Электрические и оптические характеристики пленок из наночастиц Si, нанесенных на подложки высоковольтным электронапылением из золей в этаноле

Oписываются результаты исследования оптических и электрических характеристик пленок из нанокристаллов кремния ($nc$-Si) , нанесенных на подложки посредством высоковольтного электрораспыления золей $nc$-Si в этаноле. Обнаружено, что взаимодействие капель этанола, несущих наночастицы Si, с электрическим полем коронного разряда приводит к полимеризации этанола и образованию полимерного слоя на поверхности наночастиц Si. Высоковольтная установка для напыления пленок посредством дополнительного фокусирующего электрода позволяла изменять геометрию и напряженность электрического поля в области потока капель этанола. Как следствие, удалось получить пленки $nc$-Si, в которых свойства полимера на поверхности наночастиц качественно различались: пленки $nc$-Si_А и $nc$-Si_В (полученные без фокусирующего электрода и с электродом соответственно). При отжиге до 400$^\circ$С пленок $nc$-Si_А оптическая ширина запрещенной зоны $E_{g}$ увеличивается от $\sim$1.9 до $\sim$2.2 эВ, в то время как $E_{g}$ пленок $nc$-Si_В остается постоянной и составляет 1.85 эВ. Постоянство $E_{g}$ пленок $nc$-Si_В объясняется свойствами полимера на поверхности наночастиц Si, более эффективной блокировкой проникновения кислорода из окружающей атмосферы при отжиге до 400$^\circ$С, чем в случае полимера в пленках $nc$-Si_А. Tемпературные зависимости проводимости (темновая и с фотовозбуждением) пленок $nc$-Si_А с хорошей точностью аппроксимируются двумя экспоненциальными функциями активационного типа, причем темновые энергии активации составляют $\sim$0.75 и 0.1 эВ соответственно. Проводимость пленок $nc$-Si_А заметно уменьшается при воздействии на образцы излучением с длинами волн 460–470 нм. Температурные зависимости проводимости пленок $nc$-Si_В с хорошей точностью аппроксимируются экспоненциальными функциями активационного вида с энергиями активации 0.73 (темновая) и 0.59 эВ (с фотовозбуждением). В отличие от пленок $nc$-Si_А фотопроводимость пленок $nc$-Si_В увеличивается более чем в 4 раза относительно темновой при аналогичном освещении. Пленки $nc$-Si_В являются фотоактивными, сaндвич-подобные структуры Al/$nc$-Si_В/Al могут генерировать эдс. Темновая проволимость и фотопроводимость пленок $nc$-Si_А в диапазоне напряжений $V\ge$ 2 В определяются двухцентровым эффектом Пула–Френкеля; концентрация центров, влияющих на проводимость Пула–Френкеля составляет $\sim$3 $\cdot$ 10$^{17}$ см$^{-3}$. В пленках $nc$-Si_В в диапазоне напряжений 2–5 В электронный транспорт определяется токами, ограниченными пространственным зарядом (SCLC), а при больших напряжениях – двухцентровым эффектом Пула–Френкеля. Концентрация ловушек, дающих вклад в SCLC, составляет $\sim$4 $\cdot$ 10$^{16}$ см$^{-3}$. Концентрация центров Пула–Френкеля, влияющих на проводимость, уменьшается по активационному закону с энергией активации 0.7 эВ от 3 $\cdot$ 10$^{16}$ до 2 $\cdot$ 10$^{14}$ см$^{-3}$ с уменьшением температуры 120–40$^\circ$С.