Вплив лазерного випромінювання на процеси індукованої оловом кристалізації аморфного кремнію
| dc.contributor.advisor | Воронов, Сергій Олександрович | |
| dc.contributor.advisor | Неймаш, Володимир Борисович | |
| dc.contributor.author | Ольховик, Ілля Володимирович | |
| dc.date.accessioned | 2024-02-27T10:50:12Z | |
| dc.date.available | 2024-02-27T10:50:12Z | |
| dc.date.issued | 2023 | |
| dc.description.abstract | Ольховик І.В. Вплив лазерного випромінювання на процеси індукованої оловом кристалізації аморфного кремнію. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 105 Прикладна фізика та наноматеріали. Найменування вищого навчального закладу, у якому здійснювалась підготовка: НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ «КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ ІМЕНІ ІГОРЯ СІКОРСЬКОГО». Дисертаційна робота присвячена вивченню процесів кристалізації аморфного кремнію індукованої оловом та механізмів формування нанокристалів кремнію у шаруватих структурах a-Si/Sn. Досліджено можливість використання різних видів лазерного випромінювання для створення умов кристалізації аморфного кремнію індуковану оловом та одночасно контролю якості нанокристалів кремнію. Зміст дисертаційного дослідження подано в п’яти розділах, де представлено та обґрунтовано основні результати роботи. У вступі обґрунтовується актуальність теми, загальні положення, формулюється мета і завдання дослідження. Ставляться задачі для її досягнення. Перераховуються методи дослідження плівкових напівпровідникових матеріалів. Стисло перераховуються отримані наукові результати та практичне значення результатів представлених у дисертації. У першому розділі проведено короткий аналіз основних літературних даних по проблемам сонячної енергетики та перспективних шляхів їхвирішення засобами кремнієвих технологій. Зокрема розглянуті принципові фізичні та технічні обмеження ефективності сонячних елементів. Показано, що суттєвого підвищення ефективності сонячних елементів можна досягти завдяки використанню каскадного принципу їх побудови. Описані основні недоліки існуючих СЕ каскадного типу та можливі шляхи їх подолання за рахунок використання квантових точок у вигляді нанокристалів кремнію. Продемонстровано, що одною з перешкод цьому є недостатній розвиток технологій керування розмірами нанокристалів та розділення шарів з різними розмірами нанокристалів. Розглянуто основні уявлення про процеси МІК та описані переваги використання саме олова для МІК кремнію. Детально описано сучасні уявлення про механізм сприяння оловом переходу кремнію із аморфного у кристалічний стан. Приведено результати експериментів, що свідчать про здатність лазерного опромінення впливати на такий перехід. Обґрунтована мета дослідження і сформульовані експериментальні задачі для її досягнення. У другому розділі коротко описані методи виготовлення і дослідження плівкових напівпровідникових матеріалів, які використані у роботі. Це - виготовлення шаруватих структур Si/Sn/Si осадженням із газової фази; комбінаційне розсіювання світла; електронна мікроскопія; атомно-силова мікроскопія; рентгенівський флуоресцентний аналіз). Представлені методи аналізу експериментальних даних. У тому числі – методи аналізу фазового стану кремнію по спектрам раманівського розсіювання на основі теорії просторово обмежених фононів. У третьому розділі представлені результати дослідження особливостей мікроструктури поверхні та об’єму шаруватих плівок Si/Sn/Si, які виготовлені шляхом послідовного осадження парів кремнію та олова і використані у роботі в якості об’єктів дослідження. Показано, що первопричиною структуризації поверхні плівок Si/Sn/Si, є розплавлення і розпад на мікро-краплі шару олова під час осадження кремнію. Вперше досліджено і описано мікро- та наноструктурування плівок аморфного кремнію при його формуванні на поверхні розплавленого металу. Засобами атомно-силової та електронної мікроскопії отримані кількісні дані про шорсткість та латеральні розміри і форми структуризації рельєфу поверхні Si в залежності від товщини шару олова. Виявилося, що шаруваті плівки Si/Sn/Si, виготовлені методом термічно-вакуумного осадження, мають поверхню, рельєф якої структуруваний у вигляді квазі-сферичні утвореннь з латеральним розміром від 20 нм до 2-3 мкм. В залежності від товщини шару олова їх форма і розмір змінюється від випуклих еліпсоїдів та багатокутників до гроно-подібних дендритів фрактального типу. Такі дендрити можуть створювати поруватий (розміри пор лежать в діапазоні від 1 до 100 нм) шар аморфного кремнію, фізичні властивості якого досі не вивчалися. В результаті досліджень впливу термообробок таких шаруватих плівок Si/Sn/Si в області 800 С° експериментально продемонстрована можливість отримання завдяки індукованій оловом кристалізації аморфного кремнію аморфно-кристалічного нанокомпозиту, який містить кристаліти кремнію з середніми розмірами 3 нм та їх часткою в об’ємі понад 90 %. У четвертому розділі представлені результати дослідження процесів утворення нанокристалів кремнію у плівкових структурах Si/Sn та Si/Sn/Si при температурах 20 – 550 0С під опроміненням лазерним опроміненням з довжиною хвилi λ = 488,0 нм і потужністю 104 - 106 Вт/см2 при різних умовах тепловідводу в підкладку. Порівняльний аналіз Раманівських спектрів свідчить, що лазерне опромінення потужністю 10 мВт/мкм2 за час 1-6 хв здатне перевести приблизно половину кремнію в шаруватій структурі a-Si/Sn із аморфного у кристалічний стан, що в умовах термообробки в темряві потребує принаймні на порядок більшого часу. Виявилося, що процеси кристалізації аморфного кремнію індукованого оловом прискорюються під дією лазерного опромінення і без впливу на температуру. Тобто має місце нетепловий механізм лазерного сприяння ОІК. Характерно, що він діє лише при температурах вище 230 0С (температура плавлення олова). Експериментально виявлена і досліджена чутливість фононного піку новостворених нанокристалів кремнію до інтенсивності опромінення лазерного збудження КРС. Встановлено, що ця чутливість не повязана зі зміною температури, а зумовлена оптичною компонентою впливу лазерного світла. Даний ефект інтерпретовано впливом нерівноважної заселеності фононів, що виникає через електрон-фононну взаємодію фотоіндукованих носіїв заряду внаслідок високого темпу генерації останніх при високій потужності збудження. У п’ятому розділі представлені результати дослідження впливу на оловом індуковану кристалізацію аморфного кремнію кількох видів імпульсного лазерного опромінення. Засобами раманівської спектроскопії шаруватих структур Si/Sn та Si/Sn/Si проаналізовано особливості генерації і накопичення нанокристалів Si під лазерним опроміненням з довжиною хвилі 535 нм і 1070 нм з тривалістю імпульсів 10 нс і 150 мкс в діапазоні потужності лазерного променю від 1,4 ∗ 104 Вт см2 до 2,18 ∗ 108 Вт см2. Опромінення здійснювалося як одинарними імпульсами, так і серіями по 2 - 5 імпульсів. Виявилося, що як і випадках опромінення безперервним лазером, утворення, ріст і накопичення нанокристалів тут теж мають порогів характер залежності від інтенсивності світла. Експериментально показано, що змінюючи потужність лазерного променю в імпульсі і кількість серій одноімпульсних сканувань можливо регулювати розмір і концентрацію нанокристалів в аморфно-кристалічному нанокомпозиті, що утворюється, з 1,5 до 5,0 нм і з 40 до 90% відповідно. Цей результат може служити принциповою основою для розробки технологій виготовлення шаруватих структур нанокремнію з різною шириною забороненої зони для СЕ каскадного типу на кремнієвих наноточках. Глибина прогріву поверхневого шару аморфного кремнію лазерним імпульсом крім потужності визначається довжиною хвилі (коефіцієнтом поглинання) та тривалістю імпульсу . Наприклад, для інфрачервоного ( = 1040 нм) лазеру при =150 мкс теплова глибина th = 6 10-5 см. Для зеленого ( = 535 нм) th = 8 10-6 см. Очевидно, що глибина і ступінь прогріву шаруватих структур, яких відбувається процес ОІК Si, можуть служити технологічними факторами формування шарів nc-Si заданих розмірів і заданого просторового розподілу. Додаткові можливості управління процесами МІК надає застосування коротких лазерних імпульсів великої потужності. В дисертаційній роботі отримано наступні наукові результати: Вперше: 1. Виявлено фрактальний характер структуризації аморфного кремнію в мікро- і нанометровому масштабі при його осадженні із газової фази на поверхню рідкого олова. 2. Експериментально показано, що стимулюючий вплив лазерного опромінення на оловом індуковану кристалізацію аморфного кремнію має не теплову (тобто не впливаючу на температуру зразку) складову. Висунута гіпотеза механізму її дії через збільшення розчинності аморфного Si в олові на інтерфейсі їх шарів під час ОІК в наслідок ослаблення і обриву ковалентних зав’язків a-Si, викликаних фото-іонізацією лазерним світлом та екрануванням нерівноважними фото-електронами. 3. Експериментально показано, що саме нетеплова складова впливу лазерного світла викликає нелінійний за інтенсивністю «червоний» зсув раманiвського спектру нанокристалiчного кремнію, на відміну від спектру монокристалічного Si. Це може свідчити на користь гіпотези про нерівноважну заселеність фононів через електрон-фононну взаємодію фотоіндукованих носіїв заряду внаслідок високого темпу генерації останніх при високій потужності збудження лазерним світлом. Удосконалено: 1. Удосконалено технологію виготовлення шаруватих плівок Si/Sn/Si за методом термічно-вакуумного осадження із газової фази в плані покращення контролю їх якості завдяки з’ясуванню впливу співвідношення товщин шарів на мікроструктуру об’єму та рельєфу поверхні плівок. 2. Удосконалено точність оцінки розмірів нанокристалів Si із аналізу їх Раманівських спектрів завдяки експериментальному виявленню нелінійної чутливості таких спектрів до інтенсивності світлового збудження комбінаційного розсіювання. Набуло подальшого розвитку: 1. Розуміння впливу головних параметрів лазерного випромінювання: довжини хвилі випромінювання, тривалості лазерного імпульсу та інтенсивності лазерного опромінення та температури на формування нанокристалів кремнію в шаруватих структурах Si/Sn, Si/Sn/Si при різних умовах тепловідводу. 2. Експериментальне підтвердження чутливості раманівського спектру нанокристалів кремнію до інтенсивності лазерного опромінення навіть при стабільній температурі на відміну від спектру монокристалічного кремнію. Цей факт інтерпретовано встановленням в області вимірювання нетеплового розподілу фононів, залежного від рівня оптичного збудження, що в результаті впливає на раманівський спектр нанокристалів у вигляді низькочастотного зсуву фононної смуги нанокристалів. 3. Оцінювання стимулюючого впливу інтенсивності лазерного випромінювання на процеси кристалізації аморфного кремнію індуковану оловом та встановлено його пороговий характер. Даний результат інтерпретовано фазовим переходом олова із твердого у рідкий стан при відповідній інтенсивності лазерного випромінювання. Це може свідчити на користь механізму кристалізації аморфного кремнію індуковану оловом через утворення евтектики Sn-Si. Практичне значення результатів представлених у дисертації полягає в: 1. Підтверджені можливості використання безперервного лазерного випромінювання для створення температурних умов кристалізації аморфного кремнію індукованої оловом. Та одночасно для контролю температури обробки, розміру новостворених кристалів та частки нанокристалічної кремнієвої фази в шаруватих структурах Si/Sn за допомогою аналізу спектрів комбінаційного розсіювання світла. 2. Отримані в роботі результати можуть бути використані для вдосконалення технології виготовлення аморфно-кристалічних нанокомпозитів на основі кремнію і контролю якості шаруватих структур Si/Sn/Si для виробництва електронних приладів фотоелектричного перетворення. | |
| dc.description.abstractother | Olkhovyk I.V. The influence of laser radiation on the processes of tin-induced crystallization of amorphous silicon. – Qualifying scientific work on manuscript rights. Dissertation for the Doctor of Philosophy degree in specialty 105 Applied physics and nanomaterials. Name of the higher educational institution where the training was carried out: NATIONAL TECHNICAL UNIVERSITY OF UKRAINE "IHOR SIKORSKY KYIV POLYTECHNIC INSTITUTE". The name of the higher educational institution, in whose specialized academic council the defense will take place: NATIONAL TECHNICAL UNIVERSITY OF UKRAINE "IHOR SIKORSKY KYIV POLYTECHNIC INSTITUTE", Kyiv, 2023. The dissertation is devoted to the study of the processes of tin-induced crystallization of amorphous silicon and the mechanisms of the formation of silicon nanocrystals in a-Si/Sn layered structures. To investigate the possibility of using laser radiation simultaneously to create the conditions for tin-induced crystallization of amorphous silicon and the quality control technology of film nanocrystalline silicon with a given bandgap in the process of its manufacture, for solar cells of the cascade type. The content of the dissertation research is presented in five chapters, where the main results of the work are presented and substantiated. The introduction substantiates the relevance of the topic, general provisions, formulates the goal and task of the research. The tasks for its achievement are set, the used research methods of film semiconductor materials are briefly listed, the scientific novelty and practical significance of the obtained research results are noted. The first chapter describes the main problems of the efficiency of solar cells. Physical and technical limitations of efficiency are considered. It is shown that a fundamental increase in the efficiency of solar cells can be achieved thanks to the use of cascade-type solar cells. The main shortcomings of existing cascade-type CEs and ways to overcome them by implementing cascade-type CEs based on nanocrystalline silicon are described. It is shown that insufficient development of technologies for size control and spatial separation of layers with different sizes of nanocrystals is an obstacle to implementation. The main processes of MIC with various metals are considered and the advantages of using tin specifically for MIC of silicon are described. The most modern mechanism of promoting the transition of silicon from an amorphous to a crystalline state by tin is described. The analysis of the scientific literature carried out in this section shows that laser irradiation is a convenient technological factor for controlling the processes of crystallization of amorphous Si in general and MIC in particular. The use of laser light simultaneously to heat amorphous silicon and start MIC and to excite Raman scattering allows online Raman spectroscopy during Si crystallization to measure the temperature of the Si-Sn system, as well as the number and size of the nanocrystals formed. Considering the extremely small study of the effect of laser radiation on MIC, the purpose of the study and specific experimental tasks are formulated. The second chapter briefly describes the research methods used in the work (production of Si/Sn/Si layered structures; electron microscopy; atomic force microscopy; Raman light scattering; X-ray fluorescence analysis). Methods of experimental data processing are outlined. The third chapter presents the results of the study of the features of the surface relief of the Si/Sn/Si layered films, which were used in the work, and were produced by sequential deposition of silicon and tin vapors. It is shown that the root cause of surface structuring of Si/Sn/Si films is the melting and disintegration of the tin layer into micro-droplets during the deposition of tin and silicon. The fourth chapter presents the results of the study of the influence of laser power and temperature on the formation of silicon nanocrystals in layered structures of Si/Sn, Si/Sn/Si under different heat dissipation conditions. It has been demonstrated that the processes of tin-induced crystallization (OIC) of amorphous silicon are accelerated under the influence of laser irradiation and without influence on temperature. Also, it was demonstrated that the Raman spectrum of newly formed silicon nanocrystals is sensitive to the intensity of laser light even at a stable temperature, unlike the spectrum of single crystal silicon. The fifth chapter presents the results of the study of the influence of the wavelength and intensity of pulsed laser radiation with different pulse durations on the size of nanocrystals and the fraction of the volume of the nc-Si / a-Si composite film occupied by them. The two-stage nature of metal-induced crystallization was revealed - the presence of a stage of a long incubation period of the formation of nuclei and a rapid stage of their growth, which is characteristic of the processes of dissolution of solutions. The following scientific results were obtained in the dissertation work: 1. The fractal nature of the structuring of amorphous silicon on the micro- and nanometer scale during its deposition from the gas phase onto the surface of liquid tin was revealed. 2. It was experimentally shown that the stimulating effect of laser irradiation on tininduced crystallization of amorphous silicon has a non-thermal (that is, does not affect the temperature of the sample) component. The hypothesis of the mechanism of its action is put forward due to the increase in the solubility of amorphous Si in tin at the interface of their layers during tin-induced crystallization as a result of the weakening and breaking of a-Si covalent bonds caused by photoionization by laser light and shielding by non-equilibrium photoelectrons. 3. It was experimentally shown that the non-thermal component of the laser light effect causes a nonlinear "red" shift in the intensity of the Raman spectrum of nanocrystalline silicon, in contrast to the spectrum of monocrystalline Si. This may testify in favor of the hypothesis of non-equilibrium population of phonons due to the electron-phonon interaction of photoinduced charge carriers due to the high rate of generation of the latter at a high power of excitation by laser light. Improved: 1. The technology for preparing spherical Si/Sn/Si smelts using the method of thermal-vacuum gas phase deposition has been improved in terms of improving the control of their hardness due to the influx of the thickness of the balls on the microstructure of the This gives the relief of the surface of the spittle. 2. The accuracy of estimating the sizes of Si nanocrystals from the analysis of their Raman spectra has been improved due to the experimentally revealed nonlinear sensitivity of such spectra to the intensity of light activation binational dissolution. Further development took place: 1. Understanding the influence of the main parameters of laser radiation: radiation wavelength, laser pulse duration, laser radiation intensity, and temperature on the formation of silicon nanocrystals in Si/Sn, Si/Sn/Si layered structures under different heat dissipation conditions. 2. Experimental confirmation of the sensitivity of the Raman spectrum of silicon nanocrystals to the intensity of laser irradiation even at a stable temperature, in contrast to the spectrum of monocrystalline silicon. This fact is interpreted by establishing in the measurement area a non-thermal distribution of phonons, depending on the level of optical excitation, which as a result affects the Raman spectrum of nanocrystals in the form of a low-frequency shift of the phonon band of nanocrystals. 3. Evaluation of the stimulating effect of the intensity of laser radiation on the crystallization processes of amorphous silicon induced by tin and its threshold character was determined. This result is interpreted as a phase transition of tin from a solid to a liquid state at the appropriate intensity of laser radiation. This may indicate in favor of the tin-induced crystallization mechanism of amorphous silicon due to the formation of the Sn-Si eutectic. The practical significance of the results presented in the dissertation is: 1. The confirmed possibility of using continuous laser radiation simultaneously to create the temperature conditions of tin-induced crystallization of amorphous silicon, to measure the temperature of the object of processing, the size of the nanocrystals formed, and the fraction of the volume occupied by them can be the fundamental basis for a new technology of quality control film nanocrystalline silicon with a specified band gap in the process of its manufacture, in particular, for solar cells of the cascade type. 2. The results obtained in the work can be used to improve the manufacturing technology and quality control of Si/Sn/Si layered structures for the manufacture of electronic photoelectric conversion devices. | |
| dc.format.extent | 134 с. | |
| dc.identifier.citation | Ольховик, І. В. Вплив лазерного випромінювання на процеси індукованої оловом кристалізації аморфного кремнію : дис. … д-ра філософії : 105 Прикладна фізика та наноматеріали / Ольховик Ілля Володимирович. – Київ, 2023. – 134 с. | |
| dc.identifier.uri | https://ela.kpi.ua/handle/123456789/65028 | |
| dc.language.iso | uk | |
| dc.publisher | КПІ ім. Ігоря Сікорського | |
| dc.publisher.place | Київ | |
| dc.subject | кремній | |
| dc.subject | аморфний | |
| dc.subject | нанокристалічний | |
| dc.subject | кристалізація | |
| dc.subject | олово | |
| dc.subject | тонкі плівки | |
| dc.subject | індукована металом кристалізація | |
| dc.subject | лазер | |
| dc.subject | Раманівське розсіювання | |
| dc.subject | silicon | |
| dc.subject | amorphous | |
| dc.subject | nanocrystalline | |
| dc.subject | crystallization | |
| dc.subject | tin | |
| dc.subject | thin films | |
| dc.subject | metal-induced crystallization | |
| dc.subject | laser | |
| dc.subject | Raman scattering | |
| dc.subject.udc | 539 | |
| dc.title | Вплив лазерного випромінювання на процеси індукованої оловом кристалізації аморфного кремнію | |
| dc.type | Thesis Doctoral |
Файли
Контейнер файлів
1 - 1 з 1
Ліцензійна угода
1 - 1 з 1
Ескіз недоступний
- Назва:
- license.txt
- Розмір:
- 8.98 KB
- Формат:
- Item-specific license agreed upon to submission
- Опис: