Silicio: un esempio nelle nanotecnologie

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1 Silicio: un esempio nelle nanotecnologie M. Cannas Dipartimento di Fisica e Chimica, Università degli Studi di Palermo, Italy Laboratory of Advanced Materials Physics Web:

2 Il controllo delle proprietà ottiche/elettriche di un materiale è il principale goal delle moderne nanotecnologie Silicon nanocrystal: milestone in the development of nanotechnology L T Canham, Appl. Phys. Lett. 57 (1990) 1046 Controllo della morfologia (dimensione e forma) e della composizione determina uno Shift della luminescenza

3 SILICIO IV gruppo della tavola periodica Semiconduttore elementale Struttura cristallina covalente cubica a facce centrate

4 SILICIO materiale principe nella microelettronica apparentemente senza proprietà vantaggiose per l ottica Semiconduttore a gap indiretta SCARSO EMETTITO RE NEL VISIBILE LIMITAZIONE NELLE APPLICAZIONI ~1.1

5 Proprietà BULK E NANOCRISTALLI LARGO IMPIEGO NELL INDUSTRIA DEI SEMICONDUTTORI (non tossico) BULK SECONDO ELEMENTO PIÙ ABBONDANTE NELLA CROSTA TERRESTRE (ECONOMICO) SILICIO SCARSO EMETTITORE NEL VISIBILE NANO-CRISTALLI (NCs) EMETTONO NEL VISIBILE Interesse verso i Si-NCs

6 Si-NCs Cristalli che hanno le dimensioni dei nanometri Canham (1990): Prima osservazione delle proprietà di fotoluminescenza nel range del visibile in silicio poroso. Apre la possibilità di sviluppo di dispositivi optoelettronici di Silicio! A P P L I C A Z I O N I OPTOELETTRONICA (laser, LED, OLED) NANOELETTRONICA (dispositivi di memoria) FOTOVOLTAICO BATTERIE APPLICAZIONI BIOLOGICHE

7 Confinamento Quantistico (QC) Ledoux et al. Phys. Rev. B 62 (2000) 15942

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17 TECNICHE DI PRODUZIONE: TOP-DOWN vs BOTTOM-UP DAL BULK VERSO I NANOCRISTALLI (sottrazione di materiale) DA ATOMI / MOLECOLE VERSO I NANOCRISTALLI (aggregazione)

18 1. ABLAZIONE LASER 2. IMPIANTAZIONE IONICA 3. ETCHING 4. POLVERIZZAZIONE CATODICA 5. MULINO A BIGLIE 1. PIROLISI LASER DEL SILANO 2. DEPOSIZIONE CHIMICA DA VAPORE 3. OSSIDAZIONE / RIDUZIONE IN SOLUZIONE 4. DEPOSIZIONE DI STRATI ATOMICI 5. MOLECULAR BEAM EPITAXY

19 1. ABLAZIONE LASER 2. IMPIANTAZIONE IONICA 3. ETCHING 4. POLVERIZZAZIONE CATODICA 5. MULINO A BIGLIE 1. PIROLISI LASER DEL SILANO 2. DEPOSIZIONE CHIMICA DA VAPORE 3. OSSIDAZIONE / RIDUZIONE IN SOLUZIONE 4. DEPOSIZIONE DI STRATI ATOMICI 5. MOLECULAR BEAM EPITAXY

20 Nd:YAG, λ =1064nm E=40mJ/pulse, W/cm 2 Mirror Convergent Lens (f=150mm) liquid Si wafer Laser spot diameter: ~1 mm L. Vaccaro et al. Appl. Surf. Sci. 302 (2014) 62

21 -Laser Ablation -MicroRaman -Time-resolved luminescence under a tunable laser excitation -High resolution transmission electron microscopy (HR-TEM) -Scanning transmission electron microscopy with high angle annular dark field detector analysis (STEM-HAADF) -Energy dispersive X-ray spectroscopy (EDXS)

22 1:Policrystalline nanoparticle 2: Amorphous nanoparticle

23 (111) (022) (113) (004) (133) (224) (044) Normalized Raman Intensity 1.0 Si-nc Si-bulk Wavenumber (cm -1 ) Micro-Raman L. Vaccaro et al. Appl. Surf. Sci. 302 (2014) 62 Diffractogram and calculated diffraction pattern (blue circles) of cubic bulk Si (a = Å)

24 QC Normalized Raman Intensity Si-nc Si-bulk Wavenumber (cm -1 )

25 HAADF-STEM Scan direction Concentration (at. %) O Si x (nm) Si t 1 t 2 Shell : t 1 =3 nm ; t 2 =12 nm Si 0.38±0.05 O 0.62±0.05 SiO 2 Core : d~70 nm Si SiO 2

26 Global chemical composition obtained from a EDXS area scan. CK α1 100 OK α1 SiK α1 SiK β1 Counts 50 CuL λ1 CuK α1 CuL β3 CuL α1 CuK β Energy (KeV) 10 Si 0.30±0.05 O 0.70±0.05 consistent with SiO 2

27 1. ABLAZIONE LASER 2. IMPIANTAZIONE IONICA 3. ETCHING 4. POLVERIZZAZIONE CATODICA 5. MULINO A BIGLIE 1. PIROLISI LASER DEL SILANO 2. DEPOSIZIONE CHIMICA DA VAPORE 3. OSSIDAZIONE / RIDUZIONE IN SOLUZIONE 4. DEPOSIZIONE DI STRATI ATOMICI 5. MOLECULAR BEAM EPITAXY

28 DEPOSIZIONE CHIMICA DA VAPORE (bottom-up) PECVD (Plasma-enhanced chemical vapor deposition) Separazione di fase: Si + SiO 2 EMBEDDED Si NCs Le temperature di deposizione e annealing influiscono sulla concentrazione e sulla dimensione dei NCs ]

29 SiO x /SiO 2 multi-layers grown on a p-type crystalline Si substrate. SiO x produced by evaporation of SiO powder. SiO 2 produced by electron beam evaporation of fused quartz Sample SiO x /SiO 2 thickness (nm) Ann. Temp ( C) Layers number 1 2.2/ / / / hours annealing at 1100 C induces the formation of Si-NCs

30 PL Intensity (arb.units) Normalized PL Intensity E exc = 4.6 ev (a) sample 2 sample Emission energy (ev) (b) Sample 4 Sample 3 Sample Emission energy (ev) Luminescenza After annealing No annealing QC effect PL peak energy (ev) s a m p le 2 sa m p le SiO x thikness (nm ) s a m p le 4 Sample E PL (ev) Si-NC size (nm) d d d 4.5

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