Fabricación de películas delgadas de SrGe2 en sustratos Ge (100), (110) y (111)
Resumen
Digermanida de estroncio semiconductor (SrGe 2 ) tiene un gran coeficiente de absorción en la región de la luz del infrarrojo cercano y se espera que sea útil para las células solares multifuncionales. Este estudio demuestra en primer lugar la formación de SrGe 2 películas delgadas a través de una epitaxia de deposición reactiva sobre sustratos de Ge. La morfología de crecimiento de SrGe 2 cambió drásticamente dependiendo de la temperatura de crecimiento (300-700 ° C) y la orientación del cristal del sustrato de Ge. Logramos obtener SrGe 2 de orientación única utilizando un sustrato Ge (110) a 500 ° C. El desarrollo sobre sustratos de vidrio o Si conducirá a la aplicación de SrGe 2 a células solares de película fina de alta eficiencia.
Antecedentes
Los siliciuros alcalinotérreos se han investigado ampliamente debido a sus funciones útiles para muchas aplicaciones tecnológicas como las células solares [1, 2, 3], termoeléctricas [4, 5, 6] y optoelectrónica [7, 8, 9]. Sin embargo, el estudio de los germanidos no ha sido activo en comparación con el de los siliciuros a pesar de que algunos estudios han predicho propiedades eléctricas y ópticas interesantes para los germanuros [10,11,12,13,14,15,16].
SrGe 2 es uno de los germanuros alcalinotérreos. Estudios teóricos y experimentales de SrGe 2 a granel han revelado las siguientes propiedades [12,13,14,15,16]:(i) un BaSi 2 -tipo estructura (ortorrómbica, grupo espacial:\ ({D} _ {2h} ^ {16} - Pnma \), no. 62, Z =8), (ii) un semiconductor de transición indirecta con una banda prohibida de aproximadamente 0,82 eV, y (iii) un coeficiente de absorción de 7,8 × 10 5 cm −1 al fotón de 1,5 eV, que es más alto que el de Ge (4,5 × 10 5 cm −1 a 1,5 eV de fotones). Estas propiedades significan que SrGe 2 es un material ideal para su uso en la celda inferior de las celdas solares en tándem de alta eficiencia. Por lo tanto, la fabricación de un SrGe 2 Una película delgada sobre sustratos arbitrarios permitiría que las células solares en tándem de película delgada logren simultáneamente una alta eficiencia de conversión y un bajo costo de proceso.
Fabricamos BaSi 2 de película delgada , que tiene la misma estructura que SrGe 2 , en sustratos de Si (111) y Si (001) utilizando un método de dos pasos:un BaSi 2 La capa de plantilla se formó mediante epitaxia de deposición reactiva (RDE), que es una deposición de Ba con sustratos de Si calentados, seguida de epitaxia de haz molecular (MBE) [17, 18]. Esto dio como resultado BaSi 2 de alta calidad (100) orientado películas delgadas con una larga vida útil de los portadores minoritarios [19, 20], lo que da lugar a una gran longitud de difusión de los portadores minoritarios [21] y una alta fotorrespuesta a 1,55 eV [22]. La célula solar de heterounión con p-BaSi 2 La estructura de / n-Si permitió una eficiencia de conversión del 9,9%, el valor más alto jamás informado para los siliciuros semiconductores [23]. Estos impresionantes resultados en BaSi 2 películas delgadas y las atractivas propiedades de SrGe 2 a granel nos motivó fuertemente a fabricar SrGe 2 películas delgadas.
El método de dos pasos que consiste en RDE y MBE para formar BaSi 2 películas delgadas sobre sustratos de Si es aplicable a la fabricación de SrGe 2 películas delgadas sobre sustratos de Ge porque estos materiales tienen la misma estructura cristalina [14]. En este estudio, intentamos formar SrGe 2 en sustratos Ge (100), (110) y (111) usando RDE para explorar la posibilidad de SrGe 2 formación de película delgada.
Experimental
Un sistema de epitaxia de haz molecular (presión base, 5 × 10 −7 Pa) equipado con una celda Knudsen estándar para Sr y una fuente de evaporación de haz de electrones para Si se utilizaron en esta investigación. Sr se depositó sobre sustratos Ge (100), (110) y (111) donde la temperatura del sustrato ( T sub ) osciló entre 300 y 700 ° C. Antes de la deposición, el sustrato de Ge se limpió usando una solución de HF al 1,5% durante 2 min y una solución de HCl al 7% durante 5 min. La velocidad de deposición y el tiempo de Sr fueron, respectivamente, 0,7 nm / min y 120 min para Ge (001), 1,4 nm / min y 30 min para Ge (011) y 1,3 nm / min y 60 min para Ge (111). . La tasa de deposición varió dependiendo de la cantidad de fuente de Sr porque la temperatura de la celda Knudsen se fijó en 380 ° C. Después de eso, se depositó Si amorfo de 5 nm de espesor a temperatura ambiente para proteger la capa de RDE de la oxidación porque los compuestos de Sr-Ge se oxidan fácilmente con el aire. La cristalinidad de la muestra se evaluó mediante difracción de electrones de alta energía por reflexión (RHEED) y difracción de rayos X (XRD; Rigaku Smart Lab) con radiación Cu Kα. Además, la morfología de la superficie se observó mediante microscopía electrónica de barrido (SEM; Hitachi SU-8020) y microscopía electrónica de transmisión (TEM; FEI Tecnai Osiris) operados a 200 kV, equipados con un espectrómetro de rayos X de dispersión de energía (EDX), y un sistema de microscopía electrónica de transmisión de barrido de campo oscuro anular de alto ángulo (HAADF-STEM) con un diámetro de sonda de ~ 1 nm.
Resultados y discusión
La Figura 1 muestra RHEED y θ –2 θ Patrones XRD de las muestras después de la deposición de Sr. Para todas las muestras, se observaron patrones RHEED rayados o manchados después de la deposición de Sr, lo que implica el crecimiento epitaxial de los compuestos de Sr-Ge. Para las muestras con un sustrato Ge (100), los picos de Sr 5 Ge 3 aparecer para todas las T sub (Figura 1a − e). Además, aparecen picos de SrGe para T sub =600 y 700 ° C (Fig. 1d, e). Solo la muestra con T sub =300 ° C exhibe el pico de SrGe 2 (Fig. 1a), el material objetivo en este estudio. La Figura 1a muestra que la muestra con T sub =300 ° C contiene preferentemente SrGe 2 orientado a [100] y Sr 5 orientado a [220] Ge 3 . El pico derivado del sustrato, Ge (200), es más notable para una T más alta sub . Este comportamiento está relacionado con la cobertura de la superficie de los compuestos de Sr – Ge sobre el sustrato, como se muestra en la Fig. 2. Para las muestras con un sustrato de Ge (110), no hay picos distintos a los de SrGe 2 (411) y el sustrato Ge se observan para T sub =300-600 ° C (figura 1f − i). El pico de SrGe 2 (411) exhibe la mayor intensidad para T sub =500 ° C (Fig. 1h), lo que sugiere que la muestra con T sub =500 ° C contiene SrGe 2 de composición única con orientación alta [411]. Para las muestras con un sustrato Ge (111), los picos de SrGe 2 aparecer para todas las T sub (Figura 1k − o). Las muestras con T sub =300, 400, 500 y 700 ° C exhiben [110] -orientado SrGe 2 (Fig. 1k – m, o), mientras que SrGe 2 picos para T sub =300 y 400 ° C son bastante amplios. Las muestras con T sub =500 y 600 ° C exhiben SrGe 2 multiorientado (Figura 1m, n). Además, el pequeño pico de Sr 5 Ge 3 (220) aparece para T sub =400, 500 y 700 ° C (Fig. 1l, m, o). Por lo tanto, la morfología de crecimiento de los compuestos de Sr – Ge en un sustrato de Ge cambia drásticamente según la temperatura de crecimiento y la orientación de los cristales del sustrato. Es probable que este comportamiento esté relacionado con la energía superficial del sustrato de Ge dependiendo de la orientación del cristal [24] y el equilibrio de la tasa de suministro de átomos de Ge del sustrato y las tasas de evaporación de los átomos de Sr de la superficie de la muestra.
RHEED y θ –2 θ Patrones XRD de las muestras después de la deposición de Sr. La orientación del cristal del sustrato Ge es a - e (100), f - j (110) y k - o (111). T sub varía de 300 a 700 ° C para cada sustrato. Los picos correspondientes a SrGe 2 están resaltados en rojo
Imágenes SEM de las muestras después de la deposición de Sr. La orientación del cristal del sustrato Ge es a - e (100), f - j , (110) y k - o (111). T sub varía de 300 a 700 ° C para cada sustrato. Las flechas en cada imagen muestran las direcciones de los cristales de los sustratos de Ge
La Figura 2 muestra imágenes SEM de las superficies de la muestra. Se ve que los sustratos están cubiertos principalmente por compuestos de Sr − Ge para T sub =300 ° C (Fig. 2a, f, k). Para T sub =400, 500 y 600 ° C, podemos observar los patrones únicos que reflejan la orientación cristalina de los sustratos, es decir, simetría doble para Ge (100) (Fig. 2b − d), simetría uníptica para Ge (110) ( Fig. 2g − i) y simetría triple para Ge (111) (Fig. 2l − n). Estos patrones también se pueden ver para siliciuros en sustratos de Si [1, 25] y aseguran el crecimiento epitaxial de compuestos de Sr-Ge en los sustratos de Ge. Las muestras con T sub =700 ° C exhiben patrones de puntos, lo que sugiere que los átomos de Sr migraron rápidamente y / o se evaporaron debido a la alta T sub . Estos resultados de SEM explican los patrones RHEED rayados o manchados en la Fig. 1. Por lo tanto, logramos obtener SrGe 2 de orientación única usando un sustrato Ge (110) con T sub =500 ° C, mientras que para los sustratos Ge (100) y Ge (111), SrGe 2 de orientación múltiple u otros compuestos de Sr – Ge.
Evaluamos la estructura transversal detallada de la muestra con un sustrato Ge (110) y T sub =500 ° C. Para prevenir la oxidación de SrGe 2 , se depositó una capa de Si amorfo de 100 nm de espesor sobre la superficie de la muestra. La imagen HAADF-STEM en la Fig. 3a y el mapeo EDX en la Fig. 3b muestran que el compuesto Sr-Ge se forma en casi toda la superficie del sustrato Ge. La imagen HAADF-STEM ampliada en la Fig. 3c muestra que el compuesto Sr-Ge excava en el sustrato Ge, que es una característica típica del crecimiento de RDE [17, 18]. El perfil de composición elemental en la Fig. 3d muestra que Sr y Ge existen con una composición de 1:2. Los resultados de las Figs. 1 y 3 confirman la formación de SrGe 2 cristales.
Caracterización HAADF-STEM y EDX del SrGe 2 película delgada crecida sobre el sustrato Ge (110) a 500 ° C. un Imagen HAADF-STEM. b Mapa elemental EDX de la región que se muestra en el panel a . c Imagen HAADF-STEM ampliada. d Perfil de composición elemental obtenido mediante una medición de barrido de línea STEM-EDX a lo largo de la flecha en el panel ( c )
La imagen TEM de campo claro en la Fig. 4a y las imágenes TEM de campo oscuro en la Fig. 4b, c muestran que mientras SrGe 2 crece epitaxialmente sobre el sustrato Ge, tiene dos orientaciones en la dirección en el plano. La imagen de celosía en la Fig. 4d muestra claramente dos SrGe 2 cristales (A y B) y un límite de grano entre ellos. El patrón de difracción de área seleccionada (SAED) en la Fig. 4e muestra patrones de difracción correspondientes a dos SrGe 2 cristales (A y B). La Figura 4d, e también muestra que el plano Ge (111) y el SrGe 2 (220) planos son paralelos en cada cristal. Estos resultados sugieren que el SrGe 2 los cristales A y B crecieron epitaxialmente desde el plano Ge (111) del sustrato y luego chocaron entre sí. No se encontraron defectos, como dislocaciones o fallas de apilamiento, en el SrGe 2 además del límite de grano. Por lo tanto, SrGe 2 de alta calidad Los cristales se obtuvieron con éxito mediante el crecimiento de RDE en un sustrato de Ge (110).
Caracterización TEM del SrGe 2 película delgada crecida sobre el sustrato Ge (110) a 500 ° C. un Imagen TEM de campo claro. b , c Imágenes TEM de campo oscuro usando SrGe 2 {220} Reflexión del plano que se muestra en cada patrón de difracción. d Imagen de celosía de alta resolución que muestra SrGe 2 cristales. e Patrón SAED que muestra el SrGe 2 Eje de zona 〈113〉, tomado de la región que incluye SrGe 2 cristales y el sustrato Ge
Conclusiones
Formamos con éxito películas delgadas de SrGe 2 a través del crecimiento de RDE en sustratos de Ge. La morfología de crecimiento de SrGe 2 cambió drásticamente dependiendo de la temperatura de crecimiento y la orientación de los cristales del sustrato de Ge. Aunque SrGe 2 de orientación múltiple u otros compuestos de Sr – Ge se obtuvieron para los sustratos de Ge (100) y Ge (111), logramos obtener SrGe 2 de orientación simple utilizando un sustrato de Ge (110) a una temperatura de crecimiento de 500 ° C. La microscopía electrónica de transmisión reveló que el SrGe 2 La película delgada sobre el sustrato Ge (110) no tuvo dislocación en la interfaz del sustrato. Por lo tanto, demostramos que SrGe 2 de alta calidad se pueden producir películas delgadas. En la actualidad, estamos investigando la caracterización del SrGe 2 películas delgadas y su desarrollo sobre sustratos de vidrio y Si para la aplicación de SrGe 2 a capas de absorción de luz infrarroja cercana de células solares multifuncionales.
Abreviaturas
- EDX:
-
Espectrómetro de rayos X de dispersión de energía
- HAADF-STEM:
-
Microscopía electrónica de transmisión de barrido de campo oscuro anular de alto ángulo
- MBE:
-
Epitaxia de haz molecular
- RDE:
-
Epitaxia de deposición reactiva
- RHEED:
-
Difracción de electrones de alta energía por reflexión
- SEM:
-
Microscopía electrónica de barrido
- TEM:
-
Microscopía electrónica de transmisión
- T sub :
-
Temperatura del sustrato
- XRD:
-
Difracción de rayos X
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