danДоклады Национальной академии наук БеларусиDoklady of the National Academy of Sciences of Belarus1561-83232524-2431The Republican Unitary Enterprise Publishing House "Belaruskaya Navuka"10.29235/1561-8323-2020-64-3-273-281dan-880Research ArticleФИЗИКАPHYSICSСтруктурные и оптические свойства оксида кремния, имплантированного ионами цинка: влияние степени пересыщения и термообработкиStructural and optical properties of Zn-implanted silica: effect of fluence and annealingМоховиковМ. А.MakhavikouM. A.

Моховиков Максим Александрович – науч. сотрудник

ул. Курчатова, 7, 220108, Минск

Makhavikou Maxim A. – Researcher

7, kurchatov Str., 220108, Minsk

m.mohovikov@gmail.comМильчанинО. В.MilchaninO. V.

Мильчанин Олег Владимирович – ст. науч. сотрудник

ул. Курчатова, 7, 220108, Минск

Milchanin Oleg V. – Senior researcher

7, kurchatov Str., 220108, Minsk

milchanin@tut.byПархоменкоИ. Н.ParkhomenkoI. N.

Пархоменко Ирина Николаевна – канд. физ.-мат. наук, ст. науч. сотрудник

ул. Курчатова, 5, 220108, Минск

Parkhomenko Irina N. – Ph. D. (Physics and Mathematics), Senior researcher

5, kurchatov Str., 220108, Minsk

parkhomenko@bsu.byКомаровФ. Ф.KomarovF. F.

Комаров Фадей Фадеевич – член-корреспондент, д-р физ.-мат. наук, заведующий лабораторией

ул. Курчатова, 7, 220108, Минск

Komarov Fadei F. – Corresponding Member, D. Sc. (Physics and Mathematics), Head of the Laboratory

7, kurchatov Str., 220108, Minsk

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

Власукова Людмила Александровна – канд. физ.-мат. наук, заведующий лабораторией

ул. Курчатова, 5, 220108, Минск

Vlasukova Liudmila A. – Ph. D. (Physics and Mathematics), Head of the Laboratory

5, kurchatov Str., 220108, Minsk

vlasukova@bsu.byКоролевД. С.KorolevD. S.

Королев Дмитрий Сергеевич – канд. физ.-мат. наук, науч. сотрудник

пр. Гагарина, 23, 603950, Нижний Новогород

Korolev Dmitriy S. – Ph. D. (Physics and Mathematics), Researcher

23, Gagarin Ave., 603950, Nizhny Novgorod

dmkorolev@phys.unn.ruМудрыйА. В.MudryiA. V.

Мудрый Александр Викторович – канд. физ.-мат. наук, гл. науч. сотрудник

ул. П. Бровки, 19, 220072, Минск

Mudryi Alexander V. – Ph. D. (Physics and Mathematics), Chief researcher

19, P. Brovka Str., 220072, Minsk

mudryi@ifttp.bas-net.byЖивулькоВ. Д.ZhivulkoV. D.

Живулько Вадим Дмитриевич – канд. физ.-мат. наук, ст. науч. сотрудник

ул. П. Бровки, 19, 220072, Минск

Zhivulko Vadim D. – Ph. D. (Physics and Mathematics), Senior researcher

19, P. Brovka Str., 220072, Minsk

vad.zhiv@gmail.comван ВууренАрно ЯнсеJanse vanVuuren A.

Арно Янсе ван Вуурен – канд. наук, науч. сотрудник

корпус 124, 6001, Порт-Элизабет

Arno Janse van Vuuren – Ph. D., Researcher

building 124, 6001, Port Elizabeth

arnojvv@gmail.comИнститут прикладных физических проблем имени А. Н. Севченко Белорусского государственного университетаA. N. Sevchenko Institute of Applied Physical Problems of the Belarusian State UniversityБелорусский государственный университетBelarusian State UniversityНижегородский государственный университет имени Н. И. ЛобачевскогоLobachevsky State University of Nizhny NovgorodНаучно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по материаловедениюScientific and Practical Materials Research Center of the National Academy of Sciences of BelarusЦентр просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения, Университет Нельсона МанделыCentre for High Resolution Transmission Electron Microscopy, Nelson Mandela Metropolitan University202008072020643273281Copyright © Моховиков М.А., Мильчанин О.В., Пархоменко И.Н., Комаров Ф.Ф., Власукова Л.А., Королев Д.С., Мудрый А.В., Живулько В.Д., ван Вуурен А.Я., 20202020Моховиков М.А., Мильчанин О.В., Пархоменко И.Н., Комаров Ф.Ф., Власукова Л.А., Королев Д.С., Мудрый А.В., Живулько В.Д., ван Вуурен А.Я.Makhavikou M.A., Milchanin O.V., Parkhomenko I.N., Komarov F.F., Vlasukova L.A., Korolev D.S., Mudryi A.V., Zhivulko V.D., Janse van V.A.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/880

Методом просвечивающей электронной микроскопии и электронной дифракции изучен фазовоструктурный состав слоев аморфного оксида кремния, имплантированного ионами цинка, в зависимости от степени пересыщения примесью. Показано, что нанокластеры малого размера (1–2 нм) формируются уже в процессе ионной имплантации при комнатной температуре при концентрации цинка 6–7 ат. %, тогда как для формирования нанокластеров размером 5–7 нм необходима концентрация цинка 16–18 ат. %. Длительный печной отжиг при 750 °C в течение 2 ч приводит к формированию кристаллической фазы ромбического Zn2SiO4 (пространственная группа симметрии R-3) в случае меньшего флюенса (5 · 1016 cм–2) и кубической фазы ZnO (пространственная группа симметрии F-43m) в случае бÓльшего флюенса (1 · 1017 cм–2). Установлено, что потери примеси при имплантации, а также в процессе термообработки увеличиваются с ростом флюенса внедряемых ионов. Проведена оценка количества атомов цинка, находящихся в кластерах после проведения отжига: 15 и 18 % для флюенсов 5 · 1016 и 1 · 1017 cм–2 соответственно. Примесь, оставшаяся в растворенном состоянии в матрице SiO2, негативно влияет на интенсивность сигнала люминесценции от пленки оксида кремния с нанокристаллами Zn2SiO4 и ZnO.

The phase-structural composition of a silica film grown on Si substrate implanted with Zn ions at room temperature with different fluences has been studied using transmission electron microscopy and electron diffraction. The small clusters (1–2 nm) and the large clusters (5–7 nm) have been formed in as-implanted silica films with the Zn concentration of 6–7 at % and 16–18 at %, respectively. Furnace annealing at 750 °С for two hours results both in the formation of the orthorhombic Zn2SiO4 phase (space group R-3) in the case of low fluence (5 · 1016 cm–2) and in the formation of the cubic ZnO phase (space group F-43m) in the case of high fluence (1 · 1017 cm–2). It has been shown that impurity loss during implantation and subsequent annealing increase with fluence of implanted ions. The fraction of Zn atoms in clusters has been estimated to be 15 % and 18 % for fluences (5 · 1016 cm–2) and (1 · 1017 cm–2), respectively. It has been shown that residual Zn impurities dissolved in silica matrix noticeably suppress the light-emitting properties of silica with embedded Zn2SiO4 and ZnO nanocrystals.

оксид кремнияимплантацияоксид цинкасиликат цинкапросвечивающая электронная микроскопияфотолюминесценцияsilicon oxideimplantationzinc oxidezinc silicatetransmission electron microscopyphotoluminescenceReferencesInvestigation of structural and electrical properties of ZnO varistor samples doped with different additives / M. M. Saadeldin [et al.] // NRIAG Journal of Astronomy and Geophysics. – 2018. – Vol. 7, N 2. – P. 201–207. https://doi.org/10.1016/j.nrjag.2018.06.002Saadeldin M. M., Desouky O. A., Ibrahim M., khalil G. E., Helali M. y. Investigation of structural and electrical properties of ZnO varistor samples doped with different additives. NRIAG Journal of Astronomy and Geophysics, 2018, vol. 7, no. 2, pp. 201–207. https://doi.org/10.1016/j.nrjag.2018.06.002Interface control for pure ultraviolet electroluminescence from nano-ZnO-based heterojunction devices / D. you [et al.] // Science Bulletin. – 2018. – Vol. 63, N 1. – P. 38–45. https://doi.org/10.1016/j.scib.2017.12.006you D., Xu C., Qin F., Zhu Z., Manohari A. G., Xu W., Zhao J., Liu W. Interface control for pure ultraviolet electroluminescence from nano-ZnO-based heterojunction devices. Science Bulletin, 2018, vol. 63, no. 1, pp. 38–45. https://doi.org/10.1016/j.scib.2017.12.006ZnO-based nanostructured electrodes for electrochemical sensors and biosensors in biomedical applications / N. P. Shetti [et al.] // Biosensors and Bioelectronics. – 2019. – Vol. 141. – Art. 111417 (12 p.). https://doi.org/10.1016/j.bios.2019.111417Shetti N. P., Bukkitgar S. D., Reddy k. R., Reddy Ch. V., Aminabhavi T. M. ZnO-based nanostructured electrodes for electrochemical sensors and biosensors in biomedical applications. Biosensors and Bioelectronics, 2019, vol. 141, art. 111417 (12 p.). https://doi.org/10.1016/j.bios.2019.111417Hsueh, T.-J. A transparent ZnO nanowire MEMS gas sensor prepared by an ITO micro-heater / T.-J. Hsueh, C.-H. Peng, W.-S. Chen // Sensors & Actuators: B. Chemical. – 2020. – Vol. 304. – Art. 127319 (32 p.). https://doi.org/10.1016/j.snb.2019.127319Hsueh T.-J., Peng C.-H., Chen W.-S. A transparent ZnO nanowire MEMS gas sensor prepared by an ITO micro-heater. Sensors & Actuators: B. Chemical, 2020, vol. 304, art. 127319 (32 p.). https://doi.org/10.1016/j.snb.2019.127319Zhong, k. Photoluminescence from zinc oxide quantum dots embedded in silicon dioxide matrices / k. Zhong // Spectrosc. Lett. – 2013. – Vol. 46, N 3. – P. 160–164. https://doi.org/10.1080/00387010.2012.704475Zhong k. Photoluminescence from zinc oxide quantum dots embedded in silicon dioxide matrices. Spectroscopy Letters, 2013, vol. 46, no. 3, pp. 160–164. https://doi.org/10.1080/00387010.2012.704475Fabrication of ZnO nanoparticles in SiO2 by ion implantation combined with thermal oxidation / H. Amekura [et al.] // Appl. Phys. Lett. – 2005. – Vol. 87, N 1. – Art. 013109 (3 p.). https://doi.org/10.1063/1.1989442Amekura H., Umeda N., Sakuma y., kishimoto N., Buchal Ch. Fabrication of ZnO nanoparticles in SiO2 by ion implantation combined with thermal oxidation. Applied Physics Letters, 2005, vol. 87, no. 1, art. 013109 (3 p.). https://doi.org/10.1063/1.1989442Mayer, M. SIMNRA, a simulation program for the analysis of NRA, RBS and ERDA / M. Mayer // Application of Accelerators in Research and Industry. – New york, 1999. – Vol. 475 – P. 541–544. https://doi.org/10.1063/1.59188Mayer M. SIMNRA, a simulation program for the analysis of NRA, RBS and ERDA. Application of Accelerators in Research and Industry. New york, 1999, vol. 475, pp. 541–544. https://doi.org/10.1063/1.59188Biersack, J. P. The Stopping and Range of Ions in Solids / J. P. Biersack, J. F. Ziegler // Ion Implantation Techniques. – Berchtesgaden, 1982. – Vol. 10. – P. 122–156. https://doi.org/10.1007/978-3-642-68779-2_5Biersack J. P., Ziegler J. F. The Stopping and Range of Ions in Solids. Ion Implantation Techniques. Berchtesgaden, 1982, vol. 10, pp. 122–156. https://doi.org/10.1007/978-3-642-68779-2_5Swanson, H. E. Standard x-ray diffraction powder patterns / H. E. Swanson, N. T. Gilfrich, M. I. Cook. – Washington, 1957. – Vol. 7. – P. 62–64. https://doi.org/10.6028/nbs.circ.539v7Swanson H. E., Gilfrich N. T., Cook M. I. Standard x-ray diffraction powder patterns. Washington, 1957, vol. 7, pp. 62–64. https://doi.org/10.6028/nbs.circ.539v7kinetics of the Wurtzite-to-Rock-Salt Phase Transition in ZnO at High Pressure / V. L. Solozhenko [et al.] // J. Phys. Chem. A. – 2011. – Vol. 115, N 17. – P. 4354–4358. https://doi.org/10.1021/jp201544fSolozhenko V. L., kurakevych O. O., Sokolov P. S., Baranov A. N. kinetics of the Wurtzite-to-Rock-Salt Phase Transition in ZnO at High Pressure. Journal of Physical Chemistry A, 2011, vol. 115, no. 17, pp. 4354–4358. https://doi.org/10.1021/jp201544fSynthesis and Thermal Stability of Cubic ZnO in the Salt Nanocomposites / P. S. Sokolov [et al.] // Rus. Chem. Bul. – 2010. – Vol. 59, N 2. – P. 325–328. https://doi.org/10.1007/s11172-010-0082-7Sokolov P. S., Baranov A. N., Dobrokhotov Zh. V., Solozhenko V. L. Synthesis and Thermal Stability of Cubic ZnO in the Salt Nanocomposites. Russian Chemical Bulletin, 2010, vol. 59, no. 2, pp. 325–328. https://doi.org/10.1007/s11172-010-0082-7Uchino, T. Structure and formation mechanism of blue-light-emitting centers in silicon and silica-based nanostructured materials / T. Uchino, N. kurumoto, N. Sagawa // Phys. Rev. B. – 2006. – Vol. 73, N 23. – Art. 233203 (4 p.). https://doi.org/10.1103/physrevb.73.233203Uchino T., kurumoto N., Sagawa N. Structure and formation mechanism of blue-light-emitting centers in silicon and silica-based nanostructured materials. Physical Review B, 2006, vol. 73, no. 23, art. 233203 (4 p.). https://doi.org/10.1103/physrevb.73.233203Skuja, L. Optically active oxygen-deficiency-related centers in amorphous silicon dioxide / L. Skuja // Journal of NonCrystalline Solids. – 1998. – Vol. 239, N 1–3. – P. 16–48. https://doi.org/10.1016/s0022-3093(98)00720-0Skuja L. Optically active oxygen-deficiency-related centers in amorphous silicon dioxide. Journal of Non-Crystalline Solids, 1998, vol. 239, no. 1–3, pp. 16–48. https://doi.org/10.1016/s0022-3093(98)00720-0Numerical simulation of intrinsic defects in SiO 2 and Si3N4 / V. A. Gritsenko [et al.] // Semiconductors. – 2001. – Vol. 35, N 9. – P. 997–1005. https://doi.org/10.1134/1.1403563Gritsenko V. A., Novikov yu. N., Shaposhnikov A. V., Morokov yu. N. Numerical simulation of intrinsic defects in SiO 2 and Si3N4. Semiconductors, 2001, vol. 35, no. 9, pp. 997–1005. https://doi.org/10.1134/1.1403563Electronic structure and photoluminescence properties of Zn-ion implanted silica glass before and after thermal annealing / D. A. Zatsepin [et al.] // Journal of Non-Crystalline Solids. – 2016. – Vol. 432. – P. 183–188. https://doi.org/10.1016/j.jnoncrysol.2015.10.002Zatsepin D. A., Zatsepin A. F., Boukhvalov D. W., kurmaev E. Z., Pchelkina Z. V., Gavrilov N. V. Electronic structure and photoluminescence properties of Zn-ion implanted silica glass before and after thermal annealing. Journal of NonCrystalline Solids, 2016, vol. 432, pp. 183–188. https://doi.org/10.1016/j.jnoncrysol.2015.10.002

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