Структурные и оптические свойства оксида кремния, имплантированного ионами цинка: влияние степени пересыщения и термообработки

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.

1. Investigation 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.2018.06.002

2. Interface 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.2017.12.006

3. ZnO-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.2019.111417

4. Hsueh, 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.2019.127319

5. Zhong, 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/10.1080/00387010.2012.704475

6. Fabrication 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/10.1063/1.1989442

7. Mayer, 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/10.1063/1.59188

8. Biersack, 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_5

9. Swanson, 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.539v7

10. kinetics 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/jp201544f

11. Synthesis 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/s11172-010-0082-7

12. Uchino, 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.73.233203

13. Skuja, 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)00720-0

14. Numerical 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/10.1134/1.1403563

15. Electronic 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.2015.10.002