85) Идеальное стекло.

Металлическое стекло было изобретено в середине XX века. Оно изготавливается из специального сплава металлов, в отличие от обычного силикатного стекла, которое состоит из оксида кремния и окислов кальция, натрия и некоторых других металлов. Этот материал устойчив к коррозии и износу, легко поддается плавке и отливке, и к тому же не такой хрупкий, как обычное стекло.

Подобные сплавы обладают аморфной структурой – так называемой структурой «ближнего порядка», в отличие от традиционных сплавов металлов, которые образуются из упорядоченных микрокристаллов – структур «дальнего порядка». Кроме того, ученые находят свидетельства того, что металлические стекла состоят из небольших однородных структур «среднего» порядка. В них атомы не только образуют упорядоченные группы с соседними атомами, как в аморфном состоянии материи, но и формируют более крупные домены.

Ученые и промышленники давно пытаются разработать стекло, которое было бы однородно по своему составу, обладало лучшими свойствами современных видов стекол, и не имело таких недостатков, как хрупкость, износ, не идеальная прозрачность. В соответствии с современными представлениями, «идеальное стекло» содержит структуры «дальнего порядка».

Такой кристалл имеет форму гранецентрированного куба (аналогичную форму имеет кристалл алмаза), и в определенном сечении напоминает звезду Давида, а по форме похож на коробку, набитую мячиками для настольного тенниса.

Примечательно, что переход из аморфного в кристаллическое состояние происходит только при достижении отметки в 250 кПа (1 Па равен давлению земной атмосферы), и кристалл не теряет своей формы при уменьшении давления до атмосферного.

Кристаллические структуры, образующиеся при высоких температурах, оказываются неустойчивыми при ее понижении и переходят в состояние аморфного металлического стекла. Однако при высоком давлении распределение электронов в атомах церия меняется, что позволяет кристаллу сохранять устойчивость при комнатной температуре и атмосферном давлении.

86) Гидрированные аморфные полупроводники

Тонкопленочные структуры на основе аморфного гидрированного кремния и родственных ему материалов

Гидрированные полупроводники - это новый класс некристаллических полупроводниковых материалов, начало которым положено с середины 70-х годов работами по гидрированному аморфному кремнию. Пленки аморфных Si, Ge и ряда других известных полупроводников синтезированы достаточно давно и по своим свойствам не представляют большого практического интереса. В отличие от своих кристаллических аналогов, эти материалы имеют большую плотность локализованных состояний в запрещенной зоне, обусловленных наличием у многих атомов ненасыщенных, оборванных связей. Уровень Ферми в таких аморфных пленках располагается вблизи середины запрещенной зоны. Пленки имеют очень высокое удельное сопротивление и низкие значения подвижности и времени жизни носителей заряда. Прецизионно управлять электрическими и оптическими свойствами таких аморфных пленок практически невозможно.

Как было показано на примере кремния, положение коренным образом изменяется при введении в такие пленки атомов водорода. Оказалось, что водород обладает очень высокой растворимостью в аморфном кремнии (до 30...40%) и, насыщая пленку, замыкает на себя большую часть оборванных связей. В результате в таком гидрированном материале, названном (в отличие от обычного аморфного) a-Si:H, резко снижается плотность состояний в запрещенной зоне (до 10...10 см ) и возрастает проводимость. Такой a-Si:H можно легировать традиционными донорными и акцепторными примесями, придавая ему электронный или дырочный тип проводимости, и изменять в широких пределах ее абсолютную величину. В таком материале можно создавать и p-n-переходы. Короче говоря, гидрированный кремний приобретает свойства нормального полупроводникового материала. Позднее оказалось, что аналогичного водороду эффекта можно добиться при введении в пленку аморфного кремния атомов фтора.

К настоящему времени синтезирован еще ряд тетраэдрически координированных гидрированных аморфных полупроводников, также обладающих очень интересными элекфическими и оптическими свойствами: a-Sii.C:H; a-Si.Ge: Н, a-Sij.Sn: Н, a-Si, 4: Н, а-С:Н. К числу принципиальных преимуществ использования этих материалов в электронной технике относятся их малая стоимость и сравнительная простота получения однородных по толщине тонкопленочных структур (в том числе многослойных, квантоворазмерньгх) при низких температурах осаждения на самых разнообразных и дешевых подложках очень большой площади (> 1 м), а также их специфические полупроводниковые свойства, которые можно изменять в широких пределах, варьируя состав пленки.

Наиболее распространенным методом получения гидрированных полупроводников является разложение летучих соединений соответствующим размерам более 20 А нанокристаллы все еще остаются непрямозонным полупроводником со всеми вытекающими отсюда нежелательными последствиями. Тем не менее интерес к нанокристаллам Si не ослабевает Если удастся решить проблему надежной пассивации поверхности нанокристаллов, то можно рассчитывать на создание на их основе светоизлучающих диодов с внешней квантовой эффективностью ~ 1 %. Такие излучатели несомненно будут представлять практический интерес.

Аморфные гидрированные полупроводники являются достаточно высокоомными материалами. Проводимость нелегированного a-Si:H при комнатной температуре составляет (10 ...10 ) Ом см . Легирование фосфором или бором позволяет увеличивать проводимость до 10 Ом-см . При температурах, превышающих 250 К, проводимость определяется переносом электронов или дырок по делокализованным состояниям зоны проводимости или валентной зоны.

Нелегированный a-Si:H имеет большую фотопроводимость в видимой области спектра. При легировании фотопроводимость возрастает, а фоточувствительность уменьшается. Аналогичные закономерности наблюдаются и в твердых растворах на основе a-Si:H, которые обладают меньшей фотопроводимостью и фоточувствительностью, чем сам гидрированный кремний. При температурах выше комнатной основными центрами рекомбинации неосновных носителей заряда в аморфных гидрированных полупроводниках являются оборванные связи, концентрация которых в твердых растворах всегда больше, чем в a-Si:H. Ширина оптической запрещенной зоны в аморфных гидрированньгх полупроводниках возрастает по мере увеличения концентрации в них водорода, и для a-Si:H она составляет 1,6...1,8эВ. Введение в пленки a-Si:H германия позволяет уменьшить эту величину до 1,0 эВ, а введение углерода и азота увеличить ее до значений 2,5...3,2эВ и 5 эВ соответственно.

При освещении гидрированных полупроводников белым светом наблюдаются существенные изменения их электрических свойств (эффект Стеблера - Вронского). К аналогичным последствиям приводит и инжекция в пленки неравновесных носителей. Эти изменения обусловлены в основном изменением плотности состояний в щели подвижности из-за увеличения концентрации оборванных связей. Исходные параметры пленок удается восстановить путем их отжига при температурах 150...200°С. Природа ответственных за эти явления метастабильных состояний пока до конца неясна, и в ее понимание упирается упирается решение проблемы повышения деградационной устойчивости приборов, создаваемых на основе гидрированных полупроводников.

Интересными новыми материалами в группе гидрированных некристаллических полупроводников являются так называемые микрокристаллические пленки. Наиболее изученным представителем этой достаточно специфической категории пленочных материалов является микрокристаллический кремний - iC-Si:H. Электрофизические и оптические свойства iC-Si:H существенно отличаются от соответствующих свойств аморфного гидрированного кремния, что обусловлено, в первую очередь, специфическими особенностями его структуры. Микрокристаллический кремний состоит из аморфной и кристаллической фазы.