Synchrotron XANES studies of epitaxial tin-silicon solid solutions nanolayers

Николай Игоревич Бойков; Ольга Александровна Чувенкова; 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.2025.27/13201

Николай Игоревич Бойков ФГБОУ ВО «Воронежский государственный университет», Университетская пл., 1, Воронеж 394018, Российская Федерация https://orcid.org/0000-0002-0512-8666
Ольга Александровна Чувенкова ФГБОУ ВО «Воронежский государственный университет», Университетская пл., 1, Воронеж 394018, Российская Федерация https://orcid.org/0000-0001-5701-6909
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 Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт», пл. Академика Курчатова, 1, Москва, 123182, Российская Федерация https://orcid.org/0000-0002-3737-5012
Алексей Михайлович Лебедев 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, Zellescher Weg 18, 01069 Dresden, Germany
Анна Макарова Free University of Berlin, Arnimallee 22, 14195 Berlin, 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.2025.27/13201

Ключевые слова: олово, кремний, оксиды олова и кремния, электронное строение, плотность состояний, локальное атомное окружение, состав, эпитаксиальные твердые растворы, ближняя тонкая структура краев рентгеновского поглощения, синхротронные исследования

Аннотация

Цель работы: Функциональные материалы на основе олова и кремния, тонкопленочные структуры на их основе являются перспективными для применения в приборах и устройствах микроэлектроники. Важным вопросом для изучения и последующего применения таких материалов и структур является управление свойствами при вариации технологических режимов формирования.

Экспериментальная часть: В работе методом спектроскопии ближней тонкой структуры края рентгеновского поглощения с применением синхротронного излучения исследованы специфика локального атомного окружения и особенности электронного строения твердых растворов олово-кремний. Нанослоистые структуры твердых растворов олово-кремний на буферных нанослоях кремния формировались с использованием молекулярно-лучевой эпитаксии.

Выводы: Показана возможность формирования эпитаксиального твердого раствора олово-кремний в области концентраций, значительно превышающей известные пределы растворимости Sn в Si. Перестройка локальной плотности электронных состояний олова и кремния указывает на формирование твердых растворов с концентрациями олова 2, 8 и 15 ат. %

Скачивания

Данные скачивания пока не доступны.

Биографии авторов

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)

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)

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, 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, 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, Zellescher Weg 18, 01069 Dresden, Germany

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

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

Soref R. A., Perry C. H. Predicted band gap of the new semiconductor SiGeSn. Journal Applied Physics. 1991;69: 539—548. https://doi.org/10.1063/1.347704

Moontragoon P., Ikonic Z., Harrison P. Band structure calculations of Si–Ge–Sn alloys: achieving direct band gap materials. Semiconductor Science and Technology. 2007;22: 742—748. https://doi.org/10.1088/0268— 1242/22/7/012

Massalski T. B., Okamoto H., Subramanian P. R., Kacprzak L. Binary Alloy Phase Diagrams. 2nd ed., 1990, vol.2, ASM International, Materials Park, Ohio, p. 3362.

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

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

Chuvenkova O. A., Boikov N. I., Ryabtsev S. V., … Turishchev S. Y. Electronic structure and composition of tin oxide thin epitaxial and magnetron layers according to synchrotron XANES studies. Condensed Matter and Interphases. 2024;26(1): 153–160. https://doi.org/10.17308/kcmf.2024.26/11897

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

Stohr J. NEXAFS spectroscopy. Berlin: Springer: 1996. 403 p.

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

Ming T., Turishchev S., Schleusener A., … Sivakov V. Silicon suboxides as driving force for efficient light-enhanced hydrogen generation on silicon nanowires. Small. 2021;17(8): 2007650-1-6. https://doi.org/10.1002/smll.202007650

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

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. 1996;99: 303–312. https://doi.org/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

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. ttps://doi.org/10.1063/1.1927278