Научный журнал
Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований

ISSN 1996-3955
ИФ РИНЦ = 0,580

СПЕКТРОФОТОМЕТРИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ТОНКИХ ПЛЕНОК СПЛАВОВ А -SI:H А-NK-C:H

Наджафов Б.А. 1 Абдуллаев Х.Ш. 1
1 Институт радиационных проблем НАН Азербайджана
Исследованы спектры ИК поглощения пленок сплавов а-nk-Si:H (а – аморфные, nk – нанокристаллические) в диапазоне энергии 0,03÷3,0 эВ. Определены оптические коэффициенты поглощения (α) пленок для слабо и сильно поглощающих областей спектра. Определены также коэффициенты преломления (n) и ослабления (к0) для различных прозрачных и непрозрачных подложек.
аморфные и нанокристаллические пленки
оптические коэффициенты поглощения
отражения
преломления и ослабления
1. Физика гидрогенизированного аморфного кремния. Под ред. Дж. Джоунпулоса, Дж. Люковски. – М.: Мир, 1988. – вып. 2. – 447 с.
2. Наджафов Б.А., Исаков Г.И. Оптические свойства аморфных пленок твердого раствора а-Si1-xGex:H с различной концентрацией водорода. // ЖПС. – 2005. – v. 72. № 3. – С. 371–376.
3. Tsu R., Howard W.E., and Esaki Z. Optical and electrical properties and band structure of GeTe and SnTe. Phys. Rev. 15 August 1968. – v. 172, № 3. – Р. 779–788.
4. Brodsky M.H., Cardona M. Infrared and Raman spectra of the silicon-hydrogen bands in amorphous silicon prepared by glow discharge and sputtering. // Phys. Rev. B. – 1977. – v. 16, № 8. – Р. 3556–3571.
5. Наджафов Б.А. Оптические свойства тонких пленок a-Si1-xGex:H(x = 0÷1) // International journal of applied and fundamental research, 2017. – № 1. – Р. 20–26.

В мировой науке проводилось достаточное исследование в направлении измерения и изучения тонких пленок. Однако в направлении измерения интерференции и расчета оптического поглощения не получены конкретные формулы, которые могли бы упростить результаты экспериментальных работ. В этой статье проводились расчеты и получены результаты, улучшающие работы исследователей.

Пленки Si и их сплава характеризуется различными структурными фазами. Наиболее интересными из них являются кристаллические зерна, находящиеся в аморфной матрице.

Наноразмерные эффекты тонких пленок сопровождаются образованием нанотрубок, нанопроволок, наночастиц, фуллеренов, эндофуллеренов, графитов, графанов, кластеров и др. Образование этих наноматериалов обычно связано структурными дефектами, наличием и ролью водорода в их составе. В литературе оптические свойства наноматериалов изучены недостаточно.

Поэтому измерение оптических параметров – коэффициентов поглощения (a), отражения (R), пропускания (Т), преломления (n), коэффициент ослабления (к0), толщины (d) тонких пленок и определение на их основе ширины запрещенной зоны (Е0) представляются интересными [1–5].

Используя условие сохранения энергии, можно найти коэффициент поглощения α:

nad01.wmf

Из-за многократных отражений в подложке и пленке задача установления связи между R и Т и оптическими константами не тривиальна. Обычно делается несколько упрощающих предположений для получения связи измеряемых величин R, Т, α, n и к0. При прохождении светом границы раздела двух сред падающий луч разбивается на отраженный и преломленный. Направления этих лучей определяются законами геометрической оптики – законами отражения и преломления. Однако полное описание происходящих при этом явлений требует определения интенсивности и состояния поляризации отраженного и преломленного лучей. Для плоской границы раздела двух изотропных не поглощающих сред интенсивность и состояние поляризации отраженного и преломленного лучей определяется формулами Френеля. Полученные формулы для границы раздела двух непоглощенных сред могут быть обобщенные для случая, когда световая волна падает на границу с поглощающей средой. Из электродинамики известно, что поглощающие среды в отличие от диэлектриков характеризуются комплексным значением диэлектрической проницаемости, следовательно, и комплексным показателем преломления:

nad02.wmf

Действительная часть комплексного показателя преломления определяет скорость распространения волны в веществе, а его мнимая часть характеризует затухание волны при ее распространении в поглощающей среде и называется показателем поглощения. Величины n и к0 определяют оптические свойства вещества, и их часто называют оптическими константами данного вещества. При падении света на плоскую поверхность поглощающей среды формулы Френеля сохраняют свой вид, с той только разницей, что действительный показатель преломления заменяется комплексной величиной nad03.wmf.

На практике всегда имеют дело с толстой подложкой (nad04.wmf). В этом случае интерференционные явления не наблюдаются, поскольку измерение производится не для одной длины волны λ, а для некоторого участка спектра Δλ = λ2 – λ1, пропускаемого монохроматором.

Анализ достаточно подробных обзоров работ, в которых обсуждается формула для определения Т, позволяет нам воспользоваться конкретным известным соотношением [2, 4].

Тогда для слабо поглощающих областей света nad05.wmf. Отметим, что к0 – показывает ослабление света в системе пленка – подложка, толщина пленки d определяется в этом случае из соответствующих экстремумов пропускания или отражения из интерференционных полос.

Это уравнение хорошо согласуется с уравнением для прозрачной подложки в сильно и слабо поглощающих областях спектра. Подложка обычно выбирается NaCl, кварц, стекло, KBr, CsJ и т.д.

Здесь R1, R2, R3 соответственно отражение света пленка – воздух, пленка – подложка, подложка – воздух. α – коэффициент поглощения данной плени, d – толщина пленки, Т – пропускание пленки, n – коэффициент преломления и к0 – коэффициент ослабление света в системе пленка – подложка, n1 – коэффициенты преломления подложки.

nad06.wmf, (1)

Здесь

nad07.wmf,

тогда

nad08.wmf,

nad09.wmf,

nad10.wmf,

nad11.wmf. (2)

Уравнением (2) определяется коэффициент ослабления (к0) в пленках сплавов а-nк-Si:Н. Отметим, что полученные результаты также можно использовать и для других полупроводниковых материалов, в том числе GeTe, SnTe, PbTe, а-nк-Si:Н:B, а-nк-Si:Н:P, мк-Si:Н, мк-Si:Н:Р, мк-Si:Н:В, мк-Si:С:Н, Si1-хОх , а-Si1-хNх:Н [3]:

nad12.wmf,

тогда

nad13.wmf и nad14.wmf,

nad15.wmf,

nad16.wmf

nad17.wmf

nad18.wmf (3)

Значит коэффициенты поглощения (α) можно определить с помощью уравнения (3). А что касается определения толщины пленок, то ее значение определяется из следующих соотношений:

nad19.wmf. (4)

Это уравнение используется для определения толщины пленок, если коэффициент преломления известен.

Соответственно, коэффициенты преломления определяются при помощи следующего уравнения из общих кривых поглощения (α) следующим образом [2, 4]:

nad20.wmf, (5)

здесь ν – частота соответствующих длин волн, с – скорость света. nad21.wmf – длины волны соответствующих экстремумов.

Другим способом коэффициент поглощения (α), при слабо поглощаемых областях спектра, определяется используя формулам (1):

nad22.wmf, (6)

где

nad63.wmf

nad64.wmf

nad65.wmf

nad24.wmf,

и nad25.wmf,

nad26.wmf lnx. (7)

Отражение и пропускание в системе пленки и подложки слабо поглощаемых областях спектра, на непрозрачный подложке имеет вид [1, 4]:

nad27.wmf, (8)

nad28.wmf, (9)

здесь Т23 – пропускание света пленки и подложки:

nad29.wmf. (10)

Это значение показывает пропускание пленки на непрозрачной подложке. Соответственно отражение пленки на непрозрачной подложке определяется в следующем виде:

nad30.wmf, (11)

nad31.wmf. (12)

Также отметим, что из уравнения (11) коэффициенты поглощения определяются по нижеследующим формулам. Если сделаем замену nad32.wmf, то:

nad33.wmf

nad34.wmf (13)

nad35.wmf

nad36.wmf

nad37.wmf

nad38.wmf

nad39.wmf

nad40.wmf. (14)

В уравнении (10), проведя замену R2 на R1, а также R12 на R23 и подставив в уравнение (12), получаем следующую формулу:

nad41.wmf. (15)

Используя коэффициент пропускания из уравнения (10), находим α следующим образом. Если сделаем замену nad42.wmf, то

nad66.wmf

Если t > 0, то

nad67.wmf

nad45.wmf,

nad46.wmf,

nad47.wmf,

nad48.wmf,

nad49.wmf,

nad50.wmf. (16)

Частные случаи:

Если nad51.wmf, тогда из уравнения (11):

nad52.wmf. (17)

Из уравнения (12):

nad53.wmf. (18)

Из уравнения (10):

nad54.wmf. (19)

При использовании различных прозрачных подложек, которые пропускают свет в области 0,03÷3,0 эВ, коэффициенты оптического поглощения определяются по следующей формуле:

nad55.wmf, (20)

где ξ может равняться единице, а также при толщине пленок d = 0,01÷1,0 мкм ее значение составляет ξ = 0,3÷0,8. При поглощении в области длинных волн, интерференция рассчитывается с помощью ξ. Уравнение (20) можно переписать в следующем виде:

nad56.wmf

nad57.wmf. (21)

Для аморфных и нанокристаллических (а-нк-Si:H) пленок Si:H, оптическую ширину зоны определяют из данных по поглощению, которые описываются соотношением в следующем виде:

nad58.wmf, (22)

здесь α – коэффициент поглощения, E0 – ширина запрещенной зоны, которая определяется из наклона зависимости nad59.wmf [5].

nad1.tif

Зависимость параметров Rf + Tf от энергии фотона

На рисунке показана зависимость изменения параметров (Rf + Tf) от энергии фотона. Видно, что выше 2,0 эВ параметры не изменяются. Основные изменения наблюдаются в области 0,5÷1,5 эВ, что соответствует краю поглощения. Отметим, что для аморфных и нанокристаллических пленок сплавов Si:C: H край поглощения составляет (1,8÷3,0 эВ). Параметры Rf и Tf, можно аппроксимировать по следующей формуле:

nad60.wmf. (23)

Здесь параметры х и у соответственно модифицируются значениями α и n.

Параметр Rf + Tf = 1, при энергии 1,4 эВ. Основные изменения наблюдаются при 0,6÷1,2 эВ.

nad61.wmf.

С изменением толщины плёнок от 1000 до nad62.wmf, Δα – уменьшается до 102 cm–1. n и к0 уменьшаются от 5,35 до 4,15 и от 3,0 до 2,2 соответственно.

Коэффициенты пропускания и отражения (Rf + Tf) для пленок а-Si:H,
а также параметры, α, n, к0, ζ

Длина волны

(Rf + Tf)

α(cm–1)

n

k0

ζ

0,1

0,776

1,5·102

3,70

0,67

0,30

0,3

0,832

3·102

3,81

0,73

0,31

0,5

0,921

5·102

3,95

0,95

0,33

0,7

0,943

9·102

3,98

1,11

0,35

0,9

0,957

2 ·103

4,01

1,23

0,41

1,1

0,983

5·103

4,05

1,31

0,49

1,3

1,001

6·103

4,11

1,41

0,53

1,5

1,004

9·103

4,20

1,53

0,61

1,7

1,001

1,2·104

4,37

1,71

0,65

1,9

1,005

3·104

4,45

2,01

0,69

2,1

1,006

4·104

4,59

2,21

0,71

2,3

1,004

5,5·104

4,63

2,37

0,77

2,5

1,007

5,7·104

4,69

2,47

0,83

2,7

1,008

6·104

4,73

2,61

0,87

2,9

1,008

7·104

4,75

2,71

0,90

3,1

1,009

0,95

3,3

1,011

9·104

4,81

2,91

0,97

3,5

1,012

105

4,87

3,01

0,99

В таблице показаны коэффициенты пропускания и отражения (Rf + Tf) для пленок а-Si:H, а также параметры, α, n, к0, ζ. Была выбрана кварцевая подложка.

Заключение

Результаты, полученные в данной работе, дают возможность определить коэффициенты поглощения (α), пропускания (Т), отражения (R), преломления (n) и ослабления (к0), ширину запрещенной зоны (Е0) и толщину пленок (d) во время и после осаждения сплавов а-nk-Si:H.

Данные параметры можно также определить с помощью спектрометров ИКС-22, ИКС-29, Specord 75 IR, Фурье-ИК (Varian 640 JR) в области энергий 0,03 ÷ 3,0 эВ и более.


Библиографическая ссылка

Наджафов Б.А., Абдуллаев Х.Ш. СПЕКТРОФОТОМЕТРИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ТОНКИХ ПЛЕНОК СПЛАВОВ А -SI:H А-NK-C:H // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. – 2017. – № 8-2. – С. 203-208;
URL: http://www.applied-research.ru/ru/article/view?id=11786 (дата обращения: 06.03.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074