Химия и химические технологии/ 7.Неорганическая химия

 

Замараева Н.В., Чуфаров А.Ю., Ермаков А.Н., проф. д.х.н. Маскаева Л.Н., проф. д.х.н. Марков В.Ф.

Уральский Федеральный Университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина, Россия

Формирование и исследование сэндвич-структур (CdSe−PbSe)n

 

Особая роль на сегодня среди большого разнообразия  полупроводниковых материалов для оптоэлектроники и сенсорной техники отводится пленкам твердых растворов замещения на основе селенидов свинца и кадмия, направленный синтез которых позволит обеспечить более высокую эффективность тепловизионной техники, повысить ее устойчивость и снизить цены как на российском, так и на мировом рынках.

Большое количество российских и зарубежных работ, посвященных получению и исследованию фотоэлектрических свойств пленок селенидов свинца и кадмия, позволяет судить о том, что возможности гидрохимического синтеза слоев CdSe, PbSe и твердых растворов на их основе изучены недостаточно.

Одним из перспективных методов получения твердых растворов замещения халькогенидов металлов является формирование сэндвич-структур с последующей их термосенсибилизацией.

В связи с актуальностью и высокой практической значимостью создания новых детекторов для среднего ИК-диапазона спектра на основе селенидов кадмия и свинца целью настоящей работы являлось формирование, исследование структуры и морфологии сэндвич-структур на основе послойно гидрохимически осажденных PbSe и CdSe.

Химическое осаждение индивидуальных слоев PbSedSe) проводили при 353 K в течение 30−90 минут пленок из реакционной смеси, включающей ацетат свинца (хлорид кадмия), цитрат натрия, гидроксид аммония, селеномочевину и сульфит натрия. В результате были получены зеркальные с хорошей адгезией к ситалловой подложке слои PbSe серого цвета и CdSe от светло до красно-коричневого с ровной, однородной и блестящей поверхностью. Толщина полученных пленок варьировалась в зависимости от состава ванны 0,15-0,90 мкм (PbSe) и 0,2-0,3  мкм (СdSe).

 Путем поочередного осаждения пленок PbSe и CdSe были получены многослойные сэндвич-структуры с числом слоев индивидуальных селенидов  от двух до четырех:

двухслойные − CdSePbSe и PbSeCdSe;

четырехслойные − CdSePbSeCdSePbSe;

шестислойные − CdSePbSeCdSePbSeCdSePbSe.

Как видно из приведенных составов сэндвич-структур, первым и последним слоем выступал либо CdSe, либо PbSe.

Для изучения торцевой поверхности сэндвич-структуры в работе впервые был применен метод фазового контраста с использованием растровой электронной микроскопии. Скол исследуемой сэндвич-структуры совмещался планарными поверхностями с аналогично подготовленными торцевыми поверхностями слоев сравнения (PbSe и CdSe) и устанавливался в специальный держатель. Как показали результаты эксперимента, относительно четкая картина, иллюстрирующая особенности строения тонких пленок, наблюдается в интервале увеличений 20000-50000 в режиме суммарного (ВЕS) или композиционного (BEC) фазового контраста.  Особенности строения торцевой поверхности сэндвич-структур (CdSe-PbSe)2 (а) и (CdSe-PbSe)3 (б), толщина которых изменяется от ~1.5 до ~1.9 мкм в зависимости от числа слоев, представлены на (рис. 1).

Поверхность торца ситалловой подложки СТ–150–1 в режиме фазового контраста фиксируется в виде темного поля, достаточно четко отделенного по градации серого от исследуемых слоев. Граница внешней поверхности пленки, как правило, выглядит в виде неровности и хорошо различима на темном фоне.

 

Рис. 1. Торцевые поверхности сэндвич-структур (CdSe-PbSe)2 (а) и (CdSe-PbSe)3 (б)

 

Метод фазового контраста позволил обнаружить наличие уже в процессе синтеза твердых растворов замещения PbхCd1−хSe на межфазовой границе селенидов свинца и кадмия. Для этого использованы возможности построения псевдотрехмерного изображения в пакете ScanMaster для фиксации уровня градации серого по координате z при помощи комплекта построителей профилей, т.е. построение профиля по линии, пересекающей всю толщину пленки с обязательным захватом наиболее темных участков (пространство за планарной поверхностью) как для исследуемой сэндвич-структуры, так и для пленок сравнения PbSе и CdSe. Сэндвич-структуры (CdSe-PbSe)2 получены послойным химическим осаждением, длительность каждого процесса составляла 30 минут. Электронно-микроскопические изображения торцов сэндвич-структуры (CdSe-PbSe)2 (а, б), суммарная профиллограмма по линии AB в исследуемых участков (в) и гистограммы распределения средней толщины слоев CdSe и PbSe (г) приведены на рис. 2.

На профилограммах наблюдаются два дополнительных уровня градации серого, соответствующие образованию твердых растворов замещения в системе CdSePbSe. Рентгенографическое определение параметров элементарных ячеек для пленок сравнения и сэндвич-структур (CdSe-PbSe)2, позволило определить как их составы (Pb0,76Cd0,24Se и Pb0,47Cd0,53Se), так и выявить фактические области сформировавшихся твердых растворов, толщины которых соответственно составляют ~(0,15±0,03) мкм и ~(0,26±0,05) мкм. Стоит отметить, что толщины индивидуальных слоев CdSe и PbSe, которые соответственно равны 0,23 мкм и 0,46 мкм. 

PbSe

 

CdSe

 

Pb0,47Cd0,53Se

 

А

 

B

 

а

 

б

 

мкм

 

г

 
Подпись: Количество измерений

CdSe

 

А

 

PbSe

 

B

 

в

 

Pb0,76Cd0,24Se

 

А

 
zh3_1x20000     zh3_2x50000            

мкм

 
            гистограммы толщины пленки

 

Рис. 2. Электронно-микроскопические изображения торцов свежеосажденных    сэндвич-структур (PbSeCdSe)2 (а, б), суммарная профиллограмма по линии AB в исследуемых участков (в) и гистограммы распределения средней толщины слоев CdSe и PbSe (г)

 

поверхность1Исследование атомно-силовой микроскопией верхнего слоя многослойной структуры (PbSeCdSe)n с помощью зондовой микроскопии на приборе СММ 2000 позволило выявить агрегаты округлой и вытянутой формы наноразмерного характера (рис. 3), характерные селениду кадмия.

 

 

 

б

 
Рис. 3. Атомно-силовая микроскопия верхнего слоя мультислойной композиции (PbSeCdSe)n, полученной методом гидрохимического осаждения. Размер поля сканирования:

554,70 × 554,70× 81,07 нм

 

 

Таким образом, на диэлектрических подложках впервые получены многослойные сэндвич-структуры на основе пленок PbSe и CdSe с числом слоев от 2-х до 6-ти, толщина которых изменяется в зависимости от числа слоев от 0,9 до 1,9 мкм.

 Впервые по фазовому контрасту при использовании туннельной и растрово-электронной микроскопии установлено формирование в свежеосажденных сэндвич-структурах (CdSePbSe)n переходных слоев, представляющих твердые растворы замещения CdxPb1−xSe, где  0,24 ≤ х ≤ 0,53. Методом атомно-силовой микроскопии выявлена наноразмерная структура верхнего слоя свежеосажденных композиций (PbSeCdSe)2.