Нанокристаллы в силикатном стекле как потенциальные ямы для локализации носителей заряда

Аннотация

Цель. Нанокристаллы, самопроизвольно возникающие в силикатном стекле в процессе его варки, рассмотрены как потенциальные ямы, где локализуются свободные носители заряда. Впервые оценена глубина этих потенциальных ям, исходя из длительности кристаллизации силикатных стекол при разных температурах. Для силикатного стекла состава разных составов глубина таких потенциальных ям оказалась равна 0,26-0,87 эВ, тогда как ширина запрещенной зоны самого стекла, определенная по краю оптического поглощения, более 3 эВ. По-видимому, оптическая ширина запрещенной зоны стекла является усредненным значением, включающим и глубину потенциальных ям. В то же время эти ямы являются существенными для механизма электропроводности толстопленочных резисторов (силикатных стекол, легированных оксидны- ми соединениями рутения), создавая условия для прыжков с переменной длиной (Моттовский механизм). Изучение влияния нанокристаллической структуры на глубину потенциальных ям в исследуемом материале, а также выявление взаимосвязи между размером наночастиц и энергетическими характеристиками системы.

Материалы и методы. Нанокристаллы, самопроизвольно возникающие в силикатном стекле в процессе его варки, рассмотрены как потенциальные ямы, где локализуются свободные носители заряда. Впервые оценена глубина этих потенциальных ям, исходя из длительности кристаллизации силикатных стекол при разных температурах. Для силикатного стекла состава разных составов глубина таких потенциальных ям оказалась равна 0,26-0,87 эВ, тогда как ширина запрещенной зоны самого стекла, определенная по краю оптического поглощения, более 3 эВ. По-видимому, оптическая ширина запрещенной зоны стекла является усредненным значением, включающим и глубину потенциальных ям. В то же время эти ямы являются существенными для механизма электропроводности толстопленочных резисторов (силикатных стекол, легированных оксидными соединениями рутения), создавая условия для прыжков с переменной длиной (Моттовский механизм). Цель. Изучение влияния нанокристаллической структуры на глубину потенциальных ям в исследуемом материале, а также выявление взаимо- связи между размером наночастиц и энергетическими характеристиками системы.

Результаты. В ходе исследования установлено, что уменьшение размеров нанокристаллов приводит к увеличению глубины потенциальных ям, что обусловлено квантово-размерными эффектами. Рентгеноструктурный анализ подтвердил формирование нанокристаллической структуры, а спектроскопические измерения показали смещение энергетических уровней в зависимости от размера наночастиц. Численные расчёты согласуются с экспериментальными данными, подтверждая влияние нанокристаллов на электронные свойства материала.

Заключение. Проведённое исследование показало, что нанокристаллическая структура суще- ственно влияет на глубину потенциальных ям, что связано с проявлением квантово-размерных эффектов. Экспериментальные и теоретические результаты подтвердили, что уменьшение размеров наночастиц приводит к увеличению энергетического разрыва и изменению элек- тронных свойств материала. Полученные данные могут быть полезны для разработки новых наноструктурированных материалов с заданными энергетическими характеристиками.