Herstellung und Optimierung von Typ II Silizium-Clathrat-Schichten

Wir präsentieren ein Protokoll zur Synthese von Silizium-Clathratfilmen vom Typ II mit zwei thermischen und außerirdischen Filmen, die kein Handschuhfach benötigen. Dieser Ansatz ist fortschrittlich und kosteneffizient. Derzeit stellen einige Labore Silizium-Clathratfilme her.

Unser Ziel ist es, die einfache Herstellungsmethode mit der wissenschaftlichen Gemeinschaft zu teilen und dabei die Einhaltung aller festgelegten experimentellen Sicherheitsmaßnahmen zu betonen. Beginnen Sie damit, das Siliziumsubstrat genau zwei Minuten lang in eine 10%-Flusssäurelösung einzutauchen, um das natürliche Siliziumdioxid auf der Substratoberfläche zu entfernen. Nach der Exposition gegenüber Flusssäure wird das Siliziumsubstrat gründlich mit deionisiertem Wasser gespült, um eventuelle Restsäuren zu entfernen.

Mit einer Stickstoffpistole wird das Substrat geföhnt, um verbleibende Wassertropfen zu entfernen und Oberflächenrückstände zu vermeiden. Mit einem Schneider schneidet man vorsichtig ein Stück metallisches Natrium, um eine kleine rechteckige Scheibe von etwa 0,22 Gramm zu erhalten. Geben Sie die Natriumscheibe sofort in einen luftdichten Glasbehälter mit wasserfreiem Cyclohexan.

Stellen Sie sicher, dass das Natrium vollständig in das Cyclohexan eingetaucht ist, um Oxidation zu verhindern. Legen Sie nun die zuvor vorbereitete Natriumscheibe in ein gereinigtes Kanallegierungsboot. Dann positioniere du den Siliziumwafer direkt über der Natriumscheibe mit der polierten Oberfläche nach unten zum Boot ausgerichtet.

Führen Sie die vorbereitete Baugruppe vorsichtig in die Mitte eines versiegelten Edelstahlrohrs und einer O-Ring-Dichtung ein, die sich in einem programmierbaren horizontalen Rohrofen befindet. Führen Sie einen hochreinen Tantaldraht mit einem Durchmesser von 0,5 Millimetern, einer Länge von 3,4 Zentimetern und einer Reinheit von 99,95 % in das Rohr, um Spurensauerstoff aufzunehmen. Dichten Sie beide Enden des Edelstahlrohrs mit Verschraubungen ab, die nur die Zirkulation von Argon ermöglichen.

Reinigen Sie das versiegelte Rohr mit Argon bei einem konstanten Druck von 1,6 bar für 15 Minuten, um während der gesamten Reaktion eine träge Atmosphäre herzustellen. Dann erhöhen Sie die Temperatur des Ofens mit einer Steigerrate von fünf Grad Celsius pro Minute, bis sie 600 Grad Celsius erreicht, und halten sie 19 Stunden lang. Wenn Ofen und Rohr wieder auf Zimmertemperatur abgekühlt sind, spülen Sie das System mit einem kontinuierlichen Argonfluss.

Übertragen Sie die erhaltenen Proben so schnell wie möglich in ein Quarzrohr und verbinden Sie das Rohr mit einem dynamischen Vakuumofen. Nachdem Sie das Quarzrohr an das Pumpsystem angeschlossen haben, evakuieren Sie das System zunächst mit der Hauptpumpe. Dann aktivieren Sie die turbomolekulare Pumpe und pumpen weiter, bis ein Hochvakuum von fünf mal zehn mit einer Potenz von minus sieben Millibar erreicht wird.

Erhöhen Sie die Ofentemperatur über 30 Minuten auf 400 Grad Celsius und halten Sie die Temperatur für vier Stunden. Dann schalten Sie den Rohrofen aus und lassen Sie die Probe natürlich auf Raumtemperatur abkühlen. Nach dem Abkühlen entladen Sie die Probe aus dem Ofen.

Heben Sie die untere Platte an, um die Kraft allmählich zu erhöhen, bis der ausgeübte Druck etwa zwei Kilo Newton erreicht. Dann lässt du den ausgeübten Druck los. Setzen Sie die saubere Probe auf die untere Elektrode im reaktiven Ionen-Ätzsystem.

Pumpen Sie die Kammer herunter, bis ein Grunddruck von fünf mal zehn pro Potenz von minus sieben Millibar erreicht ist. Sobald der Ätzvorgang abgeschlossen ist, schalten Sie sowohl das induktiv gekoppelte Plasma als auch die Hochfrequenzversorgung ab, um das Plasma zu stoppen. Entfernen Sie alle verbleibenden Prozessgase aus der Kammer.

Dann entlüften Sie die Kammer langsam wieder auf Atmosphärendruck. Schließlich entferne die geätzte Probe aus der Kammer. Das Röntgenbeugungsmuster bestätigte die Bildung der Typ-2-Silizium-Clathrat-Phase sowohl in den gepressten als auch in den gepressten Ätzproben mit scharfen Spitzen, die dem ICDD-010895534 entsprechen, und schwachen Reflexionen, die auf das Vorhandensein einer kleinen Sekundärphase des Typ-1-Siliziumtuchs hinweisen.

Nach der Radierung blieben die Spitzenpositionen unverändert, zeigten jedoch eine leichte Abnahme der Intensität. Die Raman-Spektroskopie zeigte, dass sowohl gepresste als auch gepresste Randproben charakteristische Spitzen bei 185, 290 und 460 inverse Zentimeter aufwiesen, die den SI-20- und SI-28-Käfigen in der Typ-2-Klatratstruktur entsprechen. Fotolumineszenzmessungen zeigten ein breites Emissionsband von 1,75 Elektronenvolt in sowohl gepressten als auch in gepressten Ätzproben, was mit der quasi-direkten Bandlücke halbleitender Silizium-Clathrate übereinstimmt; SEM-Aufnahmen von oben auf die gepresste Probe zeigten eine glattere Oberfläche mit deutlich reduzierten Korngrenzen, während Querschnittsaufnahmen eine verbesserte Filmdichte und strukturelle Konnektivität zeigten.

Nach der SF6-Trockenradierung zeigten SEM-Top-View-Bilder eine Übergang zu einer strukturierten Oberflächenmorphologie, und Querschnittsbilder bestätigten Veränderungen in der Oberflächenstruktur im Vergleich zum ungeätzten Film. Wir fertigten erfolgreich Typ-2-Silizium-Clathratfilme her und verbesserten deren Eigenschaften durch zwei postsynthetisierte Regime: thermisches Pressen und reaktives Ionenätzverfahren. Wir verwendeten verschiedene Charakterisierungstechniken, darunter XRD und Jam-Spektroskopie, um die erfolgreiche Bildung der Clathrate und der Leitungsfilme zu bestätigen.

Wir sind der Ansicht, dass diese Arbeit ein eigener Stein für die weitere Anwendung von Silizium-Clathraten in der Halbleitertechnologie ist.