Синтез нанокристаллических тонких плёнок оксида цинка ZnO и их модификация методом высокодозной ионной имплантации

Объектом исследования являются исходные тонкие нанокристаллические плёнки оксида цинка и имплантированные ионами серебра с энергией 30 кэВ в интервале доз (0,25-1)1017 ион/см2 с плотностью ионного тока 4, 8 и 12 мкА/см2. Целью диссертации является формирование методом ионно-стимулированного осаждения тонких нанокристаллических плёнок оксида цинка ZnO и разработка методов управления их структурными и физическими (оптическими и электрическими) свойствами с использованием метода ионной имплантации серебра. Для достижения поставленной цели был использован широкий набор методов исследований: сканирующая и просвечивающая электронная микроскопия, рентгеноструктурный анализ, оптическая фотометрия, эффект Зеебека, холловские измерения. Результаты и научная новизна работы заключается в следующем 1. Разработан оригинальный метод ионно-стимулированного осаждения тонких нанокристаллических плёнок ZnO, основанный на ионном распылении мишени из цинка в атмосфере кислорода. 2. Обнаружено, что параметры решётки тонких нанокристаллических плёнок ZnO, синтезированных разработанным способом, значительно (≈ 3 %) превышают стандартные значения параметров решётки оксида цинка. 3. Впервые предложен механизм увеличения параметра кристаллической решётки тонких нанокристаллических плёнок, формируемых методом ионно-стимулированного осаждения: внедрение в нанокристаллиты “высокоэнергетичных” распылённых атомов мишени в процессе осаждения тонкой плёнки. 4. Впервые установлено, что проводимость тонких нанокристаллических плёнок ZnO в области температур 5 K < T < 50 K осуществляется по механизму прыжковой проводимости с переменной длиной прыжка (по Мотту) по локализованным состояниям. Установлено, что в области температур 110 K < Т < 230 K, проводимость осуществляется по активационному механизму с энергии активации носителей заряда E ≈ 0,01 эВ. 5. Установлено, что максимальная концентрация имплантированных ионов серебра в нанокристаллические плёнки ZnO ограничена по причине большого коэффициента распыления (4,6 атом/ион). 6. Впервые установлено, что ионная имплантация тонких нанокристаллических плёнок ZnO при повышенных плотностях ионного тока (8 и 12 мкА/см2) ведёт к кристаллизации аморфных областей, увеличению размеров нанокристаллитов и изменению параметров решётки нанокристаллитов оксида цинка до стандартных значений. 7. Впервые получены распределения наночастиц серебра по размерам в тонкой пленке ZnO и их зависимость от режимов имплантации ионов серебра. 8. Обнаружена инверсия типа носителей заряда от электронной к дырочной у тонких плёнок ZnO, имплантированных минимальной дозой ионов серебра и при минимальной плотности ионного тока. Концентрация дырок составила 2,8∙1016 см-3, подвижность – 1,2 см2/В∙с. Полученные нанокристаллические плёнки ZnO и имплантированные серебром могут быть использованы в стрейнтронике и оптоэлектронике.