Ищенко А.А., Фетисов Г.В., Асланов Л.А. Нанокремний: свойства, получение, применение, методы исследования и контроля. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2011. - 648 с.

Ищенко А.А., Фетисов Г.В., Асланов Л.А.

Нанокремний: свойства, получение, применение, методы исследования и контроля

М.: ФИЗМАТЛИТ, 2011. - 648 с. -
ISBN 978-5-9221-1369-4

Монография посвящена систематическому изложению свойств, методов синтеза и возможностей применения пористого кремния, нанокремния и композитных материалов на их основе. Подробно изложены методы получения нанокристаллического кремния и проведен их сравнительный анализ. Описаны электронные и оптические свойства, современные методы исследования, позволяющие дать характеристику спектральных и структурных свойств этого материала, обладающего уникальными оптическими (поглощение излучения в УФ-области и фотолюминесценция в видимой области спектра) и электрофизическими свойствами.

Значительное внимание уделяется различным областям практического применения: в УФ-защитных покрытиях, биоаналитике и солнечной энергетике. Представлены результаты исследований трансформации свойств наночастиц кремния в зависимости от химического состава примесей, появляющихся при синтезе и нахождении наночастиц в атмосфере воздуха. Описаны методы диагностики структуры, состава образующихся примесей и способы направленного модифицирования поверхности наночастиц кремния и функции их распределения по размерам.

Монография рекомендуется широкому кругу читателей, интересующихся проблемами создания, исследования и применения наноматериалов, - научным работникам, аспирантам и студентам, специализирующимся в этой увлекательной и интенсивно развивающейся области современной науки.

Содержание

Предисловие		9
Сокращения		17
Часть I		23
Глава 1. Некоторые свойства полупроводников - терминология		23
1.1. Электропроводность полупроводников с точки зрения зонной теории		25
1.1.1. Прямозонные и непрямозонные полупроводники		26
1.2. Квазичастицы в твердом теле		27
1.3. Влияние дефектов на электронную структуру		29
1.3.1. Локализованные состояния		30
1.4. Фотопоглощение и люминесценция полупроводников		32
1.4.1. Электролюминесценция полупроводников		34
1.5. Размерные ограничения и квантовые эффекты		35
1.5.1. Люминесценция непрямозонных полупроводников		41
1.6. Поверхность и поверхностные состояния		44
1.6.1. Реконструкция поверхности		45
Заключительные замечания		47
Литература к главе 1		48
Глава 2. Структура и свойства кремния		50
2.1. Структура кристаллического кремния		52
2.2. Электрические свойства кремния		55
2.2.1. Сводка основных физических свойств кристаллического Si		58
2.3. Дефекты кристаллической решетки		60
2.3.1. Протяженные дефекты		63
2.3.2. Поверхность		66
2.4. Аморфный кремний		68
2.4.1. Модель аморфного состояния		68
2.4.2. Электронная структура аморфного состояния		72
2.5. Кластеры кремния		76
2.5.1. Отличие кластеров от аморфной и кристаллической фаз		77
2.5.2. Теоретические исследования структуры и свойств кластеров		78
2.5.3. Классификация кластеров Si		80
2.5.4. Теоретические исследования мелких кластеров Si		82
2.5.5. Структура и свойства крупных кластеров Si_n		83
2.5.6. Экспериментальные сведения о кинетике роста кластеров Si		84
2.6. Нанокристаллы кремния		93
2.7. Квантовые размерные эффекты в нанокремнии		95
2.7.1. Люминесценция наночастиц кремния		95
2.7.2. Измерения на отдельном нанокристалле		100
2.8. Химия поверхности наночастиц Si и ее влияние на свойства		101
2.8.1. Влияние пассивирования наночастиц Si водородом		103
2.8.2. Влияние приграничного кислорода		105
2.8.3. Влияние легирования на электронно-оптические свойства nc-Si		106
Заключение		107
Литература к главе 2		111
Глава 3. Пористый кремний: люминесцентные свойства. В. Ю. Тимошенко		120
3.1. Способы получения пористого кремния		121
3.2. Основные структурные характеристики пористого кремния		127
3.3. Люминесценция пористого кремния		130
3.3.1. Модели, объясняющие природу фотолюминесценции пористого кремния		132
3.4. Квантово-размерный эффект (КРЭ)		132
3.5. Экситонные эффекты в фотолюминесценции пористого кремния		136
3.6. Влияние молекулярного окружения на люминесцентные свойства П-Si		138
3.6.1. Влияние активных молекул на люминесценцию П-Si		138
3.6.2. Люминесценция пористого кремния с внедренными молекулами красителей		144
3.7. Исследование пористого кремния методами оптической спектроскопии с временным разрешением		145
Литература к главе 3		150
Глава 4. Квантовые точки		156
4.1. Квантовые точки на основе нанокремния		157
4.2. Исследование структурно-фазовых трансформаций и оптических свойств композитов на основе нанокластеров кремния в матрице оксида кремния		161
4.2.1. Гипотеза о перколяционной природе структуры пленок nc-Si/SiO_y		163
4.2.2. Исследование фотолюминесцентных и электрических свойств пленок nc-Si/SiO_y, при оптическом возбуждении		165
4.3. Большие времена когерентности в квантовых точках		167
4.4. Зависимость ширины оптической щели кремниевых квантовых точек от их размера 169
4.5. Характеристики экситонов и экситонная фотолюминесценция структур с кремниевыми квантовыми точками		172
4.5.1. Модель квантовой точки и спектр электронно-дырочных возбуждений		173
4.5.2. Расчет характеристического времени излучательной рекомбинации электронно-дырочных возбуждений в КТ		174
4.5.3. Экситонная фотолюминесценцияв кремниевых КТ		176
4.5.4. Сравнение с экспериментом		178
4.6. Нанопроволока на основе кремния		181
4.7. Квантовые точки кремния, легированные бором и фосфором		183
Заключительные замечания		186
Литература к главе 4		187
Часть II		193
Глава 5. Методы синтеза, модифицирование поверхности и определение характеристик нанокремния		193
5.1. Классификация методов синтеза		193
5.2. Физические методы получения нанокремния		194
5.2.1. Имплантация ионов кремния в SiC>2		195
5.2.2. Лазерная абляция кристаллического кремния		201
5.2.3. Получение нанокремния при испарении кристаллического кремния пучком ускоренных электронов		206
5.2.4. Конденсация паров кремния		208
5.3. Физико-химические методы		209
5.3.1. Принципы плазмохимических методов синтеза		210
5.3.2. Метод лазерно-индуцированной диссоциации моносилана		235
5.3.3. Электрохимическое травление (243).
5.4. Химические методы синтеза		251
5.4.1. Нанокремний, полученный из монооксида кремния		251
5.4.2. Влияние температуры синтеза nc-Si из монооксида на оптические свойства нанокремния		260
5.4.3. Восстановление диоксида кремния магнием		268
5.4.4. Восстановление диоксида кремния силицидом магния		269
5.4.5. Синтезы нанокремния в растворах		270
5.4.6. Синтез в сверхкритических флюидах		279
5.4.7. Механохимический синтез		280
5.4.8. Взаимодействие прекурсоровв газовой фазе		281
5.4.9. Кремниевая нанопроволока		282
5.5. Пассивирование поверхности и функционализация nc-Si		285
5.5.1. Функционализация nc-Si в аэрозоле		287
5.5.2. Гидросилилирование		288
5.5.3. Функционализация поверхности на основе реакций замещения		294
5.5.4. Использование оксидированного поверхностного слоя		295
Заключительные замечания		296
Литература к главе 5		298
Глава 6. Термоокислительные процессы в порошках нанокремния		316
6.1. Спектральные проявления		317
6.2. Парамагнитные центры		324
6.3. Влияние примеси углерода на термоокислительные процессы в наноразмерных порошках кремния		331
6.4. Влияние воды		338
Заключительные замечания		344
Литература к главе 6		345
Глава 7. Тонкие пленки, осажденные из золя наночастиц кремния		348
7.1. Синтез порошков и осаждение пленок nc-Si		348
7.2. Методы анализа		350
7.2.1. Поглощение в УФ и видимой области		351
7.2.2. Комбинационное рассеяние		354
7.3. Диэлектрические и транспортные свойства тонких пленок, осажденных из золей,содержащих наночастицы кремния		358
7.3.1. Импеданс-спектры и эллипсометрия		360
7.3.2. АС проводимость пленок nc-Si		364
7.3.3. Механизм проводимости		364
Заключительные замечания		372
Литература к главе 7		373
Часть III		377
Глава 8. Методы исследования и контроля структуры и свойств нанокремния		377
8.1. Просвечивающая электронная микроскопия		378
8.1.1. Режимы изображения		380
8.1.2. ПЭМ и ПЭМВР для наблюдения частиц кремния		385
8.1.3. Просвечивающая электронная микроскопия со спектрометрией характеристических потерь		386
8.1.4. Просвечивающая электронная микроскопия с фильтрацией энергии		388
8.2. Методы сканирующей зондовой микроскопии		389
8.2.1. Сканирующая туннельная микроскопия		390
8.2.2. Атомная силовая микроскопия		394
8.3. Рентгеноструктурый анализ нанопорошков		395
8.3.1. Особенности рентгеновских дифрактограмм наноматериалов		397
8.3.2. Неприменимость классического РСА к наноматериалам		398
8.3.3. Рентгеноструктурный анализ по дифрактограммам полного рассеяния		400
8.4. Структурный анализ по спектрам поглощения рентгеновских лучей		410
8.4.1. Принципы и разновидности методов анализа XAFS		410
8.4.2. Примеры исследования нанокремния методами XAFS		415
8.4.3. Метод DAFS		423
Заключение		425
Литература к главе 8		426
Глава 9. Методы гранулометрического контроля нанокремния		430
9.1. Методы определения размеров наночастиц по динамическому рассеянию света		433
9.1.1. Метод фотонной корреляционной спектроскопии (ФКС)		436
9.1.2. Метод фотонной кросс-корреляции (ФККС)		445
9.1.3. Примеры применения методов ФКС и ФККС		448
9.1.4. Измерительное оборудование		449
9.2. Определение дисперсности по спектрам комбинационного рассеяния		450
9.2.1. Функции распределения размеров nc-Si из спектров КР		453
9.3. Гранулометрия методом малоуглового рассеяния рентгеновских лучей		458
9.3.1. Основные принципы метода SAXS		459
9.3.2. Дифрактограммы малоуглового рассеяния		460
9.3.3. Теоретические основы анализа микроструктуры методом SAXS		461
9.3.4. Анализ результатов измерений		466
Литература к главе 9		467
Глава 10. Новые рентгеновские дифракционные методы анализа микроструктуры и морфологии нанокристаллических порошков. М. Леони		471
10.1. Введение		471
10.2. Теоретические основы метода WPPM		475
10.2.1. Интенсивность дифракции: описание с помощью преобразования Фурье		476
10.3. Компоненты уширения		478
10.3.1. Инструментальные факторы		478
10.3.2. Размер и форма доменов		479
10.3.3. Искажения решетки		481
10.3.4. Двойники и деформационные дефекты упаковки		483
10.3.5. Сборка формулы дифракционного пика из полученных уравнений и моделирование данных		484
10.4. Примеры анализа методом WPPM		485
10.4.1. Нанокристаллическая окись церия		485
10.4.2. Окислы меди		488
10.5. За пределами возможностей метода WPPM		491
Заключение		499
Литература к главе 10		500
Глава 11. Методы фемтосекундной спектроскопии и дифракции электроновс временным разрешением		504
11.1. Фемтосекундная спектроскопия		505
11.1.1. Методика эксперимента		506
11.1.2. Установка метода фемтосекундной абсорбционной спектроскопии		507
11.1.3. Фотолюминесцентные свойства квантовых точек кремния (509).
11.2. Поверхностные состояния как средство контроля ФЛ квантовых точек кремния. . 509
11.3. Si-QDs с модифицированной поверхностью и их люминесцентные свойства		510
11.4. Сверхбыстрая динамика релаксации экситона в кремниевых квантовых точках		515
11.5. Методы изучения когерентной 4D структурной динамики		521
11.5.1. Сверхбыстрая электронная кристаллография (UEC)		522
11.5.2. Поверхности и кристаллы		524
11.5.3. Структурная динамика поверхности		526
11.5.4. Электронная нанокристаллография с временным разрешением (UEnC)		526
11.6. Динамическая просвечивающая электронная микроскопия		528
Заключение		529
Литература к главе 11		531
Глава 12. Флуоресцентные метки на основе нанокремния. С. В. Сизова, А.А.Ищенко		535
12.1. Получение нанокремния для биологических приложений		535
12.1.1. Модификация поверхности нанокристаллического кремния методом силанизации		537
12.1.2. Модификация поверхности нанокристаллического кремния методом гидросилилирования		537
12.2. Перспективы применения нанокремния в биомедицине и биотехнологии		539
12.3. Биодеградируемые пористые наночастицы кремния для in vivo приложений		544
Заключительные замечания		547
Литература к главе 12		549
Глава 13. Пористый кремний как фотосенсибилизатор генерации синглетногокислорода. В. Ю. Тимошенко		552
13.1. Введение		552
13.2. Электронная конфигурация молекулы кислорода		554
13.3. Фотолюминесцентная диагностика синглетного кислорода при его генерации в пористом кремнии		555
13.4. Фотосенсибилизация синглетного кислорода в порошках пористого кремния и водных суспензиях		558
13.4.1. Фотосенсибилизация генерации синглетного кислорода в газовой фазе		558
13.4.2. ЭПР-диагностика фотосенсибилизации генерации синглетного кислорода		561
13.4.3. Количественный анализ фотосенсибилизации генерации синглетного кислорода		563
13.4.4. Фотосенсибилизация генерации синглетного кислорода в жидкостях		566
13.5. Биомедицинские аспекты фотосенсибилизированной генерации синглетного кислорода в пористом кремнии		569
Литература к главе 13		570
Глава 14. Солнцезащитные средства. А. А. Ищенко, А.А. Крутикова		574
14.1. Солнечное излучение и его действие на кожу		575
14.2. Возможность применения nc-Si в качестве солнцезащитного компонента		578
14.3. Современные солнцезащитные средства		580
14.4. Приготовление образцов эмульсионных композиций с nc-Si		583
14.4.1. Измерения спектров пропускания в УФ и видимой области		584
14.4.2. Измерение спектров пропускания в интегрирующую сферу		585
14.4.3. Измерения спектров комбинационного рассеяния		590
14.5. Композиты nc-Si с природными биологически активными соединениями		592
Заключительные замечания		593
Литература к главе 14		596
Глава 15. Полимерные композиты на основе нанокремния		602
15.1. Полимерные гидрогели		603
15.2. Нанокомпозитные пленки с УФ-защитными свойствами на основе полиэтилена . . 607
15.3. Иммобилизация люминесцирующего нанокремния в матрице микродисперсного политетрафторэтилена с помощью сверхкритического диоксида углерода		614
Заключительные замечания		621
Литература к главе 15		623
Глава 16. Применения нанокремния в солнечной энергетике		626
16.1. Кремниевые солнечные элементы		627
16.2. Повышение КПД солнечных элементов с помощью nc-Si		631
16.3. Фотоэлектрические окна		634
Литература к главе 16		637
Предметный указатель		638

Сервер создается при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований
Не разрешается копирование материалов и размещение на других Web-сайтах
Вебдизайн: Copyright (C) И. Миняйлова и В. Миняйлов
Copyright (C) Химический факультет МГУ
Написать письмо редактору