Анотація до роботи:

Гаврильченко І.В. Фізичні процеси в сенсорних гетероструктурах на основі модифікованих шарів поруватого кремнію. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.10 - фізика напівпровідників і діелектриків. - Київський національний університет імені Тараса Шевченка, Київ, 2009.

Дисертація присвячена дослідженню електрофізичних процесів в сенсорних гетероструктурах на основі модифікованих шарів поруватого кремнію та їх змін, що відбуваються при адсорбції молекул води та спирту.

На основі розв’язку дифузійно-дрейфових рівнянь теоретично проаналізовано вплив адсорбції на електричні властивості структур метал-тунельний діелектрик-ПК-кремній. Кількісно показано, як величина струму при адсорбції залежить від зміни ефективної діелектричної сталої та заряду в ПК. Запропоновано модель адсорбційних процесів, яка експериментально підтверджується для ко-адсорбції парів води та спирту. Залежність провідності структури від концентрації спирту має максимум приблизно при 40% концентрації спирту у водному розчині. Запропоновано методику визначення параметрів поруватого шару із експериментальних вольт-фарадних характеристик. Розроблено ефективні спиртометри на основі бар’єрних структур метал-ПК-кремній.

Коефіцієнт тензорезистивного ефекту для плівок ПК негативний, приблизно в 2 рази вище ніж для р-Si і залежить від товщини шару ПК, що пов’язане із градієнтом поруватості ПК. Спостерігається немонотонна поведінка ємності насичення МДН структур Ті-ПК-Si (з порами заповненими водою) при Т=-10+10 ⁰С. Ефект пояснюється зростанням внутрішнього тиску в ПК при замерзанні води в порах та перебудовою енергетичної структури глибоких рівнів ПК. Оцінена максимальна величина внутрішнього тиску що викликає зменшення E_g ПК на 0,16 eВ.

Встановлено, що інтенсивність та час життя фотолюмінесценції при УФ освітленні ПК у розчинах залежать від рівня рН. Обґрунтовано використання ПК в якості рН-метра в діапазоні зміни рН від 2 до 9. Стабільність параметрів сенсорів підвищується при модифікації ПК полімером PEDOT.

Досліджено спектральний склад термо-акустичного випромінювання на структурах з ПК і запропоновано використати цей ефект для газових сенсорів.

1. На основі розв’язку дифузійно-дрейфових рівнянь теоретично проаналізовано вплив адсорбції на електричні властивості структур метал-тунельний діелектрик-ПК-кремній. Кількісно показано, як величина струму при адсорбції залежить від зміни діелектричної сталої та зарядів тунельно-прозорого діелектрика, ПК та приповерхневої області кремнію.

2. Розроблено ефективні спиртометри на основі бар’єрних структур метал-ПК-кремній та запропонована модель адсорбційних процесів, яка експериментально підтверджується для ко-адсорбції парів води та спирту. Залежність провідності структури від концентрації спирту має максимум приблизно при 40% концентрації спирту у водному розчині. Чутливість сенсорів на основі цих структур суттєво зростає (в 2-3 рази для адсорбції водно-спиртового розчину) за рахунок модифікації поверхні ПК фталоцианіном кобальту. Показано, що спостерігаємий ефект «спалаху» провідності неоксидованої поверхні ПК на початку процесу адсорбції з подальшим поступовим її зменшенням до насичення визначається конкуренцією декількох процесів: інжекцією вільних електронів при адсорбції Н₂О, рекомбінацією електронів через глибокі рівні в ПК, захопленням на заповнені іонами Н₂О⁺ донорні стани (відновлювання молекул води з наступною десорбцією), процесом пасивування центрів рекомбінації адсорбованими молекулами спирту та блокуванням адсорбованими молекулами спирту адсорбції молекул Н₂О.

3. Запропоновано методику розрахунку розподілу розмірів пор у ПК за результатами вимірів ємності МДН-структур з проміжним поруватим діелектричним шаром в різних атмосферах.

4. За допомогою вимірів ВАХ гетероструктур ПК- Si- Ni при одновісному стисканні з’ясовано, що тензорезистивний ефект у структурах від`ємний, висота потенціального бар’єру і ширина забороненої зони ПК зменшується з тиском. Коефіцієнт тензорезистивного ефекту для структур на основі плівок ПК- Si приблизно в 2 рази вище ніж для вихідної кремнієвої підкладки р- типу і залежить від товщини шару ПК. Останнє може бути пов’язане із градієнтом зміни внутрішніх напруг, що створюються нанопорами та нанокристалітами в шарі ПК при зменшенні поруватості від поверхні до границі розділу ПК- Si.

5. Спостерігається немонотонна поведінка ємності насичення МДН структур Ті-ПК-Si (з порами заповненими водою) при зміні температури в околиці Т= 0 ⁰С. Ефект пояснюється зростанням внутрішнього тиску в ПК при замерзанні води в порах та перебудовою енергетичної структури глибоких рівнів ПК в умовах виникнення льодоподібної структури в порах. В наближеннях ефективного середовища Бругемана, циліндричної моделі пор та ізотропного розширення капілярно адсорбованої води при замерзанні в порах з температурних залежностей ВФХ оцінена максимальна величина внутрішнього тиску, який викликає зменшення ширини забороненої зони ПК на 0,16 eВ.

6. Встановлено, що параметри ФЛ при УФ освітленні ПК у розчинах залежать від рівня рН: високий рівень інтенсивності ФЛ та великий час гасіння люмінесценції відповідають низькому рівню рН (кислоти), в той час як низький рівень ФЛ та малий час гасіння люмінесценції відповідає високому рівню рН (луги). Цей ефект може бути пояснений конкуренцією процесів адсорбції водню у кислотних розчинах і процесів ефузії водню та оксидації ПК під час УФ освітлення. Обґрунтовано використання ПК в якості рН-метра в діапазоні зміни рН від 2 до 9. Стабільність параметрів таких сенсорів підвищується за допомогою додаткового оксидування або осадження полімеру PEDOT на поверхню ПК.

7. Вперше при дослідженні термо-акустичного випромінювання на структурах з ПК показано, що існує залежність форми спектра від прикладеної напруги, який змінюється від вузького піку на подвійній частоті до виникнення додаткових гармонік. Запропонований новий метод реєстрації термічно-індукованого випромінювання за допомогою мостової схеми. Показано, що максимум на АЧХ структури в насичених парах спирту зсунутий в бік вищих частот порівняно з АЧХ структури в повітрі. Зсув обумовлений адсорбцією молекул спирту в ПК, в результаті чого змінюються електрофізичні властивості поруватого шару, зокрема, коефіцієнти теплопровідності та теплоємності.

Публікації автора:

1. І.В. Гаврильченко. Вплив одновісного стискання на електропровідність поруватого кремнію / І.В. Гаврильченко, В.О. Топчий, В.А. Скришевський // Вісник київського університету, серія фізика та математика. - 2004. - 3. - С. 317-323.

2. В.А. Скришевський. Сенсори води на основі МДН-структур з проміжним шаром поруватого кремнію та органічного напівпровідника / В.А. Скришевський, І.В. Гаврильченко, С.А. Дяченко, Г.В. Кузнецов, Ю.О.Первак // Вісник Київського університету, сер. Радіофізика і електроніка. – 2005. - № 8. - С. 41-44.

3. В.А. Скришевський. Вплив адсорбції парів спирту та води на ВАХ МДН-структури з проміжним шаром поруватого кремнію / В.А. Скришевський, І.В.Гаврильченко, Г.В.Кузнецов, С.А. Дяченко // УФЖ. – 2006. - т.51, №5. - С. 460-466.

4. Ю. А. Скришевський. Вплив тиску на інтеркомбінаційні переходи молекул ароматичних амінів / Ю. А. Скришевський, А. Ю. Вахнін, В. А. Скришевський, І.В. Гаврильченко, О. В. Третяк // УФЖ. – 2006. - т.52, №6. – С. 621-629.

5. A. I. Benilov. Impact of gas adsorption and pH of solutions on radiative lifetime of modified porous silicon layers / A. I. Benilov, I. V. Gavrilchenko, I. V. Benilova, V. A. Skryshevsky, M. Cabrera // Sensor Electronics and Microsystem Technologies (SEMST). – 2007. – 2. – P. 35-40.

6. A. I. Benilov. Influence of pH solution on photoluminescence of porous silicon / A. I. Benilov, I.V. Gavrilchenko, I. V. Benilova, V. A. Skryshevsky, M. Cabrera // Sensors and Actuators. - 2007. - A 137. – P. 345–349.

7. V.A.Skryshevsky. Improved hydrogen detection of island type palladium film – nanoporous silicon diode at room temperature / V.A.Skryshevsky, V.Polischuk, A.I. Manilov, I.V.Gavrilchenko, R.V.Skryshevsky // Sensor Electronics and Microsystem Technologies (SEMST). - 2008. – 2. – С. 21-27.

8. І.В. Гаврильченко. Вплив внутрішнього тиску в порах на електро-фізичні властивості поруватого кремнію / І.В. Гаврильченко, В.Н.Зінчук, В.А.Євтух, В.А. Скришевський // УФЖ. – 2008. - т.53, №7. - С. 680-684.

9. Ю.С.Жарких. Фотолюмінесценція поруватих плівок кремнезему зі структурою аерогелю / Ю.С.Жарких, С.В.Лисоченко, О.В.Третяк, І.В.Гаврильченко // „Нові технології”. -2008. - №20, т.20. - С. 45-48.

10. I.V.Gavrilchenko. Uniaxial compression impact on the current-voltage characteristics of porous silicon / I.V.Gavrilchenko, V.O.Topchy, V.A.Skryshevsky // Proceedings of the 4th international young scientists’ conference on applied physics, June 21-23, 2004. – Kyiv (Ukraine), 2004. - P. 153-154.

11. В.А.Скришевський. Поверхнево - бар’єрні структури з проміжним шаром поруватого кремнію та органічного напівпровідника / В.А.Скришевський, І.В. Гаврильченко, С.А.Дяченко, Г.В. Кузнецов, Ю.О. Первак // тези 2-ї української наукової конференції з фізики напівпровідників, (УНКФН-2), 20 - 24 вересня, 2004. - Чернівці (Україна), 2004. - С. 373.

12. A.I. Manilov. Negative differential conductivity in the porous TiO₂/InOHS junction / A.I. Manilov, I.V. Gavrilchenko, V.A. Skryshevsky, Th. Dittrich // Proceedings of the 5th international young scientists’ conference on applied physics, June 20-22, 2005. – Kyiv (Ukraine), 2005. - P. 119.

13. A.I. Manilov. Negative differential conductivity in the porous TiO₂/InOHS junction / A.I. Manilov, I.V. Gavrilchenko, V.A. Skryshevsky, Th. Dittrich // Proceedings of the International Conference "Functional Materials ICFM-2005”. – Partenit (Ukraine), October 3-8, 2005. - P. 95.

14. І.В.Гаврильченко. Механічні властивості поруватого кремнію, як матеріалу для хімічних сенсорів / І.В.Гаврильченко, В.Н.Зінчук, В.А.Скришевський // Тези 2-ї Міжнародної науково-технічної конференції “Сенсорна електроніка та матеріали електронної техніки” (СЕМСТ-2) 26 – 30 червня 2006. - Одеса, (Україна), 2006. - С. 45.

15. A.Benilov. Influence of different gas environments on porous silicon luminescence lifetime / A.Benilov, I.Gavrilchenko, V.Skryshevsky // Proceedings of the International Conference “Electronics and applied physics”, 24-27 November 2005. - Kyiv (Ukraine), 2005. - P. 84

16. A. Benilov. Influence of pH Solution on Photoluminescence of Porous Silicon / A. Benilov, I. Gavrilchenko, V. Skryshevsky, M. Cabrera // Proceedings of the International Conference “Electronics and applied physics”, October 11 – 14, 2006. - Kyiv (Ukraine), 2006. - P. 106.

17. A.Benilov. New gas sensing system based on luminescence lifetime in porous silicon / A.Benilov, I.Gavrilchenko, V.Skryshevsky // Materials of the 6^th International Conference „Porous Semiconductors – Science and technology” (PSST) March 12 – 17, 2006. - Barselona (Spain), 2006. - P. 128.

18. Ю.С.Жарких. Фотолюмінесценція поруватих плівок кремнезему зі структурою аерогелю / Ю.С.Жарких, С.В.Лисоченко, О.В.Третяк, І.В.Гаврильченко // тези доповідей “Матеріали електронної техніки та сучасні інформаційні технології” (МЕТІТ-3) 23-25 травня, 2008. - Кременчук (Україна), 2008. - С. 27-28.

19. S.V.Sergienko. The study of luminecsence properties of ceramic structure on the base of Al₂O₃ / S.V.Sergienko, I.V.Gavrilchenko, G.V.Kusnetsov, V.A.Skryshevsky, К.О. Kazdobin // Proceedings of the 7th international young scientists’ conference on applied physics, June 11-13, 2007. – Kyiv (Ukraine), 2007. - P. 97.

20. І.V.Gavrilchenko. Frequency spectra of thermally induced acoustic waves in porous silicon / І.V.Gavrilchenko, R.V.Skryshevsky, I.I Ivanov, A.Yu. Nechiporuk // Proceedings of the 8th international young scientists’ conference on applied physics, June 11-13, 2008. – Kyiv (Ukraine), 2008. - P. 116.

21. А.І.Benilov. Thermally induced acoustic waves in porous silicon / А.І.Benilov, І.V.Gavrilchenko, Yu.G. Shulimov, V.А.Skryshevsky // Proceedings of the „International Conferense Functional Materials” (ICFM-2007), October 1 - 6. - Partenit, (Ukraine), 2007. - P. 267.

22. Гаврильченко І.В. Сенсор на термо-акустичному ефекті в ПК / Гаврильченко І.В., Бенілов А.І., Шулімов Ю.Г., Скришевський В.А // Тези доп. 3-ї Міжнародної науково-технічної конференції “Сенсорна електроніка та матеріали електронної техніки” (СЕМСТ-3) 2-6 червня 2008. – Одеса (Україна), 2008. - С. 98.

23. Гаврильченко І.В. Дослідження термостимульованого акустичного випромінювання в поруватому кремнії / Гаврильченко І.В., Бенілов А.І. Литвиненко С.В., Скришевський В.А. // Тези доповідей Міжнародної школи-конференції „Актуальні проблеми фізики напівпровідників”, 23 - 26 вересня, 2008. – Дрогобич (Україна), 2008. - С. 108.

24. І.V.Gavrilchenko. Porous silicon thermo-acoustic properties / І.V.Gavrilchenko, А.І.Benilov, Yu.G. Shulimov, V.А.Skryshevsky // Materials of the 6^th International Conference Porous Semiconductors – Science and technology (PSST), 10-14 March, 2008. – Mallorca (Spain), 2008. - P. 447-448.