Развитие методов синтеза, исследование свойств наноструктур и пленок на основе оксида цинка для создания элементов устройств микро-и наноэлектроники и фотоники

Проведены теоретические исследования гармонических упругих продольных колебаний в гибридной наноструктуре на основе оксида цинка (ZnO), расположенной на сравнительно массивной и жёсткой подложке и объединяющей плёночный пьезорезонатор, возбуждающий упругие колебания, и регулярную решётку одинаковых нанокристаллов ZnO, выращенную на одной из его проводящих поверхностей перпендикулярно к ней. Расчёт выполнен в целях изучения возможности использования высокоориентированной решётки наностержней оксида цинка на поверхности тонкопленочного пьезорезонатора для создания пьезоэлектрического сенсора СО, функционирующего за счёт регистрации смещения собственной резонансной для устройства частоты возбуждаемых пьезорезонатором упругих колебаний, сопровождающего адсорбцию СО. Получены необходимые аналитические описания упругих динамической деформации и перемещений в составляющих частях наноструктуры в зависимости от длины кристаллов, толщины пьезорезонатора, амплитуды и частоты создаваемого им нагружающего напряжения. Взаимодействие между пьезорезонатором и решёткой наностержней задаётся величиной удельной силы механической инерции, обеспечиваемой удельной массой решётки, т.е. приходящейся на единицу её объёма. По результатам компьютерных вычислений построен график зависимости собственной "резонансной" для устройства частоты возбуждаемых упругих колебаний от удельной массы решётки, позволяющий оценивать чувствительность этой частоты к адсорбции газа. Построена математическая модель устройства, состоящего из решетки наностержней из оксида цинка, выращенных на поверхности тонкопленочного пьезорезонатора. Методом конечных элементов решена задача электроупругости (обратный пьезоэффект). Расчеты показали, что у корней наностержней возникают значительные упругие деформации и напряжения, которые могут вызвать их хрупкое разрушение. Критерий разрушения наностержней основан на теории Ирвина в механике разрушения. Наличие дефектов (трещин) у корней стержней существенно смягчает условия разрушения. Проведены систематические исследования влияния давления кислорода, используемого при росте, на проводимость, концентрацию и холловскую подвижность носителей в плёнках ZnO, легированных сурьмой. Проанализированы изменения структурных свойств и динамики кристаллической решётки ZnO при встраивании в неё атомов Sb при различных давлениях кислорода. Исследовано влияние температуры отжига в атмосфере кислорода на оптические свойства образцов. Разработана методика импульсного лазерного напыления тонких пленок оксида цинка, допированного сурьмой на подложке из cапфира с тонкопленочным подслоем ZnO. Исследованы фотоэлектрические характеристики гибридных структур металл - полупроводник - металл на основе массивов наностержней и эпитаксиальных пленок оксида цинка на кремниевых подложках. Исследованы возможности управления морфологическими параметрами массивов наночастиц Au (формой, размером, плотностью поверхностного распределения), получаемых на поверхности тонких пленок ZnO методом импульсного лазерного напыления с дальнейшим отжигом в инертной атмосфере. Экспериментально установлено, что с увеличением среднего размера наночастиц Au происходит уширение и смещение в красную область плазмонного пика поглощения. Для наночастиц диаметром 17, 25, 31, 37 и 40 нм максимум плазмонного поглощения находится на длинах волн 570, 590, 605, 610 и 620 нм соответственно. С увеличением среднего размера наночастиц наблюдается повышение максимума в спектрах экстинкции на длинах волн 570, 590, 605 и 610 нм до определенного значения, затем происходит его спад на 620 нм. Наибольшее значение интенсивности в максимуме поглощения соответствует среднему диаметру наночастиц 37 нм. Экспериментально подобранные оптимальные условия синтеза изолированных массивов наночастиц Au на поверхности тонких пленок ZnO позволили значительно повысить максимум плазмонного поглощения, что может быть использовано для повышения чувствительности фотоприемников.