Собственные сеточные дефекты в аморфных материалах

В настоящее время представления о природе, структуре и электронном строении сеточных дефектов развиты в основном для аморфного окисла SiOa, поскольку именно для него в первую очередь, была разработана и подтверждена экспериментально модель неупорядоченной сетки.

К собственным сеточным дефектам в аморфном SiCb относят следующие нарушения структуры [109]:

  • 1. Растянутая Si-О-связь: угол связи между тетраэдрами ф изменяется от 154° (среднего значения для идеальной неупорядоченной сетки [108]) до 180°, а центральный атом кислорода смещается из своего исходного положения так, что расстояние — Si-0-Si достигает = 3,2 А (рис. 15.6). Из эксперимента [108] известно, что наиболее вероятное значение расстояния Si-О в некристаллическом SiCb составляет 1,61-1,62 А, а наиболее вероятное расстояние Si-0-Si = 3,06 А. Растяжение Si-O-Si-связи приводит к возникновению небольшого дипольного момента. Средний дипольный момент составляет всего 0,5 Дебая (или 0,1е- А), что соответствует смещению единичного заряда только на 0,1 А.
  • 2. Напряженная Si-O-связъ: напряженные связи (рис. 15.7, а) отличаются от растянутых наличием возмущенных орбиталей.
  • 3. Оборванные и болтающиеся связи — это связи, у которых орбитали соседних атомов не перекрываются (рис. 15.7, б, в) из-за возникновения смещения атомов кислорода и кремнияЭ такого, что длина связи Si-0-Si становится больше 3,2 А, то есть связь между соседними тетраэдрами рал руша ется. При этом на свободную кремниевую связь может захватываться
Образование растянутой Si-O-связи

Рис. 15.6. Образование растянутой Si-O-связи

Напряженные и оборванные Si-O-Si-связи в аморфном SiOo

Рис. 15.7. Напряженные и оборванные Si-O-Si-связи в аморфном SiOo: а) — напряженная Si- O-Si-связь, стрелкой указана возмущенная орбиталь; б) — оборванная Si-O-Si-связь с захваченным электроном (е); в) — оборванная Si-O-Si-связь с захваченной дыркой (р)

алектрон (рис. 15.7, б), а на кислородную — дырка (рис. 15.7, е). Термин «болтающаяся» (Si+ или О-) связь означает единичную оборванную связь на поверхности окисла.

Все указанные дефекты алия ют на физические свойства и на зонную структуру аморфных твердых тел, вводя дополнительные уровни в запрещенную зону. Установлено [109], что наличие напряженных связей приводит к смещению края поглощения ультрафиолета к более низким значениям энергии. Это коррелирует со смещением потолка валентной зоны Еу в аморфном БЮг по сравнению с кристаллическим на 0,4 эВ. Край валентной зоны размывается (рис. 15.8), так как искаженные связи вводят непрерывные уровни вблизи Еу, что четко фиксируется при аморфизации кристаллического SiO-2- Косвенным подтверждением распределения связей по величине в аморфном окисле является тот факт, что тогда как плавление кристаллического кварца происходит при строго определенной температуре, т. е. энергия большинства связей одинакова, аморфное стекло SiO-2 при нагревании до высоких температур размягчается постепенно.

Иллюстрация вводимых напряженной связью энергетических уровней

Рис. 15.8. Иллюстрация вводимых напряженной связью энергетических уровней: а) — напряженная связь; б) — вводимые ею энергетические уровни

Напряженные связи могут легко оборваться, приводя, как и в кристаллическом кварце, к образованию электронно-дырочных пар. В результате возникают две ситуации:

  • 1) электрон устремляется к зоне проводимости, а дырка — к валентной зоне;
  • 2) электрон остается захваченным в экситонное состояние вблизи дна зоны проводимости и становится немобильным, а дырка захватывается на оборванную связь, причем между собой их связывает кулоновское поле. В последнем случае в запрещенной зоне возникает дополнительный (экситон- ный) уровень вблизи дна зоны проводимости Ес (рис. 15.9).
Оборванная связь, генерирующая нейтральный акцепторный центр и захваченную дырку

Рис. 15.9. Оборванная связь, генерирующая нейтральный акцепторный центр и захваченную дырку: а) — оборванная связь, б) — вводимые ею энергетические уровни

При обрыве связей в аморфном SiO возникают нейтральные дефекты: акцепторные центры и центры, захватившие дырку, создающие донорный и акцепторный уровни в запрещенной зоне (рис. 15.9).

Оборванные Si-0-связи могут восстанавливаться и таким образом снимать напряжения путем рекомбинации электронов и дырок, которые берутся или из экситонного состояния, или из зоны проводимости, или из нейтральных дефектов (рис. 15.10). При низких температурах процесс восстановления связей протекает слабо, но при Т « 77 К он усиливается благодаря тепловому движению атомов.

Восстановление оборванной связи путем захвата инжектированного электрона на оборванную связь атома кремния

Рис. 15.10. Восстановление оборванной связи путем захвата инжектированного электрона на оборванную связь атома кремния

Восстановление связей вызывает слабую релаксацию окружающей решетки, которая приводит к образованию двух локализованных уровней: донорного на 5,75 эВ выше потолка валентной зоны и акцепторного на 7,6 эВ ниже дна зоны проводимости (рис. 15.10).

Разрыв кремний-кислородной связи в a-SiO-2 приводит к образованию комплементарных (способных рекомбинировать при встрече) дефектов — трехкоординированного атома кремния и немостикового кислорода [105]. Первый из них представляет собой кремний-обогащенный, второй — кислородо-обогалцен- ный дефект. Оба эти дефекта связаны с сеткой стекла, и их концентрации будут иметь близкие значения в разных процессах генерации и разрушения собственных дефектов в идеальной аморфной сетке.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >