Российские нанотехнологии. 2018; 13: 35-43
ИОННАЯ ИМПЛАНТАЦИЯ КАК СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ПОРИСТОГО ГЕРМАНИЯ С НАНОЧАСТИЦАМИ МЕДИ
Аннотация
Впервые проведена низкоэнергетическая имплантация ионами Cu+ в монокристаллический с-Ge с энергией E = 40 кэВ дозами облучения от 1,8.1015 до 1,5.1017 ион/см2 и плотностью тока в ионном пучке 5 мкA/см2. С помощью методов сканирующей электронной и атомно-силовой микроскопии была исследована морфология поверхности имплантированных образцов. Состав и структура образцов изучались методами микрозондового элементного микроанализа и дифракции отраженных электронов соответственно. Показано, что в начальный момент имплантации при дозах облучения менее 1,8.1015 ион/см2 с-Ge происходит аморфизация его приповерхностного слоя. Установлено, что в результате превышения пороговой дозы ионной имплантации 3,1.1015 ион/см2 в облучаемом слое Ge образуются наночастицы Cu, однородно распределенные по поверхности. Для образца, имплантированного дозой 6,2.1016 ион/см2, наблюдается образование пористой сетчатой структуры Ge, в узлах которой расположены наночастицы Cu. Измерения удельного сопротивления образцов демонстрируют дозовую зависимость, его возрастание для аморфизированного имплантированного слоя Ge и двукратное снижение при формировании пористой сетки с наночастицами Cu.
Список литературы
1. Rojas E.G., Hensen J., Carstensen J., Föll H., Brendel R. Porous germanium layers by electrochemical etching for layer transfer processes of high-efciency mulri-junction solar cells // ECS Transactions. 2011. V. 33. P. 95–102.
2. Kabacelik I., Turan R. Germanium solar cells prepared by ion implantation // J Optoelectr Adv Mater. 2013. V. 7–8. P. 948–953.
3. Sorianello V., Colace L., Maragliano C., Fulgoni D., Nash L., Assanto G. Germanium-on-glass solar cells: fabrication and characterisation // Opt Mat Express. 2013. V. 3. P. 216–228.
4. Polman A. Plasmonics applied // Science. 2008. V. 322. P. 868– 869.
5. Atwater H., Polman A. Plasmonics for improved photovoltaic services // Nat Mater. 2010. V. 9. P. 205–213.
6. Kreibig U., Volmer M. Optical properties of metal clusters. Berlin: Springer, 1995. 533 p.
7. Климов В.В. Наноплазмоника. М.: Физматлит, 2010. 480 c.
8. Knight M.W., Sobhani H., Nordlander P., Halas N.J. Photodetection with active optical antennas // Science. 2011. V. 322. P. 702–704.
9. Peng M., Gao J., Zhang P., Li Y., Sun X., Lee S.-T. Reductive self-assembling of Ag nanoparticles on germanium nanowires and their application in ultrasensitive surface-enhanced Raman spectroscopy // Chem Mat. 2011. V. 23. P. 3296–3301.
10. Hsiao H.-T., Ni I.-C., Tzeng S.-D., Lin W.-F., Lin C.-H. Te n-type Ge photodetectors with gold nanoparticles deposited to enhance the responsivity // Nanoscale Res Lett. 2014. V. 9. P. 640 (6 pp.).
11. Степанов А.Л., Осин Ю.Н., Нуждин В.И., Валеев В.Ф., Воробьев В.В. Синтез пористого германия с наночастицами серебра методом ионной имплантации // Российские нанотехнологии. 2017. Т. 12. С. 42–47.
12. Stepanov A.L. Ion implantation synthesis and optics of metal nanoparticles. Mauritius: LAMBERT Academic Publishing, 2018. 426 p.
13. Ziegler J.F., Biersack J.P., Littmark U. Te stopping and range of ions in solids. New York: Pergamon Press, 1985. 380 p.
14. Gullis A.G., Webber H.C., Poate J.M., Chew N.G. TEM study of silicon laser annealed afer the implantation of solubility dopants // J Microsc. 1979. V. 118. P. 41–49.
15. Bracht H., Stolwijk N.A., Mehrer H. Diffusion and solubility of copper, silver and gold in germanium // Phys Rev B. 1991. V. 43. P. 14465–14477.
16. Ganeev R.A., Ryasnyansk A.L., Stepanov A.L., Usmanov T. Nonlinear optical susceptibilities of copperand silver-doped silicate glasses in the ultraviolet range // Phys Stat Solidi B. 2003. V. 238. P. R5–R7.
17. Stepanov A.L. Applications of ion implantation for modifcation of TiO2: review // Rev Adv Mater Sci. 2012. V. 30. P. 150–162.
18. Cetin A., Kibar R., Ayvaclkh M., Can N., Buchal C., Towsend P.D., Stepanov A.L., Karah T., Selvi S. Optical properties of Cu implanted ZnO // Nucl Instr Meth Phys Res B. 2006. V. 249. P. 474–481.
19. Decoster S., Vantomme A. Implantation-induced damage in Ge: strain and disorder profles during defect accumulation and recovery // J Phys D: Appl Phys. 2009. V. 42. P. 165404-1–165404-10.
20. Böttger R., Heinig K.-H., Bischoff L., Liedke B., Facsko S. From holest o sponge at irradeated Ge surfaces with increasing ion energy — an effect of defect kinetics // Appl Phys A. 2013. V. 113. P. 53–59.
21. Napolitani E., Bruno E., Bisognin G., Mastromatteo M., De Salvador D., Scapellato G.G., Boninelli S., Priolo F., Privitera V., Carnera A. Role of ion mass on damage accumulation during ion implantation in Ge // Phys Sat Solidi A. 2014. V. 211. P. 118–121.
22. Закиров Г.Г., Хайбулли И.Б., Зарипов М.М. Трансформация структуры и оптические свойства германия при бомбардировке тяжелыми ионами // Поверхность. Физика, химия, механика. 1983. Т. 10. С. 137–143.
23. Wittmann R., Selberherr S. A study of ion implantation into crystalline germanium // Solid-State Electron. 2007. V. 51. P. 982–988.
24. Rudawski N.G., Jones K.S. Nanostructured germanium prepared via ion beam modifcation // J Mater Res. 2013. V. 28. P. 1633–1645.
25. der Hoven G.N., Liang Z.N., Niesen L. Evidence of vacancies in amorphous silicon // Phys Rev Lett. 1992. V. 68. P. 3714–3717.
26. Gärtner K., Jöhrens J., Steinbach T., Schnohr C.S., Ridgway M.C., Wesch W. Void formation in amorphous germanium due to high electronic energy deposition // Phys Rev B. 2011. V. 83. P. 224106 (9 pp.).
Title in english. 2018; 13: 35-43
ИОННАЯ ИМПЛАНТАЦИЯ КАК СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ПОРИСТОГО ГЕРМАНИЯ С НАНОЧАСТИЦАМИ МЕДИ
Abstract
Впервые проведена низкоэнергетическая имплантация ионами Cu+ в монокристаллический с-Ge с энергией E = 40 кэВ дозами облучения от 1,8.1015 до 1,5.1017 ион/см2 и плотностью тока в ионном пучке 5 мкA/см2. С помощью методов сканирующей электронной и атомно-силовой микроскопии была исследована морфология поверхности имплантированных образцов. Состав и структура образцов изучались методами микрозондового элементного микроанализа и дифракции отраженных электронов соответственно. Показано, что в начальный момент имплантации при дозах облучения менее 1,8.1015 ион/см2 с-Ge происходит аморфизация его приповерхностного слоя. Установлено, что в результате превышения пороговой дозы ионной имплантации 3,1.1015 ион/см2 в облучаемом слое Ge образуются наночастицы Cu, однородно распределенные по поверхности. Для образца, имплантированного дозой 6,2.1016 ион/см2, наблюдается образование пористой сетчатой структуры Ge, в узлах которой расположены наночастицы Cu. Измерения удельного сопротивления образцов демонстрируют дозовую зависимость, его возрастание для аморфизированного имплантированного слоя Ge и двукратное снижение при формировании пористой сетки с наночастицами Cu.
References
1. Rojas E.G., Hensen J., Carstensen J., Föll H., Brendel R. Porous germanium layers by electrochemical etching for layer transfer processes of high-efciency mulri-junction solar cells // ECS Transactions. 2011. V. 33. P. 95–102.
2. Kabacelik I., Turan R. Germanium solar cells prepared by ion implantation // J Optoelectr Adv Mater. 2013. V. 7–8. P. 948–953.
3. Sorianello V., Colace L., Maragliano C., Fulgoni D., Nash L., Assanto G. Germanium-on-glass solar cells: fabrication and characterisation // Opt Mat Express. 2013. V. 3. P. 216–228.
4. Polman A. Plasmonics applied // Science. 2008. V. 322. P. 868– 869.
5. Atwater H., Polman A. Plasmonics for improved photovoltaic services // Nat Mater. 2010. V. 9. P. 205–213.
6. Kreibig U., Volmer M. Optical properties of metal clusters. Berlin: Springer, 1995. 533 p.
7. Klimov V.V. Nanoplazmonika. M.: Fizmatlit, 2010. 480 c.
8. Knight M.W., Sobhani H., Nordlander P., Halas N.J. Photodetection with active optical antennas // Science. 2011. V. 322. P. 702–704.
9. Peng M., Gao J., Zhang P., Li Y., Sun X., Lee S.-T. Reductive self-assembling of Ag nanoparticles on germanium nanowires and their application in ultrasensitive surface-enhanced Raman spectroscopy // Chem Mat. 2011. V. 23. P. 3296–3301.
10. Hsiao H.-T., Ni I.-C., Tzeng S.-D., Lin W.-F., Lin C.-H. Te n-type Ge photodetectors with gold nanoparticles deposited to enhance the responsivity // Nanoscale Res Lett. 2014. V. 9. P. 640 (6 pp.).
11. Stepanov A.L., Osin Yu.N., Nuzhdin V.I., Valeev V.F., Vorob'ev V.V. Sintez poristogo germaniya s nanochastitsami serebra metodom ionnoi implantatsii // Rossiiskie nanotekhnologii. 2017. T. 12. S. 42–47.
12. Stepanov A.L. Ion implantation synthesis and optics of metal nanoparticles. Mauritius: LAMBERT Academic Publishing, 2018. 426 p.
13. Ziegler J.F., Biersack J.P., Littmark U. Te stopping and range of ions in solids. New York: Pergamon Press, 1985. 380 p.
14. Gullis A.G., Webber H.C., Poate J.M., Chew N.G. TEM study of silicon laser annealed afer the implantation of solubility dopants // J Microsc. 1979. V. 118. P. 41–49.
15. Bracht H., Stolwijk N.A., Mehrer H. Diffusion and solubility of copper, silver and gold in germanium // Phys Rev B. 1991. V. 43. P. 14465–14477.
16. Ganeev R.A., Ryasnyansk A.L., Stepanov A.L., Usmanov T. Nonlinear optical susceptibilities of copperand silver-doped silicate glasses in the ultraviolet range // Phys Stat Solidi B. 2003. V. 238. P. R5–R7.
17. Stepanov A.L. Applications of ion implantation for modifcation of TiO2: review // Rev Adv Mater Sci. 2012. V. 30. P. 150–162.
18. Cetin A., Kibar R., Ayvaclkh M., Can N., Buchal C., Towsend P.D., Stepanov A.L., Karah T., Selvi S. Optical properties of Cu implanted ZnO // Nucl Instr Meth Phys Res B. 2006. V. 249. P. 474–481.
19. Decoster S., Vantomme A. Implantation-induced damage in Ge: strain and disorder profles during defect accumulation and recovery // J Phys D: Appl Phys. 2009. V. 42. P. 165404-1–165404-10.
20. Böttger R., Heinig K.-H., Bischoff L., Liedke B., Facsko S. From holest o sponge at irradeated Ge surfaces with increasing ion energy — an effect of defect kinetics // Appl Phys A. 2013. V. 113. P. 53–59.
21. Napolitani E., Bruno E., Bisognin G., Mastromatteo M., De Salvador D., Scapellato G.G., Boninelli S., Priolo F., Privitera V., Carnera A. Role of ion mass on damage accumulation during ion implantation in Ge // Phys Sat Solidi A. 2014. V. 211. P. 118–121.
22. Zakirov G.G., Khaibulli I.B., Zaripov M.M. Transformatsiya struktury i opticheskie svoistva germaniya pri bombardirovke tyazhelymi ionami // Poverkhnost'. Fizika, khimiya, mekhanika. 1983. T. 10. S. 137–143.
23. Wittmann R., Selberherr S. A study of ion implantation into crystalline germanium // Solid-State Electron. 2007. V. 51. P. 982–988.
24. Rudawski N.G., Jones K.S. Nanostructured germanium prepared via ion beam modifcation // J Mater Res. 2013. V. 28. P. 1633–1645.
25. der Hoven G.N., Liang Z.N., Niesen L. Evidence of vacancies in amorphous silicon // Phys Rev Lett. 1992. V. 68. P. 3714–3717.
26. Gärtner K., Jöhrens J., Steinbach T., Schnohr C.S., Ridgway M.C., Wesch W. Void formation in amorphous germanium due to high electronic energy deposition // Phys Rev B. 2011. V. 83. P. 224106 (9 pp.).
