АННОТАЦИЯ 3
Введение 3
1 Формирование алмаза и изучение основных примесных центров 6
1.1 Метод газохимического осаждения 6
1.2 Метод температурного градиента 7
1.3 Формирование примесных центров в алмазе 8
1.4 Вклад образцов с NV-центрами в области приборостроения 11
1.5 Структура никель-содержащих центров окраски 11
2 Дефекты кристаллической решетки, а также методы их обнаружения 13
2.1 Типы дефектов 14
2.2 Поляриметрический метод 17
3 Практическая часть 19
3.1 Описание установки 20
3.2 Результаты эксперимента 22
Заключение 31
Список используемой литературы 33
Долгие годы алмаз использовался как ювелирное изделие, а также для шлифовки и полировки твердых веществ, но за последние 20 лет он стал наиболее интересным материалом, проявляющим себя как полупроводник, и сейчас продолжает привлекать к себе все больше внимания со стороны ученых.
Значимой характеристикой этого материала является его ширина запрещенной зоны, она составляет около 5,5 эВ. Данное свойство делает алмаз широкозонным полупроводником, а это, в свою очередь, является полезным качеством при создании новых материалов или разного рода электронных устройств, например, алмазных лазеров, диодов [1], датчиков измерения величины и направления магнитного поля, термодатчиков для прецизионных измерений температуры (например, живой клетки), датчиков давления [2] и даже устройств, позволяющих хранить большее количество данных на носителе, путем увеличения плотности памяти на одну ячейку информации [3].
Кроме широкой запрещенной зоны алмаз обладает другими уникальными свойствами, например такими, как высокая химическая инертность, высокая энергия пробоя, большой спектральный диапазон излучения (230-1100 нм), низкая восприимчивость к радиоактивному излучению, а также прозрачность в широком диапазоне длин волн (от ультрафиолетового до радиоволнового излучения) [4]. Все эти характеристики являются важными для дальнейших исследований в области углеродной электроники и фотоники.
Одно из интересных свойств алмаза заключается в люминесценции кристалла под действием электрического тока - электролюминесценции. Исследования этого явления были начаты в 1957 году Дж. Вудсом и Р. Вульфом, они пытались создать светодиод на базе IIb алмаза [5]. До начала XXI века исследования электролюминесценции проводились при высоких температурах до 400 градусов кельвина и напряжением свыше 400 вольт. За это время было обнаружено что на воздействие электрическим током в алмазе реагируют примеси Ni, Ti, Со. Дальнейшие исследования привели к созданию алмазных светодиодов на принципе диода Шоттки. Современные алмазы отличаются более высокой чистотой и лучшим контролем примесей, вследствие чего стало возможным получение электролюминесценции при напряжениях до 20В.
Реальные твердофазные вещества обладают некоторым набором дефектов кристаллической решетки, то есть нарушением упорядоченности атомов того или иного вещества. Принято выделять четыре основных класса дефектов по их геометрическим признакам: точечные, линейные,
поверхностные и объемные. Из-за нарушения периодичности решетки, в последней возникают зоны напряжений, которые повышают чувствительность материала в определенных местах к внешнему воздействию. Обнаружить локализацию зон напряжений в оптически прозрачных средах возможно благодаря поляриметрии.
Краткое содержание работы: Работа посвящена разработке
неразрушающей методики контроля состояния алмазов на этапе после синтеза и внедрения дефектов, но до формирования электрических контактов.
Цель работы заключается в поиске зон механических напряжений методом поляриметрии и установлении корреляции с центрами электролюминесценции.
Основными задачами являются: сборка поляриметрической установки; картирование напряжений в нескольких образцах с выделением зон дефектообразования, которые имеют отличный от табличных значений для алмаза модуль упругости Юнга; электролюминесцентное-картографирование; корреляционный анализ.
Актуальность обусловлена необходимостью прогнозирования люминесцентных свойств и выявления функциональных областей для создания алмазных светоизлучающих устройств (светодиодов), обладающих устойчивостью к экстремальным средам, включая космическое излучение и перепады температур.
Научной значимостью данной работы является установление связи поверхностных дефектов с никелевой электролюминесценцией и выявление возможности существования NV -центров в ненапряженной матрице.
Практическая значимость работы заключается в том, что анализ поляриметрическим методом позволяет:
1) Целенаправленно находить зоны с электролюминесценцией крупных атомов на сколах для последующего вырезания чипов под светодиоды;
2) Идентифицировать бездефектные зоны для проверки на наличие NV - центров;
3) Оптимизировать отбор алмазов для создания надежных светоизлучающих устройств, в том числе для применения в космосе и экстремальных условиях.
Научная новизна состоит в том, что в работе установлена однозначная корреляция электролюминесцентного никеля с поверхностными дефектами решетки и разработан протокол доконтактного прогноза люминесцентных свойств на основе поляриметрии напряжений
Дефекты кристаллической решетки индуцируют локальные механические напряжения. В частности никель, имеющий больший радиус, чем атом углерода и занимающий межузельные позиции, вызывает значительные искажения решетки, приводя к отклонению локального модуля упругости Юнга от табличного значения.
Высокотемпературный отжиг способствует кластеризации дефектов и формированию зон с неоднородным распределением напряжений.
Механические напряжения в алмазе обладают высоким оптическим контрастом при анализе поляризационными методами. Экспериментально подтверждено, что зоны напряжений визуализируются как области с аномальной интенсивностью света, окруженные характерными интерференционными картинами или иначе "перьями", что позволяет картографировать их с субмикронным разрешением.
Центры электролюминесценции в алмазах образуются за счет включений инородных атомов и пространственно коррелируют с зонами механических напряжений. Установлено, что никельсодержащие центры всегда локализованы в поверхностных дефектах с максимальным градиентом напряжений.
Центры люминесценции на основе азота могут формироваться как в напряженных зонах, так и в ненапряженной матрице.
Наблюдаемое затухание электролюминесценции при длительной подаче тока в одну точку объясняется эффектом насыщения полупроводниковой структуры, что указывает на ограничение инжекции носителей заряда в центры свечения.
Экспериментальные данные подтверждают, что активные центры ЭЛ либо генерируют напряжения, либо образуются в существующих дефектах, преимущественно в приповерхностных слоях.
Разработанный комплекс поляриметрического картографирования напряжений и ЭЛ-анализа позволяет неразрушающе идентифицировать функциональные зоны для светодиодов; проводить предварительную отбраковку образцов до этапа присоединения контактов; оптимизировать параметры отжига для управления распределением дефектов.
