Спектромикроскопические исследования пористого оксида кремния на кремнии с использованием синхротронного излучения

Аннотация

Работа посвящена микроскопическим синхротронным исследованиям морфологии, атомного и электронного строения массива пор субмикронного размера в слое SiO₂ на кремнии,  cформированного с использованием ионно-трековой технологии в комбинации с последующим за облучением химическим травлением. Методом исследования являлась фотоэмиссионная электронная микроскопия с использованием синхротронного излучения высокой интенсивности. Метод использовался в двух режимах. Использование химически селективной электронной
микроскопии позволило получить морфологическую информацию об изучаемом массиве пор. Рентгеноспектральный режим спектроскопии ближней тонкой структуры края синхротронного излучения рентгеновского диапазона позволил получить информацию о специфике локального окружения атомов заданного сорта от микроскопических областей нанометровых и субмикронных участков полученных микроскопических изображений. Поры имеют достаточно резкие границы, без переходного слоя. Дном пор является подложка - кристаллический кремний, покрытый естественным оксидом, толщина которого составляет величины около 2-3 нм. Облучение ионами и
химическое травление не оказывают существенного влияния на структурно-фазовые характеристики пористой матрицы оксида кремния. Не наблюдается существенного разупорядочения в кремнии, доступном на дне отдельных пор. Технологические загрязнения отсутствуют. Показана эффективность использования ионно-трековой технологии в комбинации с последующим за облучением химическим травлением для формирования массивов обособленных пор близких размеров субмикронного диапазона. Полученные результаты демонстрируют эффективность в применении метода фотоэмиссионной электронной микроскопии с использованием синхротронного излучения
высокой интенсивности для изучения с высокой точностью и в микроскопическом масштабе широкого ряда объектов композитной структурно-фазовой природы поверхности.

ЛИТЕРАТУРА

1. Sinha D., Petrov A., Fink D., Fahrner W. R., Hoppe K., and Chandra A. Tempos structures with gold nanoclusters. Radiation Effects and Defects in Solids. 2004;159(8–9): 517–533. DOI:
   https://doi.org/10.1080/10420150412331304187
2. Kaniukov E. Yu., Ustarroz J., Yakimchuk D. V., Petrova M., Terryn H., Sivakov V., Petrov A. V. Tunable nanoporous silicon oxide templates by swift heavy ion tracks technology. Nanotechnology. 2016;27(11): 115305. DOI: https://doi.org/10.1088/0957-4484/27/11/115305
3. Ivanou D. K., Streltsov Е. A., Fedotov A. K., Mazanik A. V., Fink D., Petrov A. Electrochemical deposition of PbSe and CdTe nanoparticles onto p-Si(100) wafers and into nanopores in SiO₂/Si(100) structure. Thin Solid Films. 2005;490(2): 154–160. DOI: https://doi.org/10.1016/j.tsf.2005.04.046
4. Ivanova Yu. A., Ivanou D. K., Fedotov A. K., Streltsov Е. A., Demyanov S. E., Petrov A. V., Kaniukov E. Yu., Fink D. Electrochemical deposition of Ni and Cu onto monocrystalline n-Si(100) wafers and into nanopores in Si/SiO2 template J. Materials Science. 2007;42(22): 9163–9169. DOI: https://doi.org/10.1007/s10853-007-1926-x
5. Fink D., Alegaonkar P. S., Petrov A. V., Wilhelm M., Szimkowiak P., Behar M., Sinha D., Fahrner W. R., Hoppe K., Chadderton L. T. Electrochemical deposition of Ni and Cu onto monocrystalline n-Si(100) wafers and into nanopores in Si/SiO₂ template. Nucl. Instr. Meth B. 2005;236(1–4): 11–20. DOI: https://doi.org/10.1016/j.nimb.2005.03.243
6. Mosier-Boss P. Review of SERS substrates for chemical sensing. Nanomaterials. 2017;7(6): 142. DOI: https://doi.org/10.3390/nano7060142
7. Jahn M., Patze S., Hidi I. J., Knipper R., Radu A. I., Muhlig A., Yuksel S., Peksa V., Weber K., Mayerhofer T., Cialla-May D., Popp J. Plasmonic nanostructures for surface enhanced spectroscopic methods. Analyst. 2016;141(3): 756–793. DOI: https://doi.org/10.1039/c5an02057c
8. Turishchev S. Yu., Parinova E. V., Pisliaruk A. K., Koyuda D. A., Yermukhamed D., Ming T., Ovsyannikov R., Smirnov D., Makarova A., Sivakov V. Surface deep profile synchrotron studies of mechanically modifi ed top-down silicon nanowires array using ultrasoft X-ray absorption near edge structure spectroscopy. Scientifi c Reports. 2019;9(1): 8066. DOI: https:// doi.org/10.1038/s41598-019-44555-y
9. Liu L., Sham T. K. The effect of thermal oxidation on the luminescence properties of nanostructured silicon. Small. 2012;8(15): 2371–2380. DOI: https://doi.org/10.1002/smll.201200175
10. Barranco A., Yubero F., Espinos J.P., Groening P., Gonzalez-Elipe A. R. Electronic state characterization of SiOx thin fi lms prepared by evaporation. J. Appl. Phys. 2005;97(11): 113714. DOI: https://doi.org/10.1063/1.1927278
11. Паринова Е. В., Федотов А. К., Коюда Д. А., Федотова Ю. А., Стрельцов Е. А., Малащенок Н. В., Ovsyannikov R., Турищев С. Ю. Изучение особенностей формирования композитных структур на основе столбиков никеля в матрице диоксида кремния с помощью синхротронных XANES исследований в режиме регистрации выхода электронов или фотонов. Конденсированные среды и межфазные границы. 2019;21(1): 116–125. DOI: https://doi.org/10.17308/kcmf.2019.21/726
12. Kleineberg U., Haindl G., Hutten A., Reiss G., Gullikson E.M., Jones M.S., Mrowka S., Rekawa S. B., Underwood J. H. Microcharacterization of the surfaceoxidation of Py/Cu multilayers by scanning X-ray absorption spectromicroscopy. Appl. Phys. A. 2001;73(4): 515–519. DOI: https://doi.org/10.1007/s003390100801
13. Шмаль Г., Рудольф Д. Рентгеновская оптика и микроскопия. Пер. с англ. М.: Мир: 1987. 464 с.
14. Polishchuk I., Bracha A. A., Bloch L., Levy D., Kozachkevich S., Etinger-Geller Y., Kauffmann Y., Burghammer M., Giacobbe C., Villanova J., Hendler G., Chang-Yu Sun, Giuffre A. J., Marcus M. A., Kundanati L., Zaslansky P., Pugno N. M., Gilbert G. P., Katsman A., Pokroy B. Coherently aligned nanoparticles within a biogenic single crystal: a biological prestressing strategy. Science. 2017;358(6368): 1294–1298. DOI: https://doi.org/10.1126/science.aaj2156
15. Kalegowda Y., Chan Y-L., Wei D-H., Harmer S. L. X-PEEM, XPS and ToF-SIMS characterisation of xanthate induced chalcopyrite fl otation: Effect of pulp potential. Surface Science. 2015;635: 70–77. DOI: https://doi.org/10.1016/j.susc.2014.12.012
16. Турищев С. Ю., Паринова Е. В., Кронаст Ф., Овсянников Р., Малащенок Н. В., Стрельцов Е. А., Иванов Д. К., Федотов А. К. Фотоэмиссионная электронная микроскопия массивов субмикронных столбиков никеля в матрице диоксида кремния. ФТТ. 2014;56(9): 1851–1860. DOI: https://doi.org/10.1134/S1063783414090297
17. Турищев С. Ю., Паринова Е. В., Федотова Ю. А., Мазаник А. В., Федотов А. К., Апель П. Ю. Характеризация массивов субмикронных столбиков никеля в матрице диоксида кремния микроскопическими методами. Конденсированные среды и межфазные границы. 2013;15(1): 54–58. Режим доступа: https://journals.vsu.ru/kcmf/article/view/878
18. Kasrai M., Lennard W. N., Brunner R. W., Bancroft G. M., Bardwell J. A., Tan K. H. Sampling depth of total electron and fl uorescence measurements in Si L- and K-edge absorption spectroscopy. Appl. Surf. Science. 1996;99(4): 303–312. DOI: https://doi.org/10.1016/0169-4332(96)00454-0
19. Зимкина Т. М., Фомичев В. А. Ультрамягкая рентгеновская спектроскопия. Ленинград: Изд-во ЛГУ; 1971. 132 c.
20. Stohr J. NEXAFS Spectroscopy. Berlin: Springer, 1992. 403 p. DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-662-02853-7
21. Brown F. C., Rustgi O. P., Extreme ultraviolet transmission of crystalline and amorphous silicon. Phys. Rev. Let. 1972;28(8): 497–500. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.28.497
22. Turishchev S. Yu., Terekhov V. A., Parinova E. V., Korolik O. V., Mazanik A. V., Fedotov A. K. Surface modifi cation and oxidation of Si wafers after low energy plasma treatment in hydrogen, helium and argon. Materials Science in Semiconductor Processing. 2013;16(6): 1377–1381. DOI: https://doi.org/10.1016/j.mssp.2013.04.020
23. Domashevskaya E. P., Terekhov V. A., Turishchev S. Yu., Khoviv D. A., Parinova E. V., Skryshevskii V. A., Gavril’chenko I. V. Peculiarities of electron-energy structure of surface layers of porous silicon formed on p-type substrates. Inorganic Materials. 2012;48(14): 1291–1297. DOI: https://doi.org/10.1134/S0020168512140063