ИСТИНА

Разработка методики для асимметричного диффузионного легирования наночастиц кремния (нч-Si) со средним линейным размером в диапазоне 10 - 30 нм одновременно донорной и акцепторной примесями до содержаний в более чем 10^19 см^-3. Асимметричность подразумевает существенный линейный градиент концентрации как минимум одной из примесей, благодаря которому в области около одного из "полюсов" частицы будет преобладать донорная примесь, а у другого - акцепторная.

Modern society exercises unprecedented demand for the throughput of the datacenters and the latency of connection due to introduction of 5G mobile networks and unmanned systems. Fast data transfer is already realized with optical fiber technology, so to answer this demand one can abandon the need for electro-optical and opto-electrical transformations entirely and switch to photonic integrated circuits. Asymmetrically codoped semiconductor nanocrystals with giant electrical dipoles can be a valuable building block for metamaterials due to their anisotropy and self-assembly capabilities. To produce such particles for the first time in this Project we aim to employ unique features, accessible to silicon nanoparticles: surface passivation by heat-resistant masking oxide, possibility of selective etching of oxide in the presence of crystalline nuclei with replacement of oxide surface termination to hydride, generation of high concentrations of both electrons and holes as a result of the introduction of shallow impurities. The scientific problem that this Project is aimed at solving is the development of a method for obtaining asymmetric nanoparticles with giant dipole moment for the design of new metamaterials and positioning of particles with electric field. The particular scientific objective is to develop a methodology for asymmetric diffusion doping of silicon nanoparticles with average linear size in the range of 10 - 30 nm with donor and acceptor impurities simultaneously to concentrations of more than 10^19 cm-3. The synthesis of the material is planned to be carried out using the following steps: formation of a silicon nanoparticles/silicon oxide composite in which the surface of the silicon nanoparticles is coated with oxide on one side only; two doping annealings, the second of which will ensure a predominantly near-surface position of the respective impurity; conversion of the asymmetrically doped particles into a stable colloid with the use of an organic surfactant; purification and concentration of the product. The planned characterization of the materials includes the study of morphology with electron microscopy, the study of phase composition with X-ray and electron diffraction as well as Raman spectroscopy, the study of elemental composition with X-ray fluorescence analysis and ICP-MS, and the study of surface passivation with IR spectroscopy. Special attention will be given to proof of the possibility of control over the spatial position of impurities inside the particles with postsynthetic diffusion doping method. For this purpose it is planned to involve EDX elemental mapping with nanometer resolution, SIMS, XPS, homo- and heteronuclear COSY 2D NMR spectroscopy, as well as to develop a new unique technique for characterizing the radial distribution of impurities with subnanometer resolution with the evolution of the plasmon response during etching. In terms of functional properties it is planned to investigate second optical harmonic generation in the material, the photovoltaic effect and the dependence of IR transparency on the applied voltage for thin-film structures containing asymmetrically doped silicon nanoparticles.

2024 год 1) Впервые с помощью апмульного отжига с газообразным прекурсором будут получены сильнолегированные бором наночастицы кремния, обладающие локализованным плазмонным резонансом; 2) Впервые будет продемонстрирована возможность управления радиальным распределением примеси фосфора в наночастицах кремния при диффузионном легировании, будет установлено влияние температуры и продолжительности отжига, состава поверхности частиц на итоговое распределение примеси; 3) Впервые будет разработана методика исследования радиального распределения водородоподобных примесей в наночастицах кремния на субнанометровом масштабе по изменению положения и интенсивности локализованного плазмонного резонанса при пошаговом травлении/окислении. 4) Впервые будут определены диффузионные константы примесей бора и фосфора внутри нанокристаллов кремния; 2025 год 1) C помощью рентгеноспектрального элементного картирования впервые будет продемонстрирована возможность создания линейного градиента примеси в наночастицах диффузионным методом; 2) Впервые будут получены асимметрично совместно легированные наночастицы полупроводника, будут исследованы их оптические свойства, в том числе - генерация второй оптической гармоники; 3) Впервые будет произведено постсинтетическое легирование коллоидных квантовых точек кремния фосфором, легирование этих объектов бором будет впервые проведено из газовой фазы. 2026 год 1) Впервые будут изготовлены и охарактеризованы (с помощью электронной микроскопии и ИК-спектроскопии) асимметрично функционализированные коллоидные наночастицы кремния; 2) Впервые комбинацией растворных методов и вакуумного напыления будут изготовлены тонкоплёночные структуры прозрачный электрод/упорядоченный массив асимметрично легированных наночастиц кремния/проводящая подложка; для таких структур будет исследованы фотовольтаический эффект и ИК-поглощение при приложении напряжения.

Научной группой была разработана методика постсинтетического легирования наночастиц кремния газообразными прекурсорами примесей, такими как фосфин, элементарный фосфор, диборан. При исследовании плазмонных свойств легированных наночастиц был произведён обзор релевантных публикаций и разработана модель описания локализованного плазмонного резонанса в наночастицах кремния. Помимо этого в лаборатории была создана установка для газофазного травления наночастиц кремния и отработана методика полного удаления оксида с их поверхности. Научная группа обладает опытом конструирования вакуумных установок: к примеру, для синтеза наночастиц кремния в нетепловой плазме, для нанесения тонких плёнок газодинамическим распылением из золей. Проведены предварительные эксперименты по отжигу наночастиц кремния в парах тригалогенидов бора в проточном реакторе, свидетельствующие о перспективности этих прекурсоров примеси. Также проведены предварительные исследования единичных образцов легированных фосфором нч-Si на предмет изменения положения локализованного плазмонного резонанса при травлении HF и последующем окислении кислородом.