Известия Саратовского университета.

Новая серия. Серия Физика

ISSN 1817-3020 (Print)
ISSN 2542-193X (Online)

Для цитирования:

Козловский А. В., Стецюра С. В. Особенности формирования органического полиэлектролитного слоя на освещаемой полупроводниковой подложке // Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия: Физика. 2022. Т. 22, вып. 3. С. 254-265. DOI: 10.18500/1817-3020-2022-22-3-254-265, EDN: GVYHEC

Статья опубликована на условиях лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International (CC-BY 4.0).
Опубликована онлайн: 
30.09.2022
Полный текст в формате PDF(Ru):
скачать
(загрузок: 329)
Язык публикации: 
русский
Рубрика: 
Нанотехнологии, наноматериалы и метаматериалы
Тип статьи: 
Научная статья
УДК: 
620.3
DOI: 
10.18500/1817-3020-2022-22-3-254-265
EDN: 
GVYHEC

Особенности формирования органического полиэлектролитного слоя на освещаемой полупроводниковой подложке

Авторы: 
Козловский Александр Валерьевич, Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н. Г. Чернышевского
Стецюра Светлана Викторовна, Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н. Г. Чернышевского
Аннотация: 

Представлены результаты исследования процессов, происходящих при формировании гибридной структуры Si/SiO2/полиэтиленимин в условиях фотостимуляции полупроводниковой подложки при адсорбции на неё полиэтиленимина. Целью работы являлось определение закономерностей формирования органического полиэлектролитного слоя на освещаемой полупроводниковой подложке и описание электронных процессов в гибридной структуре, ответственных за параметры полученного покрытия. Особенностью применяемого подхода был учет изменения зарядового состояния границ структуры Si/SiO2/полиэтиленимин за счет освещения и учет влияния заряда уже иммобилизованных полиэлектролитных молекул. Таким образом, в разработанной модели фотостимулированной адсорбции полиэлектролитов на полупроводник учтено взаимовлияние подложки и адсорбированного слоя, что нашло отражение в расчете кинетики адсорбции полиэтиленимина на полупроводниковую подложку Si/SiO2. Для верификации модели при расчетах использовались экспериментально полученные значения поверхностного потенциала на каждом из этапов создания гибридной структуры. Получена зависимость изменения толщины покрытия из полиэлектролитных молекул, осажденного на поверхности подложек p-Si и n-Si от времени фотостимулированного осаждения. Показано, что с увеличением времени освещения во время адсорбции уменьшение толщины слоя полиэтиленимина происходит по экспоненциальному закону. Результат объяснен одновременным протеканием процессов фотогенерации носителей заряда, их дрейфа в слой SiO2 под действием электрического поля катионных молекул, а также характеристическими временами этих процессов. Наблюдаемые экспериментально сглаживание рельефа слоя полиэтиленимина и уменьшение его эффективной толщины при фотостимулированной адсорбции на фоточувствительную полупроводниковую подложку соответствуют модельным представлениям о зависимости толщины полиэлектролитного покрытия от эффективного заряда на поверхности подложки. Результаты исследования полезны для понимания механизмов и закономерностей формирования органического полиэлектролитного слоя на освещаемой полупроводниковой подложке и способствуют совершенствованию технологий создания функциональных слоев гибридных структур «полупроводник – органическое покрытие».

Ключевые слова: 
кремний
полиэлектролит
фотостимулированная абсорбция
процессы токопереноса и перезарядки электронных состояний
Благодарности: 
Работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда (проект № 22-22-00194), https://rscf.ru/project/22-22-00194/.
Список источников: 
  1. Poghossian A., Schöning M. J. Nanomaterial-Modified Capacitive Field-Effect Biosensors // Label-Free Biosensing / eds. M. J. Schoning, A. Poghossian. Germany, Cham : Springer. 2017. P. 1–25. (Vol. 16. 262 Научный отдел A. В. Козловский, С. В. Стецюра. Особенности формирования органического полиэлектролитного слоя Series on Chemical Sensors and Biosensors.) https://doi.org/10.1007/5346_2017_2
  2. Castillo M. L., Ugur A., Sojoudi H., Nakamura N., Liu Z., Lin F., Brandt R., Buonassisi T., Reeja-Jayan B., Gleason K. Organic passivation of silicon through multifunctional polymeric interfaces // Solar Energy Materials & Solar Cells. 2017. Vol. 160. P. 470–475. https://doi.org/10.1016/j.solmat.2016.10.050
  3. Ибадуллаева С. Ж., Аппазов Н. О., Тараховский Ю. С., Замятина Е. А., Фомкина М. Г., Ким Ю. А. Амперометрические мультиферментные биосенсоры : разработки и применение (краткий обзор) // Биофизика. 2019. Т. 64, № 5. С. 869–882. https://doi.org/10.1134/S0006302919050065
  4. Жуков А. Е., Моисеев Э. И., Надточий А. М., Драгунова А. C., Крыжановская Н. В., Кулагина М. М., Можаров А. М., Кадинская С. А., Симчук О. И., Зубов Ф. И., Максимов М. В. Лазерная генерация перенесенных на кремний инжекционных микродисков с квантовыми точками InAs/InGaAs/GaAs // Письма в ЖТФ. 2020. T. 46, вып. 16. С. 3–6. https://doi.org/10.21883/PJT~F.2020.16.49844.18354
  5. Decher G. Fuzzy Nanoassemblies : Toward Layered Polymeric Multi-composites // Science. 1997. Vol. 277, iss. 5330. P. 1232–1237. https://doi.org/10.1126/science.277.5330.1232
  6. Dobrynin A. V., Rubinstein M. Theory of polyelectrolytes in solutions and at surfaces // Prog. Polym. Sci. 2005. Vol. 30, iss. 11. P. 1049–1118. https://doi.org/10.1016/j.progpolymsci.2005.07.006
  7. Dobrynin A. V., Deshkovski A., Rubinstein M. Adsorption of Polyelectro-lytes at an Oppositely Charged Surface // Phys. Rev. Lett. 2000. Vol. 84, iss. 14. P. 3101–3104. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.84.3101
  8. De Carvalho S. J., Metzler R., Cherstvy A. G. Critical adsorption of poly-electrolytes onto planar and convex highly charged surfaces : The nonlin-ear Poisson– Boltzmann approach // New J. Phys. 2016. Vol. 18. Article number 083037 (17 p.). https://doi.org/10.1088/1367-2630/18/8/083037
  9. Meyer W. L., Liu Y., Shi X.-W., Yang X., Bentley W. E., Payne G. F. Chitosan-Coated Wires : Conferring electrical properties to chitosan fibers // Biomacromolecules. 2009. Vol. 10, № 4. P. 858–864. https://doi.org/10.1021/bm801364h
  10. Zhao N., Shi F., Wang Z., Zhang X. Combining Layerby-Layer Assembly with electrodeposition of silver aggregates for fabricating superhydrophobic surfaces // Langmuir. 2005. Vol. 21, № 10. P. 4713–4716. https://doi.org/10.1021/la0469194
  11. Маляр И. В., Santer S., Стецюра С. В. Влияние освещения на параметры полимерного покрытия, осаждаемого из раствора на полупроводниковую подложку // Письма в ЖТФ. 2013. Т. 39, вып. 14. С. 69–76.
  12. Malyar I. V., Gorin D. A., Santer S., Stetsyura S. V. Photocon-trolled Adsorption of Polyelectrolyte Molecules on a Silicon Substrate // Langmuir. 2013. Vol. 29, iss. 52. P. 16058–16065. https://doi.org/10.1021/la403838n
  13. Бару В. Г., Волькенштейн Ф. Ф. Влияние облучения на поверхностные свойства полупроводников. М. : Наука, 1978. 288 с.
  14. Волков И. Л., Базлов Н. В., Бондаренко А. С., Вывенко О. Ф., Касьяненко Н. А. Разработка способа нековалентной фиксации ДНК на поверхности монокристалла кремния // Вестник Санкт-Петербургского ун-та. Серия 4. Физика. Химия. 2009. Вып. 3. С. 45–51.
  15. Волков И. Л., Базлов Н. В., Бондаренко А. С., Вывенко О. Ф. Касьяненко Н. А. Cветоиндуцированная нековалентная фиксация днк и синтетических полиионов на поверхности монокристаллов кремния // Журнал структурной химии. 2009. Т. 50, № 5. С. 999– 1006.
  16. Тхюи М. Д., Михаленко И. И. Фотостимулированная адсорбция пиридина на диоксиде титана с Ag+, Cu+2 , Au+3 // Физическая химия поверхностных явлений и адсорбции : труды III научной конференции. Иваново, Плес : Изд-во Иван. гос. хим.-технол. унта, 2012. С. 56–58. URL: https://www.isuct.ru/nhit/fkh/files/2012.pdf (дата обращения: 30.04.2022).
  17. Wu C., Poghossian A., Bronder T. S., Schöning M. J. Sensing of double-stranded DNA molecules by their intrinsic molecular charge using the light-addressable potentiometric sensor // Sensors and Actuators B : Chemical. 2016. Vol. 229. P. 506–512. https://doi.org/10.1016/j.snb.2016.02.004
  18. Маляр И. В., Стецюра С. В. Влияние освещения на конформацию полиэлектролитных молекул при адсорбции на полупроводниковую подложку // Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия : Физика. 2014. Т. 14, вып. 2. С. 49–52. https://doi.org/10.18500/1817-3020-2014-14-2-49-52
  19. Симаков В. В., Синёв И. В., Смирнов А. В., Осыко И. Д., Гребенников А. И. Влияние паров воды и освещения на проводимость тонких пленок диоксида олова при комнатной температуре // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов : сборник статей. Тверь : Изд-во Тверского ун-та, 2017. Вып. 9. С. 449–454.
  20. Ding J., McAvoy T. J., Cavicchi R. I., Semancik S. Surface state trapping models for SnO2-based microhotplate sensors // Sensors and Actuators B : Chemical. 2001. Vol. 77, iss. 3. P. 597–613. https://doi.org/10.1016/S0925-4005(01)00765-1
  21. Sousa M. A. M., Siqueira J. R., Vercik A., Schöning M. J., Oliveira O. N. Determining the optimized layer-bylayer film architecture with dendrimer/carbon nanotubes for field-effect sensors // IEEE Sensors Journal. 2017. Vol. 17, № 6. P. 1735–1740. https://doi.org/10.1109/JSEN.2017.2653238
  22. Demoz A., Verpoorte E. M. J., Harrison D. J. An equivalent circuit model of ion-selective membrane| insulator|semiconductor interfaces used for chemical sensors // Journal of Electroanalytical Chemistry. 1995. Vol. 389, iss. 1–2. P. 71–78. https://doi.org/10.1016/0022-0728(95)03836-6
  23. Chang C. Y., Kang B. S., Wang H. T., Ren F., Wang Y. L., Pearton S. J., Dennis D. M., Johnson J. W., Rajagopal P., Roberts J. C., Piner E. L., Linthicum K. J. CO2 detection using polyethylenimine/starch functionalized AlGaN/ GaN high electron mobility transistors // Applied Physics Letters. 2008. Vol. 92, iss. 23. Article number 232102 (3 p.). https://doi.org/10.1063/1.2937126
  24. Gorin D. A., Yashchenok A. M., Manturov A. O., Kolesnikova T. A., Möhwald H. Effect of Layer-byLayer Electrostatic Assemblies on the Surface Potential and Current Voltage Characteristic of Metal-InsulatorSemiconductor Structures // Langmuir. 2009. Vol. 25, iss. 21. P. 12529–12534. https://doi.org/10.1021/la901379d
  25. Garrett C. G. B., Brattain W. H. Physical theory of semiconductor surface // Physical Review. 1955. Vol. 99, iss. 2. P. 376–387. https://doi.org/10.1103/PhysRev.99.376
  26. Ржанов А. В. Электронные процессы на поверхности полупроводников. М. : Наука, 2001. 480 с.
  27. Пека Г. П. Физика поверхности полупроводников. Киев : Изд-во Киев. ун-та, 1997. 190 с.
  28. Стецюра С. В., Козловский А. В. Влияние фотоэлектронных процессов в полупроводниковой подложке на адсорбцию поликатионных и полианионных молекул // Письма в ЖТФ. 2017. Т. 43, вып. 6. С. 15–22. https://doi.org/10.21883/PJTF.2017.06.44399.16510
  29. Mizsei J. Ultra-thin Insulator Covered Silicon : Potential Barriers and Tunnel currents // Solid-State Electron. 2002. Vol. 46, iss. 2. P. 235–241. https://doi.org/10.1016/S0038-1101(01)00300-8
  30. Шалимова К. В. Физика полупроводников. СПб. : Лань, 2010. 400 с.
  31. Богатыренко В. В. Метод измерения скорости поверхностной рекомбинации в кремниевых пластинах по их тепловому излучению // Физика и техника полупроводников. 2010. Т. 44, вып. 3. С. 409–412.
  32. Sze S. M. Physics of Semiconductor Devices. 2nd ed. New York : Wiley, 1981. 880 p.
Поступила в редакцию: 
10.05.2022
Принята к публикации: 
20.06.2022
Опубликована: 
30.09.2022
  • 997 просмотров