多孔碳化硅表面化學(xué)翻譯

1、多孔碳化硅表面化學(xué)摘要關(guān)于SiC的陽極氧化反應(yīng)可以在氫氟酸溶液中反應(yīng)方案可以使之朝多孔碳 化硅（PSC）層發(fā)展。然而，從PSC的發(fā)光行為上看，沒有看到多孔硅在所謂的藍(lán) 移上是不同的。盡管量子限制效應(yīng)認(rèn)為是多孔碳化硅負(fù)責(zé)發(fā)光，但是PSC的表面狀態(tài)是起著重要的作用。在各種氣氛下的退火溫度對發(fā)光性能的影響進(jìn)行了研 究。采用光譜分析來闡明PSC的表面化學(xué)。PSC的表面,這似乎是一個發(fā)光的起 源，由C-H終止但Si-H和Si-O鍵均沒有發(fā)現(xiàn)。x射線光電子能譜分析還表明, 通常存在于表面Si-O鍵的大部分SiC低谷和高峰分配在-CH -上出現(xiàn)。Si-O鍵的 氧化處理使得PSC的表面凹陷發(fā)光。其他兩個熱處理

2、也普遍的PL光譜的高能量區(qū)域，這是由于交替從表面上的 C-H鍵的C-C o關(guān)鍵詞：發(fā)冷光多孔碳化硅X射線光電子能譜學(xué)盡管大量的研究表明，多孔硅在室溫下具有很強的可見光發(fā)射效應(yīng)，但對發(fā) 光機制沒有明確的解釋。這種發(fā)光歸因于量子限制效應(yīng)（QCE）納米晶的表面效果，1,2或3。最近，在嚴(yán)格的電致發(fā)光（EL ）和photolumines熒光（PL） 已經(jīng)被一些authors4 -6報道多孔碳化硅制備電化學(xué)陽極氧化法與多孔硅相似。 在SiC的陽極氧化處理中，反應(yīng)的第一階段是由SiO2的形成。氧化反應(yīng)發(fā)生是由于在碳化硅/電解質(zhì)溶液界面供應(yīng)孔的SiC o二氧化硅與HF.7進(jìn)一步的反應(yīng)使 多孔碳化硅（PSC）

3、層成為發(fā)展潮流，而在宏觀尺度上表面的整體輪廓是一樣的。 然而，PSC的發(fā)光行為稍微不同與 SiC發(fā)射光的能量，是小于帶隙的 SiC，這 是所謂的藍(lán)移是觀察不到的。雖然 QCE是負(fù)責(zé)發(fā)光，但PSC的表面狀態(tài)也發(fā) 揮了重要的作用?？邓固苟≈Z夫等人報道PL在氧化氣氛下退火淬火的 PSC o這對我們的PL和EL樣品在在空氣中600 C進(jìn)行熱退火30分鐘，也可以觀察到 發(fā)光并猝滅。通過在氧化氣相色譜分析，我們得出的結(jié)論是，陽極氧化膜表面 PSC應(yīng)富 含碳的組成，最外層的碳必須由 H原子終止。確定PSC的表面鍵合狀態(tài)，無論 是Si-H鍵的觀察和Si-O-Si鍵，都是用紅外（IR）進(jìn)行吸收分析。這一結(jié)果表

4、明H原子附加到C在PSC表面形成CH2和CH3。這與我們的預(yù)期基于氣相色 譜法的結(jié)果一致。然而，由于PSC層的透光率較低，其表面結(jié)構(gòu)不能準(zhǔn)確測定紅外吸收。在 這項研究工作中，光電子光譜分析是通過PSC氧化氣氛下退火內(nèi)部的表面化學(xué)。實驗部分陽極氧化處理時進(jìn)行了紫外線（UV）照射在電流密度，范圍從 20到120 mA/cm2，在氫氟酸（HF:乙醇：H 20 = 1:2:1）用20-0分鐘解決方案是有效的， 可用n型6H-SiC單晶的艾奇遜法生長方法。熱退火在空氣（氧化），Ar，N2氣氛下影響或改變了表面的PSC。氧化導(dǎo) 致一個白色的表面和其他表面到一個退火黑暗。所有的樣品的加熱到200 C和冷卻均

5、用30 min，除了樣品退火在1800。c外。實驗所有的樣品在空氣或氮氣或 氬氣的氣氛下在加熱和冷卻退火時間都是 30分鐘。PL測量用光柵單色儀以1200線/毫米，焦距為3 / 4米，用一個85赫茲的 連續(xù)激發(fā)氦鎘激光光子能量為 3.81電子伏特的斬波頻率的正常鎖定技術(shù)。激光 的功率為120兆瓦，0.5毫米直徑的光斑尺寸。XPS使用的是市面上的島津的奎 托斯軸，在分析室的壓力為8 Pa和10 -Mg Ka輻射的順序（1253.6 eV ）使用。 通過光電子的能量探測器保持傳遞能量為 20 eV的掃描。通過X射線光電子能 譜（XPS）分析，所有的樣品去除表面污染是氬離子蝕刻完成的。結(jié)果與討論x射

6、線光電子光譜，只確定材料表面的結(jié)合狀態(tài) （如晶體信息獲得的XPSpat-terns對應(yīng)XPS衰減長度（I 0 200nm）,它是一個理想的干凈分析特點，并令 碳化硅晶體表面，即把薄污染覆蓋物 （ 100nm）,得到單晶碳化硅和陽極氧化膜 PSC表面是不同的，結(jié)晶碳化硅和 PSC是碳?xì)滏I（-CH2 -，285 eV）顯示一個 強大的峰值與si-C鍵（283.3 eV）在C1s PSC樣本的光譜相似。兩個極板的面孔（SiC（0001）和（0001）C ），Si顯示不同的石墨化底物和氧 化行為，在這個實驗中使用的基質(zhì)是c軸方向以及陽極化的方向也是c軸。然而, 由于表面的多孔結(jié)構(gòu)，PSC并不局限于一個

7、方向是隨機的方向。從結(jié)果前面所 提到的,大多數(shù)的表面是由碳原子和氫原子氫鍵。H氫的C原子可以在第二層表面上以這樣一種方式作為頂層硅層的 C-H。PSC呈現(xiàn)出較強的PL并沒有重現(xiàn)性好。大多數(shù) PSC樣本顯示，在2.7和 2.2 eV的兩個發(fā)光帶，與半高全寬（FWHM ）約0.7 eV的擬合高斯curves.12 PL 帶和在2.7 eV的帶，因為多孔納米結(jié)構(gòu)的擴(kuò)大，使內(nèi)在的 PL因為N摻雜和發(fā)光效率的提高。在較低的溫度下，所有樣品，包括原來的基板在 2.6 eV呈現(xiàn)相 對尖銳的發(fā)光帶，另一個高能量的發(fā)光帶在3 eV也觀察到類似于分配給非晶SiC 薄膜的CVD發(fā)射。通過在空氣中退火，PL強度大大降

8、低PSC的表面氧化，如圖1c所示，能 量PL帶越高，這是大多數(shù)作為陽極氧化的 PSC，變得比較低的能帶所以弱得多。 退火后的樣品在600 C在空氣從金黃色到白色。在 700 C進(jìn)一步退火后，樣品 PL完全失去了 PL。對氧化樣品的Si 2pXPS光譜所示圖1 b與相應(yīng)的PL光譜。更高的能量的 峰值是由Si-O鍵和略高于其價值轉(zhuǎn)移（103.6 eV ）的二氧化硅。本測試樣品的 C 1s譜是代表顯示肩約285電子伏特，但沒有與熱退火如圖1a的明顯變化。這 表面含有Si-O鍵按下發(fā)光但峰的位置并沒有太大變化與氧化。29028528025275 :亠-亠 _ -二上+*J巴 i :*二Tioe 106

9、 1CM 102100 9S 96aWnF :W)圖1 XPS和通過在空氣中退火氧化 PSC的PL光譜：（a）XPS C 1s，（ b）Si 2p，（c）PL三個退火溫度下的 PL光譜雖然硅表面上生長的內(nèi)在的腦脊液（CSF ）的熱氧化，在芯區(qū)仍然是碳化硅。退火后的樣品在600 C主要是由J-微晶和部分含有SiO2的表面上，這是由X射線衍射（XRD）證實的氧化自由站立的PSC層分析。C-H峰逐漸在氧化PSC更高的能量，這化學(xué)位移似乎是由氧原子在C原子的誘導(dǎo)，可以使這更穩(wěn)定的化學(xué)狀態(tài)。在700 C退火，在Si2p譜Si-C峰（圖1b）減少這么多的Si-0峰成為主導(dǎo)。 表面主要由二氧化硅和相應(yīng)的發(fā)光

10、強度下降。考慮到這一事實，如果納米SiC是被二氧化硅覆蓋，它就會失去它的作用。探討了引入02或N2熱表面過渡（n摻雜SiC），熱退火在氬氣氣氛下進(jìn) 行。圖2顯示了相關(guān)的XPS掃描C 1s退火后的樣品在1800，1000，和600 C Ar氣氛下和相應(yīng)的熒光光譜。C 1s的XPS光譜的PSC，圖2a，清楚地表明， 石墨峰隨退火溫度提高其強度。表面變得幾乎覆蓋石墨退火時，在1800 C氬氣氣氛下。眾所周知，Si （G）是主要的氣相物種的熱力學(xué)平衡與 SiC（S）在升高的 溫度下。眾所周知，少量2C和SiC2分子蒸發(fā)。氧化不退火在Ar中發(fā)生的，這 是由高能量峰值出現(xiàn)在Si 2p的光譜圖，這三個樣品如

11、圖2b所示。在600 C Ar退火后表面變得富碳，由C 1s和Si-C XPS峰相對強度表示在 圖2a。表面也變得有點黑，但表面仍然主要是 SiC。一個四貧SiC型結(jié)構(gòu)是可 能的但是，從蒸汽壓數(shù)據(jù)來看，Si在600 C退火后表面上的損耗可以忽略不計。微觀結(jié)構(gòu)沒有一個30分鐘的退火在1000 C變化，但表面變成石墨豐富。 在C的濃度變化對表面的增加是由于表面石墨化。預(yù)計四耗損的1000 C退火引起的范圍超過5的SiC表面層。此外，在最高溫度1800 C，PSC的結(jié)構(gòu)倒塌 和晶粒生長發(fā)生改變整個組織從納米到微米的順序是由掃描電鏡觀察證實，其中的樣品的表面變成了黑色，覆蓋著一層厚厚的石墨層肉眼可見。

12、圖2c所示的PL光譜類似氧化樣品但低能量帶的相對較強。高能量帶被認(rèn) 為是從事實上它消失與表面狀態(tài)變化的PSC的表面相關(guān)的。低能量帶進(jìn)一步移動到較低的能量，這可以歸因于一個 PL的起源。幾乎相同的PL光譜可以通過 SiC在AR是由熱激活或產(chǎn)生輻射躍遷中心引起的帶隙內(nèi)的散熱退火得到的。由于高能量的發(fā)光的尾巴持續(xù)到 3 eV，這PL光譜是由那些從PSC和散裝。在 1000 C,光譜主要是低能量波段和 PSC衍生物似乎消失了。在最高溫度 1800 C，PL譜完全消失。最后，熱退火在N2氣氛下的想法是，N為SiC摻雜不改變Si-O鍵。圖3a 顯示了 XPS C 1s譜退火的樣品在400，600，和800

13、 C在N2氣氛下。沒有證據(jù)表明Si - N鍵的硅氮化物在內(nèi)部，在光電子能譜（XPS）和彩色的 退火后的樣品變成黑色。他在不同的C-C和Si-C之間的化學(xué)位移可在600 c所 示，約為1 eV。這是接近的C-C的預(yù)期值（284.2 eV ）的Si-C 0.9 eV的差異， 此差異超過2 eV的Ar退火后。在800 C退火樣品，C 1 S并沒有表現(xiàn)出明顯的 分割和多峰被認(rèn)為是C-C混合少許Si-C鍵。295290285280275tinOr-ffl0V)TQ6 1041Q210098152 IS311pho伽 eneray (evjta4n| 9fwrf i圖2。XPS和Ar氣氛中退火的PSC的PL光譜：(a) XPS Si 2p ,(b) C 1s ,(c) PL三退火溫度的光譜圖發(fā)光強度隨退火溫度和不移峰也不是一個新的帶觀察，圖3B。結(jié)果表明,表面碳鍵狀態(tài)從C-H C-C交替導(dǎo)致發(fā)光強度降低(n B) b可匸書一295290285280275binding energy (eV)1.8 2 2,2 2,4 2.6 2.8 3 3*2 3 4 phot on energy (eV)亠si?WUSEb圖3。 XPS和N2氣氛中退火的PSC的PL譜:(一) XPS