Індукована оловом кристалiзацiя аморфного кремнiю при iмпульсному лазерному опромiненнi

Автор(и)

  • V. B. Neimash Institute of Physics, Nat. Acad. of Sci. of Ukraine
  • V. Melnyk Institute of Physics, Nat. Acad. of Sci. of Ukraine
  • L. L. Fedorenko V.E. Lashkaryov Institute of Semiconductor Physics, Nat. Acad. of Sci. of Ukraine
  • P. Ye. Shepelyavyi V.E. Lashkaryov Institute of Semiconductor Physics, Nat. Acad. of Sci. of Ukraine
  • V. V. Strilchuk V.E. Lashkaryov Institute of Semiconductor Physics, Nat. Acad. of Sci. of Ukraine
  • A. S. Nikolenko V.E. Lashkaryov Institute of Semiconductor Physics, Nat. Acad. of Sci. of Ukraine
  • M. V. Isaiev Taras Shevchenko National University of Kyiv, Faculty of Physics
  • A. G. Kuzmych Taras Shevchenko National University of Kyiv, Faculty of Physics

DOI:

https://doi.org/10.15407/ujpe62.09.0806

Ключові слова:

сонячнi елементи, тонкi плiвки, нанокристали, кремнiй, олово, металом iндукована кристалiзацiя

Анотація

Методом комбiнацiйного розсiювання свiтла дослiджено процеси iндукованої оловом кристалiзацiї аморфного кремнiю в тонкоплiвкових структурах Si–Sn–Si пiд дiєю рiзних видiв iмпульсного лазерного опромiнення. Експериментально визначено та проаналiзовано залежностi розмiрiв та концентрацiї нанокристалiв Si вiд потужностi лазерних iмпульсiв тривалiстю 10 нс та 150 мкс з довжиною хвилi 535 нм та 1070 нм. Показано можливiсть ефективної iндукованої оловом трансформацiї кремнiю iз аморфної фази в кристалiчну за час порядку 10 нс в шарах a–Si товщиною 200 нм пiд дiєю iмпульсу лазерного свiтла. Теоретичний розрахунок просторового i часового розподiлу температур в зонi дiї лазерного променя використано для iнтерпретацiї експериментальних результатiв.

Посилання

M.C. Beard, J.M. Luther, A.J. Nozik. The promise and challenge of nanostructured solar cells. Nature Nanotechn. 9, 951 (2014).

https://doi.org/10.1038/nnano.2014.292

Z.I. Alferov, V.M. Andreev, V.D. Rumyantsev. Solar photovoltaics: Trends and prospects. Semiconductors 38, 899 (2004).

https://doi.org/10.1134/1.1787110

B. Yan, G. Yue, X. Xu, J. Yang, S. Guha. High efficiency amorphous and nanocrystalline silicon solar cells. Phys. Status Solidi B 207, 671 (2010).

https://doi.org/10.1002/pssa.200982886

N.S. Lewis. Toward cost-effective solar energy use. Science 315, 798 (2007).

https://doi.org/10.1126/science.1137014

R. Søndergaard, M. H¨osel, D. Angmo, T.T. Larsen-Olsen, F.C. Krebs. Roll-to-roll fabrication of polymer solar cells. Mater. Today 15, 36 (2012).

https://doi.org/10.1016/S1369-7021(12)70019-6

M. Birkholz, B. Selle, E. Conrad, K. Lips, W. Fuhs. Evolution of structure in thin microcrystalline silicon films grown by electron-cyclotron resonance chemical vapor deposition. J. Appl. Phys. 88, 4376 (2000).

https://doi.org/10.1063/1.1289783

B. Rech, T. Roschek, J. M¨uller, S. Wieder, H. Wagner. Amorphous and microcrystalline silicon solar cells prepared at high deposition rates using RF (13.56 MHz) plasma excitation frequencies. Sol. Energy Mater. Sol. Cells 66, 267 (2001).

https://doi.org/10.1016/S0927-0248(00)00183-5

M.K. van Veen, C.H.M. van der Werf, R.E.I. Schropp. Tandem solar cells deposited using hot-wire chemical vapor deposition. J. Non. Cryst. Solids 338–340, 655 (2004).

https://doi.org/10.1016/j.jnoncrysol.2004.03.071

Y. Mai, S. Klein, R. Carius, H. Stiebig, L. Houben, X. Geng, F. Finger. Improvement of open circuit voltage in micro-crystalline silicon solar cells using hot wire buffer layers. J. Non. Cryst. Solids 352, 1859 (2006).

https://doi.org/10.1016/j.jnoncrysol.2005.11.116

H. Li, R.H. Franken, R.L. Stolk, C.H.M. van der Werf, J.K. Rath, R.E.I. Schropp. Controlling the quality of nanocrystalline silicon made by hot-wire chemical vapor deposition by using a reverse H2 profiling technique. J. Non. Cryst. Solids 354, 2087 (2008).

https://doi.org/10.1016/j.jnoncrysol.2007.10.046

R. Amrani, F. Pichot, L. Chahed, Y. Cuminal. Amorphous-nanocrystalline transition in silicon thin films obtained by argon diluted silane PECVD. Cryst. Struct. Theory Appl. 1, 57 (2012).

https://doi.org/10.4236/csta.2012.13011

G. Fugallo, A. Mattoni. Thermally induced recrystallization of textured hydrogenated nanocrystalline silicon. Phys. Rev. B 89, 045301 (2014).

https://doi.org/10.1103/PhysRevB.89.045301

O. Nast, A.J. Hartmann. Influence of interface and Al structure on layer exchange during aluminum-induced crystallization of amorphous silicon. J. Appl. Phys. 88, 716 (2000).

https://doi.org/10.1063/1.373727

M. Jeon, C. Jeong, K. Kamisako. Tin induced crystallisation of hydrogenated amorphous silicon thin films. Mater. Sci. Technol. 26, 875 (2010).

https://doi.org/10.1179/026708309X12454008169500

M.A. Mohiddon, M.G. Krishna. Growth and optical properties of Sn–Si nanocomposite thin films. J. Mater. Sci. 47, 6972 (2012).

https://doi.org/10.1007/s10853-012-6647-0

D. Van Gestel, I. Gordon, J. Poortmans. Aluminuminduced crystallization for thin-film polycrystalline silicon solar cells: Achievements and perspective. Sol. Energy Mater. Sol. Cells 119, 261 (2013).

https://doi.org/10.1016/j.solmat.2013.08.014

A. Mohiddon, G. Krishna. Metal induced crystallization. in Crystallization – Science and Technology, edited by A. Marcello (InTech, 2012), p. 461 [ISBN: 978-953-51-0757-6].

https://doi.org/10.5772/50064

V.V. Voitovych, V.B. Neimash, N.N. Krasko, A.G. Kolosiuk, V.Y. Povarchuk, R.M. Rudenko, V.A. Makara, R.V. Petrunya, V.O. Juhimchuk, V.V. Strelchuk. The effect of Sn impurity on the optical and structural properties of thin silicon films. Semiconductors 45, 1281 (2011).

https://doi.org/10.1134/S1063782611100253

V.B. Neimash, V.M. Poroshin, A.M. Kabaldin, V.O. Yukhymchuk, P.E. Shepelyavyi, V.A. Makara, S.Y. Larkin. Paper abstract microstructure of thin Si–Sn composite films. Ukr. J. Phys. 58, 865 (2013).

https://doi.org/10.15407/ujpe58.09.0865

V. Neimash, V. Poroshin, P. Shepeliavyi, V. Yukhymchuk, V. Melnyk, A. Kuzmich, V. Makara, A.O. Goushcha. Tin induced a-Si crystallization in thin films of Si–Sn alloys. J. Appl. Phys. 114, 213104 (2013).

https://doi.org/10.1063/1.4837661

V.B. Neimash, A.O. Goushcha, P.E. Shepeliavyi, V.O. Yukhymchuk, V.A. Dan'ko, V.V. Melnyk, A.G. Kuzmich.Mechanism of tin-induced crystallization in amorphous silicon. Ukr. J. Phys. 59, 1168 (2014).

https://doi.org/10.15407/ujpe59.12.1168

V.B. Neimash, A.O. Goushcha, P.Y. Shepeliavyi, V.O. Yukhymchuk, V.A. Danko, V.V. Melnyk, A.G. Kuzmich. Selfsustained cyclic tin induced crystallization of amorphous silicon. J. Mat. Res. 30, 3116 (2015).

https://doi.org/10.1557/jmr.2015.251

V. Neimash, P. Shepelyavyi, G. Dovbeshko, A.O. Goushcha, M. Isaiev, V. Melnyk, O. Didukh, A. Kuzmich. Nanocrystals growth control during laser annealing of Sn: (-Si) composites. J. Nanomater. 2016, 1 (2016).

https://doi.org/10.1155/2016/7920238

H. Richter, Z.P. Wang, L. Ley. The one phonon Raman spectrum in microcrystalline silicon. Solid State Commun. 39, 625 (1981).

https://doi.org/10.1016/0038-1098(81)90337-9

I.H. Campbell, P.M. Fauchet. The effects of microcrystal size and shape on the one phonon Raman spectra of crystalline semiconductors. Solid State Commun. 58, 739 (1986).

https://doi.org/10.1016/0038-1098(86)90513-2

A. Hiraki. Low temperature reactions at Si/metal interfaces: What is going on at the interfaces? Surf. Sci. Reports 3 (7), 357 (1983).

https://doi.org/10.1016/0167-5729(84)90003-7

S.A. Akhmanov, V.I. Emel'yanov, N.I. Koroteev, V.N. Seminogov. Interaction of powerful laser radiation with the surfaces of semiconductors and metals: Nonlinear optical effects and nonlinear optical diagnostics. Usp. Fiz. Nauk 147, 675 (1985) (in Russian).

https://doi.org/10.3367/UFNr.0147.198512b.0675

R. Burbelo, D. Andrusenko, M. Isaiev, A. Kuzmich. Laser photoacoustic diagnostics of advanced materials with different structure and dimensions. Arch. Metall. Mater. 56, 1157 (2011).

https://doi.org/10.2478/v10172-011-0129-2

R. Burbelo, M. Isaiev, A. Kuzmich. Evolution of temperature distribution in implanted Si-based structures: Pulse mode of laser irradiation. Ukr. J. Phys. 55, 317 (2010).

M. Isaiev, V. Kuryliuk, A. Kuzmich, R. Burbelo. Photothermal transformation in heterogeneous semiconductors structures under its pulse laser irradiation: Role of electron-hole diffusion. Arch. Metall. Mater. 58, 15 (2013).

https://doi.org/10.2478/amm-2013-0173

G. Grimvall. Thermophysical Properties of Materials (The Royal Institute of Technology, 1999) [ISBN: 9780080542867].

G.K.M. Thutupalli, S.G. Tomlin. The optical properties of amorphous and crystalline silicon. J. Phys. C 10, 467 (1977).

https://doi.org/10.1088/0022-3719/10/3/017

S. Adachi, H. Mori. Optical properties of fully amorphous silicon. Phys. Rev. B 62, 10158 (2000).

https://doi.org/10.1103/PhysRevB.62.10158

D.R. Queen. The Specific Heat of Pure and Hydrogenated Amorphous Silicon (Univ. of California, 2011).

B.L. Zink, R. Pietri, F. Hellman. Thermal conductivity and specific heat of thin-film amorphous silicon. Phys. Rev. Lett. 96, 55902 (2006).

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.96.055902

S.P. Rodichkina, L.A. Osminkina, M. Isaiev, A.V. Pavlikov, A.V. Zoteev, V.A. Georgobiani, K.A Gonchar, A.N. Vasiliev, V.Y. Timoshenko. Raman diagnostics of photoinduced heating of silicon nanowires prepared by metal-assisted chemical etching. Appl. Phys. B 121, 337 (2015).

https://doi.org/10.1007/s00340-015-6233-7

M. Isaiev, O. Didukh, T. Nychyporuk, V. Timoshenko, V. Lysenko. Anisotropic heat conduction in silicon nanowire network revealed by Raman scattering. Appl. Phys. Lett. 110, 011908 (2017).

https://doi.org/10.1063/1.4973737

O. Plaksin, Y. Takeda, H. Amekura, N. Kishimoto, S. Plaksin. Saturation of nonlinear optical absorption of metalnanoparticle composites. J. Appl. Phys. 103, 114302 (2008).

https://doi.org/10.1063/1.2936833

G. Conibeer. Third-generation photovoltaics. Mater. Today 10, 42 (2007).

https://doi.org/10.1016/S1369-7021(07)70278-X

G. Conibeer, I. Perez-Wurfl, X. Hao, D. Di, D. Lin. Si solid-state quantum dot-based materials for tandem solar cells. Nanoscale Res. Lett. 7, 193 (2012).

https://doi.org/10.1186/1556-276X-7-193

V.G. Litovchenko. On some important results in semiconductor surface science obtained in Ukraine during the independence years (1991—2016). Ukr. J. Phys. 62, 80 (2017).

https://doi.org/10.15407/ujpe62.01.0080

V.G. Litovchenko, T.I. Gorbanyuk, V.S. Solntsev, A.A. Evtukh. Mechanism of hydrogen, oxygen and humidity sensing by Cu/Pd-porous silicon-silicon structures. Appl. Surf. Sci. 234, 262 (2004).

https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2004.05.146

V.G. Litovchenko, T.I. Gorbanyuk, V.S. Solntsev, A.A. Evtukh. Mechanism of hydrogen-containing and oxygen molecules sensing by Pd- and Cu/Pd-porous Si-Si structures. Appl. Surf. Sci. 234, 262 (2004).

https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2004.05.146

V. Lysenko, J. Vitiello, B. Remaki, D. Barbier, V. Skryshevsky. Nanoscale morphology dependent hydrogen coverage of meso-porous silicon. Appl. Surf. Sci. 230, 425 (2004).

https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2004.03.005

UJP 2017 V62 #9

Завантаження

Опубліковано

2018-12-13

Номер

Том 62 № 9 (2017)

Розділ

Тверде тіло

Ліцензія

Ліцензійний Договір
на використання Твору
м. Київ, Україна

Відповідальний автор та співавтори (надалі іменовані як Автор(и)) статті, яку він (вони) подають до Українського фізичного журналу, (надалі іменована як Твір) з одного боку та Інститут теоретичної фізики імені М.М. Боголюбова НАН України в особі директора (надалі – Видавець) з іншого боку уклали даний Договір про таке:

1. Предмет договору.
Автор(и) надає(ють) Видавцю безоплатно невиключні права на використання Твору (наукового, технічного або іншого характеру) на умовах, визначених цим Договором.

2. Способи використання Твору.
2.1. Автор(и) надає(ють) Видавцю право на використання Твору таким чином:
2.1.1. Використовувати Твір шляхом його видання в Українському фізичному журналі (далі – Видання) мовою оригіналу та в перекладі на англійську (погоджений Автором(ами) і Видавцем примірник Твору, прийнятого до друку, є невід’ємною частиною Ліцензійного договору).
2.1.2. Переробляти, адаптувати або іншим чином змінювати Твір за погодженням з Автором(ами).
2.1.3. Перекладати Твір у випадку, коли Твір викладений іншою мовою, ніж мова, якою передбачена публікація у Виданні.
2.2. Якщо Автор(и) виявить(лять) бажання використовувати Твір в інший спосіб, як то публікувати перекладену версію Твору (окрім випадку, зазначеного в п. 2.1.3 цього Договору); розміщувати повністю або частково в мережі Інтернет; публікувати Твір в інших, у тому числі іноземних, виданнях; включати Твір як складову частину інших збірників, антологій, енциклопедій тощо, то Автор(и) мають отримати на це письмовий дозвіл від Видавця.

3. Територія використання.
Автор(и) надає(ють) Видавцю право на використання Твору способами, зазначеними у п.п. 2.1.1–2.1.3 цього Договору, на території України, а також право на розповсюдження Твору як невід’ємної складової частини Видання на території України та інших країн шляхом передплати, продажу та безоплатної передачі третій стороні.

4. Строк, на який надаються права.
4.1. Договір є чинним з дати підписання та діє протягом усього часу функціонування Видання.

5. Застереження.
5.1. Автор(и) заявляє(ють), що:
– він/вона є автором (співавтором) Твору;
– авторські права на даний Твір не передані іншій стороні;
– даний Твір не був раніше опублікований і не буде опублікований у будь-якому іншому виданні до публікації його Видавцем (див. також п. 2.2);
– Автор(и) не порушив(ли) права інтелектуальної власності інших осіб. Якщо у Творі наведені матеріали інших осіб за виключенням випадків цитування в обсязі, виправданому науковим, інформаційним або критичним характером Твору, використання таких матеріалів здійснене Автором(ами) з дотриманням норм міжнародного законодавства і законодавства України.

6. Реквізити і підписи сторін.
Видавець: Інститут теоретичної фізики імені М.М. Боголюбова НАН України.
Адреса: м. Київ, вул. Метрологічна 14-б.
Автор: Електронний підпис від імені та за погодження всіх співавторів.

Як цитувати

Індукована оловом кристалiзацiя аморфного кремнiю при iмпульсному лазерному опромiненнi. (2018). Український фізичний журнал, 62(9), 806. https://doi.org/10.15407/ujpe62.09.0806

Статті цього автора (цих авторів), які найбільше читають