Electronic structure and composition of tin oxide thin epitaxial and magnetron layers according to synchrotron XANES studies

Ольга Александровна Чувенкова; Николай Игоревич Бойков; Станислав Викторович Рябцев; Елена Владимировна Паринова; Ратибор Григорьевич Чумаков; Алексей Михайлович Лебедев; Дмитрий Смирнов; Анна Макарова; София Сергеевна Титова; Кирилл Александрович Фатеев; Сергей Юрьевич Турищев

doi:10.17308/kcmf.2024.26/11897

Ольга Александровна Чувенкова ФГБОУ ВО «Воронежский государственный университет», Университетская пл., 1, Воронеж 394018, Российская Федерация https://orcid.org/0000-0001-5701-6909
Николай Игоревич Бойков ФГБОУ ВО «Воронежский государственный университет», Университетская пл., 1, Воронеж 394018, Российская Федерация https://orcid.org/0000-0002-0512-8666
Станислав Викторович Рябцев ФГБОУ ВО «Воронежский государственный университет», Университетская пл., 1, Воронеж 394018, Российская Федерация https://orcid.org/0000-0001-7635-8162
Елена Владимировна Паринова ФГБОУ ВО «Воронежский государственный университет», Университетская пл., 1, Воронеж 394018, Российская Федерация https://orcid.org/0000-0003-2817-3547
Ратибор Григорьевич Чумаков ФГБУ «Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт»», пл. Академика Курчатова, 1, Москва 123182, Российская Федерация https://orcid.org/0000-0002-3737-5012
Алексей Михайлович Лебедев ФГБУ «Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт»», пл. Академика Курчатова, 1, Москва 123182, Российская Федерация https://orcid.org/0000-0002-4436-6077
Дмитрий Смирнов Dresden University of Technology, 18 Zellescher Weg, Dresden 01069, Germany
Анна Макарова Free University of Berlin, 22 Arnimallee, Berlin 14195, Germany
София Сергеевна Титова ФГБОУ ВО «Воронежский государственный университет», Университетская пл., 1, Воронеж 394018, Российская Федерация https://orcid.org/0000-0001-6860-401X
Кирилл Александрович Фатеев ФГБОУ ВО «Воронежский государственный университет», Университетская пл., 1, Воронеж 394018, Российская Федерация
Сергей Юрьевич Турищев ФГБОУ ВО «Воронежский государственный университет», Университетская пл., 1, Воронеж 394018, Российская Федерация https://orcid.org/0000-0003-3320-1979

DOI: https://doi.org/10.17308/kcmf.2024.26/11897

Ключевые слова: олово и его оксиды, электронное строение, плотность состояний, локальное атомное окружение, состав, эпитаксиальные нанослои, магнетронные нанослои, ближняя тонкая структура краев рентгеновского поглощения, синхротронные исследования

Аннотация

Материалы системы олово-кислород и тонкопленочные структуры на их основе являются современными и актуальными для создания широкого ряда электронных приборов, например, резистивных газовых сенсоров высокой чувствительности и малого времени срабатывания при низком энергопотреблении и высокой технологичности. Важным направлением в проработке таких материалов и структур является управление свойствами при вариации технологических режимов формирования. Востребованной является информация о составе, локальном атомном и электронном строении тонких слоев системы олово-кислород при вариации подходов к их получению.

Работа посвящена исследованию электронного строения тонких слоев оксидов олова, полученных современными методами молекулярно-лучевой эпитаксии и магнетронного распыления. Проведено исследование локальной парциальной плотности электронных состояний в зоне проводимости методом спектроскопии ближней тонкой структуры краев рентгеновского поглощения олова и кислорода. Данные получены с использованием высокоинтенсивного синхротронного излучения, позволяющего варьировать энергию квантов монохроматизированного излучения без потерь в интенсивности, что необходимо для получения рентгеноспектральных данных высокого разрешения.

Показано, что состав, локальное атомное окружение, электронный спектр и их особенности зависят от технологии формирования и условий хранения исследованных структур. Синхротронные рентгеноспектральные данные показывают наличие промежуточных оксидов системы олово-кислород в изученных материалах после продолжительного хранения в лабораторных условиях. Полученные данные указывают на возможность управляемой вариации состава, локального атомного окружения и электронного спектра тонкопленочных структур оксидов олова малой толщины. Результаты работы могут быть использованы при формировании и последующей модификации тонких и сверхтонких слоев оксидов олова методами магнетронного распыления и молекулярно-лучевой эпитаксии, а также при дальнейшем их применении в качестве активных слоев устройств микроэлектроники

Скачивания

Данные скачивания пока не доступны.

Биографии авторов

Ольга Александровна Чувенкова, ФГБОУ ВО «Воронежский государственный университет», Университетская пл., 1, Воронеж 394018, Российская Федерация

к. ф.-м. н., с. н. с., cовместная научно-образовательная лаборатория «Атомное и электронное строение функциональных материалов» Воронежского государственного университета и Национального исследовательского центра «Курчатовский институт», Воронежский государственный университет (Воронеж, Российская Федерация)

Николай Игоревич Бойков, ФГБОУ ВО «Воронежский государственный университет», Университетская пл., 1, Воронеж 394018, Российская Федерация

инженер-физик, cовместная научно-образовательная лаборатория «Атомное и электронное строение функциональных материалов» Воронежского государственного университета и Национального исследовательского центра «Курчатовский институт», Воронежский государственный университет (Воронеж, Российская Федерация)

Станислав Викторович Рябцев, ФГБОУ ВО «Воронежский государственный университет», Университетская пл., 1, Воронеж 394018, Российская Федерация

д. ф.-м. н., директор института физики, вед. н. с., совместная научно-образовательная лаборатория «Атомное и электронное строение функциональных материалов» Воронежского государственного университета и Национального исследовательского центра «Курчатовский институт», Воронежский государственный университет (Воронеж, Российская Федерация)

Елена Владимировна Паринова, ФГБОУ ВО «Воронежский государственный университет», Университетская пл., 1, Воронеж 394018, Российская Федерация

к. ф.-м. н., доцент кафедры общей физики, Воронежский государственный университет (Воронеж, Российская Федерация)

Ратибор Григорьевич Чумаков, ФГБУ «Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт»», пл. Академика Курчатова, 1, Москва 123182, Российская Федерация

к. ф.-м. н., с. н. с., Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт» (Москва, Российская Федерация)

Алексей Михайлович Лебедев, ФГБУ «Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт»», пл. Академика Курчатова, 1, Москва 123182, Российская Федерация

к. ф.-м. н., с. н. с., Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт» (Москва, Российская Федерация)

Дмитрий Смирнов, Dresden University of Technology, 18 Zellescher Weg, Dresden 01069, Germany

к. ф.-м. н., н. с., институт
физики материалов, Технический университет
Дрездена (Дрезден, Германия)

Анна Макарова, Free University of Berlin, 22 Arnimallee, Berlin 14195, Germany

к. ф.-м. н., н. с., институт химии
и биохимии, Свободный университет Берлина
(Берлин, Германия)

София Сергеевна Титова, ФГБОУ ВО «Воронежский государственный университет», Университетская пл., 1, Воронеж 394018, Российская Федерация

преподаватель кафедры общей физики, Воронежский государственный
университет (Воронеж, Российская Федерация)

Кирилл Александрович Фатеев, ФГБОУ ВО «Воронежский государственный университет», Университетская пл., 1, Воронеж 394018, Российская Федерация

лаборант-физик кафедры общей физики, Воронежский государственный университет (Воронеж, Российская Федерация)

Сергей Юрьевич Турищев, ФГБОУ ВО «Воронежский государственный университет», Университетская пл., 1, Воронеж 394018, Российская Федерация

д. ф.-м. н., доцент, заведующий кафедрой общей физики, Воронежский государственный университет (Воронеж, Российская Федерация)

Литература

Chopra K. L., Major S., Pandya D. K. Transparent conductors – А status review. Thin Solid Films. 1983;102: 1–46. https://doi.org/10.1016/0040-6090(83)90256-0

Lee S. U., Choi W. S., Hong B. Synthesis and characterization of SnO2 : Sb film by DC magnetron sputtering method for applications to transparent electrodes. Physica Scripta. 2007;129: 312–315. https://doi.org/10.1088/0031-8949/2007/T129/069

Niranjan R. S., Hwang Y. K., Kim D.-K., Jhung S. H., Chang J.-S., Mulla I. S. Nanostructured tin oxide: Synthesis and gas-sensing properties. Materials Chemistry and Physics. 2005;92: 384–388. https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2005.01.050

Subramanian N. S., Santhi B., Sundareswaran S., Venkatakrishnan K. S. Studies on spray deposited SnO2, Pd:SnO2 and F:SnO2 thin films for gas sensor applications. Synthesis and Reactivity in Inorganic, Metal-Organic, and Nano-Metal Chemistry. 2006;36: 131–135. https://doi.org/10.1080/15533170500478883

Tonkikh A. A., Zakharov N. D., Eisenschmidt C., Leipner H. S., Werner P. Aperiodic SiSn/Si multilayers for thermoelectric applications. Journal of Crystal Growth. 2014;392: 49–51. http://doi.org/10.1016/j.jcrysgro.2014.01.047

Arthur J. R. Molecular beam epitaxy. Surface Science. 2002;500(1-3):189–217. https://doi.org/10.1016/S0039-6028(01)01525-4

Wang T., Prakash A., Warner E., Gladfelter W. L., Jalan B. Molecular beam epitaxy growth of SnO2 using a tin chemical precursor. Journal of Vacuum Science & Technology A. 2015;33(2): 020606-1-4. http://doi.org/10.1116/1.4913294

Rosental A., Tarre A., Gerst A., … Uustare T. Epitaxial single and double nanolayers of SnO2 and TiO2 for resistive gas sensors. IEEE Sensors Journal. 2013;13(5): 1648–1655. https://doi.org/10.1109/JSEN.2013.2238227

Gangwar A. K., Godiwal R., Jaiswal J., … Singh P. Magnetron configurations dependent surface properties of SnO2 thin films deposited by sputtering process. Vacuum. 2020;177: 109353-1-9. https://doi.org/10.1016/j.vacuum.2020.109353

Nguyen T. T., Dang H. P., Luc Q. H., Le T. Studying the influence of deposition temperature and nitrogen contents on the structural, optical, and electrical properties of N-doped SnO2 films prepared by direct current magnetron sputtering. Ceramics International. 2019;45: 9147–9156. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2019.01.255

Domashevskaya E. P., Chuvenkova O. A., Ryabtsev S. V., …Turishchev S. Yu. Electronic structure of undoped and doped SnOx nanolayers. Thin Solid Films. 2013;537(30): 137–144. https://doi.org/10.1016/j.tsf.2013.03.051

Brown F. C., Rustgi O. P. Extreme ultraviolet transmission of crystalline and amorphous silicon. Physical Review Letters. 1972;28: 497–500. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.28.497

Barranco A., Yubero F., Espinos J. P., Groening P., Gonzalez-Elipe A. R. Electronic state characterization of SiOx thin films prepared by evaporation. Journal of Applied Physics. 2005;97: 113714. https://doi.org/10.1063/1.1927278

Turishchev S. Yu., Parinova E. V., Pisliaruk A. K., … Sivakov V. Surface deep profile synchrotron studies of mechanically modified top-down silicon nanowires array using ultrasoft X-ray absorption near edge structure spectroscopy. Scientific Reports. 2019;9(8066): 1–7. https://doi.org/10.1038/s41598-019-44555-y

Koyuda D. A., Titova S. S., Tsurikova U. A., … Turishchev S. Yu. Composition and electronic structure of porous silicon nanoparticles after oxidation under air- or freeze-drying conditions. Materials Letters. 2022;312: 131608-1-3. https://doi.org/10.1016/j.matlet.2021.131608

Ming T., Turishchev S., Schleusener A., … Sivakov V. Silicon suboxides as driving force for efficient light-enhanced hydrogen generation on silicon nanowires. Small. 2021;19: 2007650-1-6. https://doi.org/10.1002/smll.202007650

Kucheyev S., Baumann T. F., Sterne P. A., … Willey T. M. Surface electronic states in three-dimensional SnO2 nanostructures. Physical Review B. 2005;72(3): 035404-1-5. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.72.035404

Sharma A., Varshney M., Shin H. J., Chae K. H., Won S. O. X-ray absorption spectroscopy investigations on electronic structure and luminescence properties of Eu:SnO2-SnO nanocomposites. Current Applied Physics. 2016;16: 1342–1348. http://dx.doi.org/10.1016/j.cap.2016.08.005

Chuvenkova O. A., Domashevskaya E. P., Ryabtsev S. V., … Turishchev S. Yu. XANES and XPS investigations of surface defects in wire like SnO2 crystals. Physics of the Solid State. 2015;57(1): 153–161. https://doi.org/10.1134/s1063783415010072

Manyakin M. D., Kurganskii S. I., Dubrovskii O. I., … Turishchev S. Yu. Electronic and atomic structure studies of tin oxide layers using X-ray absorption near edge structure spectroscopy data modelling. Materials Science in Semiconductor Processing. 2019; 99: 28–33. https://doi.org/10.1016/j.mssp.2019.04.006

Domashevskaya E. P., Yurakov Yu. A., Ryabtsev S. V., Chuvenkova O. A., Kashkarov V. M., Turishchev S. Yu. Synchrotron investigations of the initial stage of tin nanolayers oxidation. Journal of Electron Spectroscopy and Related Phenomena. 2007;156–158: 340–343. httpa://doi.org/10.1016/j.elspec.2006.11.042

Stohr J. NEXAFS spectroscopy. Berin: Springer; 1996. 403 p.

Fedoseenko S. I., Iossifov I. E., Gorovikov S. A., … Kaindl G. Development and present status of the Russian–German soft X-ray beamline at BESSY II. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. 2001;470: 84–88. https://doi.org/10.1016/S0168-9002(01)01032-4

Lebedev A. M., Menshikov K. A., Nazin V. G., Stankevich V. G., Tsetlin M. B., Chumakov R. G. NanoPES photoelectron beamline of the Kurchatov Synchrotron Radiation Source. Journal of Surface Investigation: X-ray, Synchrotron and Neutron Techniques. 2021;15: 1039–1044. https://doi.org/10.1134/S1027451021050335

Kasrai M., Lennard W. N., Brunner R. W., Bancroft G. M., Bardwell J. A., Tan K. H.Sampling depth of total electron and fluorescence measurements in Si L- and K-edge absorption spectroscopy. Applied Surface Science. 1 996; 99: 303–312. https://doiorg/10.1016/0169-4332(96)00454-0

Erbil A., Cargill III G. S., Frahm R., Boehme R. F. Total-electron-yield current measurements for near-surface extended x-ray-absorption fine structure. Physical Review B. 1988;37: 2450–2464. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.37.2450