Badania użytkowników SOLARIS prowadzone na linii PIRX (dawniej PEEM/XAS) miały na celu poznanie właściwości defektów, które powstają w matrycy tlenku cynku implantowanej przez iterb i następnie poddawanej wyżarzaniu. Badania wykazały potencjał spektroskopii absorpcyjnej promieniowanie rentgenowskiego jako narzędzia do badania, czy rozpatrywane defekty są izolowane, czy też występują skupiska defektów. Wykazano, że obok izolowanych defektów, kompleksy donorowo-akceptorowe (mVZn-nVO) istnieją nawet w próbce pierwotnej. Ich liczba wzrasta w próbkach implantowanych i wyżarzanych, wpływając na właściwości transportowe badanych filmów. Wskazano również, że implantacja i późniejsze wygrzewanie mają istotny wpływ na natywne kompleksy defektów punktowych w ZnO.

Badania defektów

Jednym ze sposobów wpływania na właściwości materiału jest tworzenie w jego strukturze defektów, czyli aglomeratów. Takie wprowadzenie defektów do materiału może nie tylko zmienić jego strukturę elektroniczną, ale również właściwości optyczne. Dzięki lepszemu zrozumieniu procesów domieszkowania i wygrzewania możemy zwiększyć liczbę dostępnych miejsc aktywnych w badanym materiale, a tym samym bezpośrednio wpłynąć na wydajność optoelektroniczną. Odkrycia w tym obszarze prowadzą do lepszych, bardziej wydajnych urządzeń półprzewodnikowych stosowanych jako materiał zamieniający promieniowanie UV na widzialne typu down-converter w fotowoltaice.

Badania nad materiałami stosowanymi w optyce i optoelektronice prowadzili naukowcy z Warszawy, użytkownicy na linii PIRX. Wykazano, że obok pojedynczych defektów punktowych, takich jak wakancje tlenowe czy wakancje cynkowe, które często są związane z zieloną/czerwoną luminescencją, w implantowanych jonowo, a następnie wyżarzonych próbkach ZnO:Yb występują kompleksy wakansów. Kompleksy te mogą być aktywne elektrycznie i mogą znacząco modyfikować właściwości elektryczne matrycy gospodarza. Sugestię tę potwierdziły wcześniejsze pomiary Halla wskazujące, że rezystywność wyżarzonej folii ZnO:Yb o fluencji 5e15 jonów/cm² maleje o około jeden rząd wielkości w porównaniu do folii o fluencji 5e14 jonów/cm².

Wyniki badań

Użytkownicy SOLARIS wykorzystali technikę dostępną na linii PIRX, a mianowicie zmierzyli i przeanalizowali widma spektroskopii subtelnej struktury w pobliżu krawędzi absorpcji promieniowania rentgenowskiego (NEXAFS - near edge X-ray absorption fine structure) wspomnianego układu, uwzględniając efekt polaryzacji promieniowania synchrotronowego. Wyniki badań ujawniły silną polaryzację powierzchni próbki zależną od wektora polaryzacji promieniowania synchrotronowego.

O otrzymanych wynikach mówi prof. Iraida Demchenko, autor korespondencyjny publikacji:

„W niniejszej pracy badaliśmy pierwotne i epitaksjalne filmy ZnO z domieszką Yb. Analiza widm eksperymentalnych, wraz z symulacjami teoretycznymi, potwierdziła obecność kompleksów donorowo-akceptorowych (mVZn - nVO, m = 1,4; n = 1,2) w badanych próbkach. Stwierdzono również, że stan utlenienia Yb w ZnO wynosi 3+, a Yb są otoczone przez tlen w pseudo-oktaedrach. Różne dawki implantacji zaburzają orientację tych oktaedrów w stosunku do kierunku wzrostu filmu, co zaobserwowano na podstawie odwrócenia zależności polaryzacyjnej dla próbek o różnych fluencjach Yb. Ostatecznie, nasze badania mają na celu przyczynić się do lepszego zrozumienia defektów wywołanych implantacją, ich interakcji z defektami matrycy gospodarza oraz wysiłków zmierzających do eliminacji, manipulacji i/lub reorganizacji tych defektów przy użyciu wyżarzania w celu uzyskania materiału dobrej jakości.”

Cały tekst publikacji dostępny jest pod linkiem –

Y. Syryanyy, M. Zając, E. Guziewicz, W. Wozniak, Y. Melikhov, M. Chernyshova, R. Ratajczak, I.N. Demchenko,

Polarized dependence of soft X-ray absorption near edge structure of ZnO films implanted by Yb,

Materials Science in Semiconductor Processing,

https://doi.org/10.1016/j.mssp.2022.106609.

Autorzy: Iraida Demchenko, Kinga Wróbel, Marcin Zając