Klastry i specjacje utlenionych związków półprzewodnikowych SnTe i PbTe oraz ich komponentów

Abstract

Zrozumienie procesów zachodzących w skali nano pozwala dostarczyć cennych informacji o fundamentalnych właściwościach powierzchni materiałów. Zagadnienia związane zarówno z teorią klastrów, jak i ich praktycznym zastosowaniem stają coraz bardziej popularne dzięki ostatnim odkryciom m.in. nowej klasy materiałów półprzewodnikowych - izolatorów topologicznych. Przedmiotem niniejszej rozprawy doktorskiej jest analiza klastrów i specjacji molekularnej półprzewodników SnTe i PbTe i ich komponentów. W ramach pracy przeprowadzono badania powierzchni kryształów półprzewodnikowych SnTe i PbTe, telluru i selenu utlenianych różnymi metodami oraz metali: bizmutu, ołowiu i cyny. Realizacja głównych celów - przybliżenie problematyki tworzenia klastrów i specjacji w badanych materiałach - była możliwa dzięki zastosowaniu spektrometrii mas (TOF SIMS) oraz metod komplementarnych takich jak spektrometrii Ramana oraz Rentgenowskiej Spektrometrii Fotoelektronów AR XPS. Przeprowadzona analiza widm masowych powierzchni selenu i telluru w szerokim zakresie mas pozwoliła wnioskować o procesie tworzenia klastrów w tych materiałach przy oddziaływaniu z jonami wiązki pierwotnej. W przypadku badań klastrów w chalkogenkach implantowanych zwiększono limit detekcji, dzięki zastosowaniu metodyki analizy klastrów wysokich mas. Ponadto przedstawiono analizę specjacyjną wskazując formy występowania pierwiastków i tlenków. Wyznaczono stopień utlenienia badanych materiałów wykorzystując model Plog'a. Ustalono, że w utlenionym naturalnie SnTe powstaje wielowarstwowa struktura o głębokim niejednorodnym rozmieszczeniu składników. Głównymi składnikami tej struktury są SnO2 i tellur w trzech stanach chemicznych: elementarny Te, dwutlenek telluru TeO2 i kompleks telluru TeOx (0 <x <2). Kinetyka utleniania badana w zakresie od 10 minut do 2 lat pokazała, że utlenianie SnTe w temperaturze pokojowej jest procesem długotrwałym. Porównanie widm TOF SIMS uzyskanych dla Te, SnTe i PbTe dowiodło, że w SnTe proces ten przebiega znacznie szybciej niż w PbTe.Understanding the nano-scale processes provides the important information on fundamental properties of a material surface. Issues regarding both the theory and application of clusters have become of current importance due to the most recent accomplishments including the development of topological insulators which are a new type of semiconductor materials. This doctor thesis focuses on the analysis of clusters and molecular speciation of SnTe and PbTe semiconductors and their components. The surface of SnTe and SnTe semiconductor crystals, tellurium and selenium oxidized by different methods, metallic bismuth, tin and zinc were investigated. The realization of key goals, i.e. mutually complementing research on the cluster formation and speciation of materials under consideration has been made possible through joint using TOF-SIMS, Raman spectroscopy, AR XPS, Angle-resolved XPS. The analyses of Se and Te surface mass spectra over a wide mass range has allowed making suggestions regarding how clusters are formed in these materials under the influence of primary beam ions. For clusters implanted with chalcogenides the detection level was increased due to the use of a special technique to investigate high mass clusters. Additionally the speciation analysis was made to determine the types of elements and oxides. The Plog’s model is used to determine the oxidation level of materials. It has been found that a multilayer depth non-uniform structure is formed in naturally oxidized SnTe. Main components of this structure are SnO2 and tellurium in three chemical states: elemental Te, tellurium dioxide TeO2 and tellurium complex TeOx (0<x<2). The oxidation kinetics has been investigated within the time periods from 10 minutes till 2 years. It has been found that SnTe oxidation under room temperature is a long process. The comparison of TOF SIMS spectra made for Te, SnTe and PbTe proves that SnTe is oxidized faster than PbTe.