danДоклады Национальной академии наук БеларусиDoklady of the National Academy of Sciences of Belarus1561-83232524-2431The Republican Unitary Enterprise Publishing House "Belaruskaya Navuka"dan-456Research ArticleФИЗИКАPHYSICSИОННО-ЛУЧЕВОЕ ФОРМИРОВАНИЕ НАНОКЛАСТЕРОВ ZnSe И ZnS В СЛОЯХ ДИОКСИДА КРЕМНИЯION-BEAM SYNTHESIS OF ZnSe AND ZnS NANOCLUSTERS IN SiO2 LAYERSМоховиковМ. А.MakhavikouM. A.

мл. науч. сотрудник

ул. Курчатова, 7, 220045

Junior researcher

7, Kurchatov Str., 220045

M.Mohovikov@gmail.comКомаровФ. Ф.KomarovF. F.

член-корреспондент, д-р физ.-мат. наук, зав. лабораторией

ул. Курчатова, 7, 220045

Corresponding Member, D. Sc. (Physics and Mathematics), Head of the Laboratory

7, Kurchatov Str., 220045

komarovf@bsu.byВласуковаЛ. А.VlasukovaL. A.

канд. физ.-мат. наук, зав. лабораторией

ул. Курчатова, 5, 220064

Ph. D. (Physics and Mathematics), Head of the Laboratory

5, Kurchatov Str., 220064

vlasukova@bsu.byМильчанинО. В.MilchaninO. V.

ст. науч. сотрудник

ул. Курчатова, 7, 220045

Senior researcher

7, Kurchatov Str., 220045

Milchanin@tut.byПархоменкоИ. Н.ParkhomenkoI. N.

канд. физ.-мат. наук, ст. науч. сотрудник

ул. Курчатова, 5, 220064

Ph. D. (Physics and Mathematics), Senior researcher

5, Kurchatov Str., 220064

parhomir@yandex.byВендлерЭ.WendlerE.

профессор

Max-Wien-Platz 1, D-07743, Jena, Germany

Professor

Max-Wien-Platz 1, D-07743, Jena, Germany

elke.wendler@uni-jena.deКовальчукН. С.KovalchukN. S.

канд. техн. наук, зам. главного инженера по серийному производству 

ул. Казинца, 121а, 220108

Ph. D. (Engineering), assistant chief engineer

121a, Kazinets Str., Minsk, 220108

7033696@mail.ruИнститут прикладных физических проблем имени А. Н. Севченко Белорусского государственного университета, МинскA. N. Sevchenko Institute of Applied Physical Problems of Belarusian State University, MinskБелорусский государственный университет, МинскBelarusian State University, MinskЙенский университет имени Фридриха Шиллера, ЙенаFriedrich-Schiller-Universität, JenaОткрытое акционерное общество «Интеграл», МинскJoint Stock Company «INTEGRAL» Holding Management Company, Minsk2017171220176154249Copyright © Моховиков М.А., Комаров Ф.Ф., Власукова Л.А., Мильчанин О.В., Пархоменко И.Н., Вендлер Э., Ковальчук Н.С., 20172017Моховиков М.А., Комаров Ф.Ф., Власукова Л.А., Мильчанин О.В., Пархоменко И.Н., Вендлер Э., Ковальчук Н.С.Makhavikou M.A., Komarov F.F., Vlasukova L.A., Milchanin O.V., Parkhomenko I.N., Wendler E., Kovalchuk N.S.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://doklady.belnauka.by/jour/article/view/456

В работе продемонстрирована возможность одновременного формирования в слоях SiO2 наноразмерных кластеров ZnSe и ZnS. Использовались «горячие» (550 °С) условия имплантации ионов Se, Zn и S c последующей высокотемпературной обработкой (900 °С, 30 мин). Было изготовлено две серии образцов: первая имплантировалась ионами Se и Zn, вторая – ионами Se, Zn и S. Установлено, что формирование слоев с наноразмерными (от 2 до 20 нм) кластерами в оксидной матрице происходит уже в процессе «горячей» имплантации примесей. Последующая термообработка приводит к существенной структурной перестройке слоев с кластерами. В отожженных образцах в области максимальной концентрации внедренных примесей формируются крупные кристаллиты (до 90 нм), в то время как в приповерхностной области диоксида кремния наблюдаются мелкие преципитаты. Методом комбинационного рассеяния света и в образцах сразу после имплантации, и в отожженных образцах зарегистрировано формирование кластеров кристаллической фазы ZnSe (для первой серии) и кластеров фаз ZnSe + ZnS (для второй серии). 

We have studied the formation of ZnSe and ZnS precipitates in silicon dioxide by ion implantation at 550 °C and subsequent annealing at 900 °C for 30 min in the Ar atmosphere. Two sets of samples have been prepared: the first set of samples has been implanted with Se and Zn ions and the second set of samples – with Se, Zn and S ions. The analysis of XTEM images shows that the “hot” implantation leads to the formation of extended layers containing nanoclusters (with size of 20 nm). Subsequent annealing results in a significant structural transformation of layers with nanoclusters. For annealed samples, large crystallites (up to 90 nm) are observed at the depth of maximum impurity concentration, while small clusters are registered in the subsurface layer of silicon dioxide. Raman spectroscopy proves the formation of ZnSe and ZnSe + ZnS crystal phases for deposited and annealed samples of the first and second sets. 

ионная имплантация при повышенной температурекристаллические нанокластерыпрямозонные полупроводники ZnSe и ZnSкомбинационное рассеяние светапросвечивающая электронная микроскопия«hot» ion implantationcrystalline nanoclustersdirect-band-gap semiconductors of ZnSe and ZnS phasesRaman spectroscopytransmission electron microscopyРабота выполнена при поддержке гранта БРФФИ для молодых ученых № Ф17М-053, а также в рамках договора с БРФФИ № Ф17Д-002.The work is supported by the Belarusian Republican Foundation for Fundamental Research (Grants no. F17М-053 and no. F17D-002).ReferencesItoh, S. Current status and Future prospects of ZnSe-based light-emitting devices / S. Itoh, K. Nakano, A. Ishibashi // J. Crystal Growth. – 2000. – Vol. 214. – P. 1029–1034. doi.org/10.1016/S0022-0248(00)00264-5Itoh S., Nakano K., Ishibashi A. Current status and Future prospects of ZnSe-based light-emitting devices. Journal of Crystal Growth, 2000, vol. 214, pp. 1029–1034. doi.org/10.1088/0957-4484/20/1/015102Yong, K. T. Mn-doped near-infrared quantum dots as multimodal targeted probes for pancreatic cancer imaging / K. T. Yong // Nanotechnology. – 2009. – Vol. 20. – 015102. doi.org/10.1088/0957-4484/20/1/015102Yong K. T. Mn-doped near-infrared quantum dots as multimodal targeted probes for pancreatic cancer imaging. Nanotechnology, 2009, vol. 20, 015102. doi.org/10.1088/0957-4484/20/1/015102Effects of strain on the optical and vibrational properties of ZnSe–ZnSxSe1–x strained-layer superlattices / K. Shahad [et al.] // J. Luminescence. – 1990. – Vol. 46. – P. 109–136. doi.org/10.1016/0022-2313(90)90013-2Shahad K., Olego D. J., Van De Walle C. G., Cammack D. A. Effects of strain on the optical and vibrational properties of ZnSe–ZnSxSe1–x strained-layer superlattices. Journal of Luminescence, 1990, vol. 46, pp. 109–136. doi.org/10.1016/0022- 2313(90)90013-2Microwave-assisted aqueous synthesis of transition metal ions doped ZnSe/ZnS core/shell quantum dots with tunable white-light emission / Z. Jie [et al.] // Appl. Surf. Science. – 2015. – Vol. 351. – P. 655–661. doi.org/10.1016/j.apsusc.2015.05.178Jie Z., Qiuhang C., Wanlu Z., Shiliang M., Liangjie H., Jiatao Z., Guoping C., Ruiqian G. Microwave-assisted aqueous synthesis of transition metal ions doped ZnSe/ZnS core/shell quantum dots with tunable white-light emission. Applied Surface Science, 2015, vol. 351, pp. 655–661. doi.org/10.1016/j.apsusc.2015.05.178Facile synthesis of highly luminescent UV-blue emitting ZnSe/ZnS core/shell quantum dots by a two-step method / D. Bohua [et al.] // Chem. Commun. – 2010. – Vol. 46. – P. 7331–7333. doi.org/10.1039/C0CC02042GBohua D., Lixin C., Ge S., Wei L. Facile synthesis of highly luminescent UV-blue emitting ZnSe/ZnS core/shell quantum dots by a two-step method. Chemical Communications, 2010, vol. 46, pp. 7331–7333. doi.org/10.1039/C0CC02042GSRIM [The Stopping and Range of Ions in Matter] (2013) [Electronic resource]. – Mode of access: http://www.srim.orgSRIM [The Stopping and Range of Ions in Matter] (2013). Available at: http://www.srim.orgFormation of InAs nanocrystals in Si by high-fluence ion implantation / F. Komarov [et al.] // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B. – 2008. – Vol. 266. – P. 3557–3564. doi.org/10.1016/j.nimb.2008.06.010Komarov F., Vlasukova L., Wesch W., Kamarou A., Milchanin O., Grechnyi S., Mudryi A., Ivaniukovich A. Formation of InAs nanocrystals in Si by high-fluence ion implantation. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B, 2008, vol. 266, pp. 3557–3564. doi.org/10.1016/j.nimb.2008.06.010Ion-Beam Synthesis of InSb Nanocrystals in Si Matrix / F. Komarov [et al.] // J. Advanced Materials Research. – 2013. – Vol. 679. – P. 9–13. doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMR.679.9Komarov F., Togambayeva A., Vlasukova L., Parkhomenko I., Milchanin O., Makhavikov M., Tolkynay M. Ion-Beam Synthesis of InSb Nanocrystals in Si Matrix. Advanced Materials Research, 2013, vol. 679, pp. 9–13. doi.org/10.4028/www. scientific.net/AMR.679.9Optical Phonons in ZnSxSe1−x Mixed Crystals / O. Brafman [et al.] // Phys. Rev. Lett. – 1967. – Vol. 19. – P. 1120–1123. doi.org/10.1103/PhysRevLett.19.1120Brafman O., Chang I.F., Lengyel G., Mitra S. S., Carnall E. Optical Phonons in ZnSxSe1−x Mixed Crystals. Physical Review Letters, 1967, vol. 19, pp. 1120–1123. doi.org/10.1103/PhysRevLett.19.1120Аксянов, И. Г. Комбинационное рассеяние света в мозаичных пленках карбида кремния / И. Г. Аксянов, М. Е. Компан, И. В. Кулькова // Физика твердого тела. – 2010. – Т. 52, вып. 9. – C. 1724–1728.Aksyanov I. G., Kompan M. E., Kul’kova I. V. Raman scattering in mosaic silicon carbide films, Physics of the Solid State, 2010, vol. 52, pp. 1850–1854. doi:10.1134/S1063783410090106Resonant micro-Raman investigations of the ZnSe–LO splitting in II–VI semiconductor quantum wires / G. Lermann [et al.] // J. Appl. Phys. – 1997. – Vol. 81. – P. 1446–1450. doi.org/10.1063/1.364181Lermann G., Bischof T., Materny A., Kiefer W., Kümmell T., Bacher G., Forchel A., Landwehr G. Resonant microRaman investigations of the ZnSe–LO splitting in II–VI semiconductor quantum wires. Journal of Applied Physics, 1997, vol. 81, pp. 1446–1450. doi.org/10.1063/1.364181Brafman, O. Raman Effect in Wurtzite- and Zinc-Blende-Type ZnS Single Crystals / O. Brafman, S. S. Mitra // Phys. Rev. – 1968. – Vol. 171. – P. 931–934. doi.org/10.1103/PhysRev.171.931Brafman O., Mitra S. S. Raman Effect in Wurtzite- and Zinc-Blende-Type ZnS Single Crystals. Physical Review, 1968, vol. 171, pp. 931–934. doi.org/10.1103/PhysRev.171.931Structural properties of solution processed Ge23Sb7S70 glass materials / M. Waldmann [et al.] // J. Mater. Chem. – 2012. – Vol. 22. – P. 17848–17852. doi.org/10.1039/C2JM32235HWaldmann M., Musgraves J. D., Richardson K., Craig B. A. Structural properties of solution processed Ge23Sb7S70 glass materials. Journal of Materials Chemistry, 2012, vol. 22, pp. 17848–17852. doi.org/10.1039/C2JM32235HKouji, H. Raman Scattering in ZnSxSe1–x Alloys / H. Kouji, S. Nobuhiko, A. Isamu // Japanese Journal of Applied Physics. – 1991. – Vol. 30, N 3. – P. 501–505. doi.org/10.1143/JJAP.30.501Kouji H., Nobuhiko S., Isamu A. Raman Scattering in ZnSxSe1–x Alloys. Japanese Journal of Applied Physics, 1991, vol. 30, no. 3, pp. 501–505. doi.org/10.1143/JJAP.30.501

The authors declare that there are no conflicts of interest present.