ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ НАНОСТРУКТУРЫ НА ОСНОВЕ GаSb-Si ДЛЯ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ

Цели: сформировать кремниевую гетероструктуру со встроенными нанокристаллами GaSb; сформировать сплошную пленку GaSb на Si(III) методом твердофазной эпитакции; произвести теоретический расчет термоэлектрических свойств кремниевой гетероструктуры со встроенными нанокристаллами GaSb; исследовать термоэлектрические свойства кремниевых гетероструктур со встроенными нанокристаллами GaSb и пленки GaSb на Si(III). Все процедуры роста проводили в сверхвысоковакуумной камере Omicron с базовым давлением 2×10-11 Торр. Камера оснащена устройством оже-электронной спектроскопии (ОЭС) с возможностью регистрации спектров потерь энергии электронов (ХПЭЭ) и устройством для получения картин дифракции медленных электронов (ДМЭ). Температура подложки контролировалась инфракрасным пирометром. Морфологию исследовали методом АСМ (Solver P47) в полуконтактном режиме. Структуру исследовали методом ВРПЭМ (JEOL-4000EX). Для определения оси зоны на изображениях ПЭМ использовали программы SingleCrystalTM и CrystalMaker®. Программное обеспечение Digital Micrograph (GATAN) было использовано для цифровой обработки экспериментальных изображений ВРПЭМ. Для квантово-механических расчетов в рамках теории функционала плотности использовали VASP. Расчеты производили с использованием приближения локальной плотности и ультрамягкого потенциала Вандербильта. Для измерения температурных зависимостей коэффициента Зеебека и электропроводности использована установка для измерения удельного сопротивления и коэффициента термоЭДС (Криотел, Россия), специально разработанная для НОЦ Энергоэффективности НИТУ МИСиС. Измерения проводили в температурном диапазоне 100-750 К.Проведены эксперименты по созданию многослойных гетероструктур, и исследованы их свойства: исследована температурная стабильность НК GaSb на монокристаллическом кремнии Si(III), сформированы эпитаксиальные четырехслойные образцы со строенными слоями НК GaSb, сформированных из смеси Ga - Sb на поверхностной реконструкции сурьмы; эпитаксиальным соотношением НК GaSb и кремниевой матрицы во всех структурах является GaSb(III)||Si(III) и GaSb[1-10]||Si[1-10]. Изучены термоэлектрические свойства выращенных многослойных образцов с НК GaSb с n- и p-типом легирования; для предотвращения инжекции электронов из НК GaSb для образца p-типа были создали дырочные карманы вокруг каждого НК GaSb, которые надёжно улавливают электроны; для предотвращения инжекции дырок из НК GaSb для образца n-типа увеличили высоту барьера для дырок на границе НК GaSb - Si. Сформирована сплошная эпитаксиальная пленка GaSb толщиной 12 нм на предварительно сформированных островках GaSb на поверхности Si(III); изучены термоэлектрические свойства. Совместно с зарубежными партнерами выполнено моделирование системы кремний - антимонид галлия. Рассчитана решеточная теплопроводность сверхъячейки со встроенным в Si НК GaSb и сверхъячейки из чередующихся слоев Si и GaSb (6 атомных слоев Si, 3 - Ga и 3 - Sb). Результаты можно считать научно-техническим заделом по технологии формирования кремниевых наногетероструктур в условиях сверхвысокого вакуума. Полученные результаты могут быть рекомендованы для применения в научных центрах, изучающих полупроводниковые наноструктуры, для разработки и получения эффективных кремниевых гетероструктур.