystals embedded in Al2O3. Thin Solid Films 518:5378–5381. doi:10.1016/j.tsf.2010.03.035
Pinto SRC, Rolo AG, Buljan M, Chahboun A, Bernstorff S, Barradas NP, Alves E, Kashtiban RJ, Bangert U, Gomes MJM (2011) Low temperature fabrication of layered self-organized Ge clusters by RF-sputtering. Nanoscale Res Lett 6:341. doi:10.1186/1556-276X-6-341
Richter H, Wang ZP, Ley L (1981) The one phonon Raman spectrum in microcrystalline silicon. Solid State Commun 39:625–629. doi:10.1016/0038-1098(81)90337-9
Rodríguez A, Rodríguez T, Prieto ÁC, Jiménez J, Kling A, Ballesteros C, Sangrador J (2010) Crystallization of amorphous Si0.6Ge0.4 nanoparticles embedded in SiO2: crystallinity versus compositional stability. J Electron Mater 39:1194–1202. doi:10.1007/s11664-010-1254-9
Roodenko K, Goldthorpe IA, McIntyre PC, Chabal YJ (2010) Modified phonon confinement model for Raman spectroscopy of nanostructured materials. Phys Rev B 82:115210. doi:10.1103/PhysRevB.82.115210
Sahin D, Yildiz I, Gencer AI, Aygun G, Slaoui A, Turan R (2010) Evolution of SiO2/Ge/HfO2(Ge) multilayer structure during high temperature annealing. Thin Solid Films 518:2365–2369. doi:10.1016/j.tsf.2009.09.156
Sasaki Y, Horie C (1993) Resonant Raman study of phonon states in gas-evaporated Ge small particles. Phys Rev B 47:3811–3818. doi:10.1103/PhysRevB.47.3811
Serincan U, Kartopu G, Guennes A, Finstad TG, Turan R, Ekinci Y, Bayliss SC (2004) Characterization of Ge nanocrystals embedded in SiO2 by Raman spectroscopy. Semicond Sci Technol 19:247–251. doi:10.1088/0268-1242/19/2/021
Srinivasa Rao N, Dhamodaran S, Pathak AP, Kulriya PK, Mishra YK, Singh F, Kabiraj D, Pivin JC, Avasthi DK (2007) Structural studies of Ge nanocrystals embedded in SiO2 matrix. Nucl Instrum Meth Phys Res B 264:249–253. doi:10.1016/j.nimb.2007.08.094
Stavarache I, Lepadatu AM, Gheorghe NG, Costescu RM, Stan GE, Marcov D, Slav A, Iordache G, Stoica TF, Iancu V, Teodorescu VS, Teodorescu CM, Ciurea ML (2011) Structural investigations of Ge nanoparticles embedded in an amorphous SiO2 matrix. J Nanopart Res 13:221–232. doi:10.1007/s11051-010-0021-4
Stavarache I, Lepadatu AM, Maraloiu AV, Teodorescu VS, Ciurea ML (2012) Structure and electrical transport in films of Ge nanoparticles embedded in SiO2 matrix. J Nanopart Res 14:930. doi:10.1007/s11051-012-0930-5
Stavarache I, Lepadatu AM, Stoica T, Ciurea ML (2013) Annealing temperature effect on structure and electrical properties of films formed of Ge nanoparticles in SiO2. Appl Surf Sci. doi:10.1016/j.apsusc.2013.08.031
Stoica T, Sutter E (2006) Ge dots embedded in SiO2 obtained by oxidation of Si/Ge/Si nanostructures. Nanotechnology 17:4912–4916. doi:10.1088/0957-4484/17/19/022
Takeoka S, Fujii M, Hayashi S, Yamamoto K (1998) Size-dependent near-infrared photoluminescence from Ge nanocrystals embedded in SiO2 matrices. Phys Rev B 58:7921–7925. doi:10.1103/PhysRevB.58.7921
Wan Z, Huang S, Green MA, Conibeer G (2011) Rapid thermal annealing and crystallization mechanisms study of silicon nanocrystal in silicon carbide matrix. Nanoscale Res Lett 6:129. doi:10.1186/1556-276X-6-129
Wang W, Wang K, Han D, Poudel B, Wang X, Wang DZ, Zeng B, Ren ZF (2007) Exciton states and photoluminescence in Ge quantum dots. Nanotechnology 18:075707. doi:10.1088/0957-4484/18/29/295401
Wellner A, Paillard V, Bonafos C, Coffin H, Claverie A, Schmidt B, Heinig KH (2003) Stress measurements of germanium nanocrystals embedded in silicon oxide. J Appl Phys 94:5639–5642. doi:10.1063/1.1617361
Wu RS, Luo XF, Yuan CL, Zhang ZR, Yu JB (2009) Dielectric matrix imposed stress strain effect on photoluminescence of Ge nanocrystals. Physica E 41:1403–1405. doi:10.1016/j.ssc.2009.01.031
Xiao H, Huang S, Zheng J, Xie G, Xie Y (2009) Optical characteristics of Si/SiO2 multilayers prepared by magnetron sputtering. Microelectron Eng 86:2342–2346. doi:10.1016/j.mee.2009.04.014
Ye CN, Wu XM, Tang NY, Zhuge LJ, Yao WG, Chen J, Dong YM, Yu YH (2002) Origin of photoluminescence peaks in Ge–SiO2 thin films. Sci Technol Adv Mater 3:257–260. doi:10.1016/S1468-6996(02)00024-4
Zhang B, Shrestha S, Green MA, Conibeer G (2010a) Size controlled synthesis of Ge nanocrystals in SiO2 at temperatures below 400 °C using magnetron sputtering. Appl Phys Lett 96:261901. doi:10.1063/1.3457864
Zhang B, Shrestha S, Aliberti P, Green MA, Conibeer G (2010b) Characterisation of size-controlled and red luminescent Ge nanocrystals in multilayered superlattice structure. Thin Solid Films 518:5483–5487. doi:10.1016/j.tsf.2010.04.024
Zhang B, Yao Y, Patterson R, Shrestha S, Green MA, Conibeer G (2011) Electrical properties of conductive Ge nanocrystal thin films fabricated by low temperature in situ growth. Nanotechnology 22:125204. doi:10.1088/0957-4484/22/12/125204
Zi J, Zhang K, Xie X (1997) Comparison of models for Raman spectra of Si nanocrystals. Phys Rev B 55:9263–9266. doi:10.1103/PhysRevB.55.9263
Zschintzsch M, Jeutter NM, von Borany J, Krause M, Mücklich A (2010) Reactive dc magnetron sputtering of (GeO x –SiO2) superlattices for Ge nanocrystal formation. J Appl Phys 107:034306. doi:10.1063/1.3276184
Zschintzsch M, Sahle CJ, von Borany J, Sternemann C, Mücklich A, Nyrow A, Schwamberger A, Tolan M (2011a) Ge–Si–O phase separation and Ge nanocrystal growth in Ge:SiO x /SiO2 multilayers—a new dc magnetron approach. Nanotechnology 22:485303. doi:10.1088/0957-4484/22/48/485303
Zschintzsch M, von Borany J, Jeutter NM, Mücklich A (2011b) Stacked Ge nanocrystals with ultrathin SiO2 separation layers. Nanotechnology 22:465302. doi:10.1088/0957-4484/22/46/465302