Μετασταθή φωτοδομικά φαινόμενα στο άμορφο υδρογονωμένο πυρίτιο: ο ρόλος της μικροδομής από το άμορφο στο προ-κρυσταλλικό υλικό

Abstract

Αντικείμενο της εργασίας αυτής είναι η μελέτη των μηχανικών ιδιοτήτων του άμορφου Υδρογονωμένου Πυριτίου (a-Si:H) και των αλλαγών που προκαλούνται σ' αυτές μετά από έκθεση σε ισχυρό φως. Μελετήθηκε ο ρόλος της μικροδομής του υλικού στις ελαστικές του ιδιότητες καθώς και στα φωτογενή φαινόμενα μεταστάθειας που παρουσιάζει. Τα δύο πρώτα κεφάλαια αναφέρονται στην εικόνα που έχουμε σήμερα για τη δομή και ιδιότητες του υλικού καθώς και για τα φαινόμενα μεταστάθειας που παρουσιάζει, με βάση την εκτεταμένη υπάρχουσα βιβλιογραφία. Η εικόνα αυτή αποτελεί σημείο εκκίνησης για τα πειράματα που κάναμε και την ερμηνεία τους που προτείνουμε. Συγκεκριμένα γίνεται μια σύντομη περιγραφή των βασικών τεχνικών εναπόθεσης υλικού καλής ποιότητας. Στη συνέχεια συνοψίζουμε τα σημαντικότερα στοιχεία της μικροδομής του. Επίσης, γίνεται μια σύντομη αναφορά στην ηλεκτρονική δομή του υλικού, συγκεκριμένα στην πυκνότητα καταστάσεων, στη φωτοαγωγιμότητα και στους μηχανισμούς επανασύνδεσης των φωτο-φορέων. Στο δεύτερο κεφάλαιο αναφέρεται το φαινόμενο της δημιουργίας μετασταθών ατελειών με ισχυρό φωτισμό, γνωστό ως φαινόμενο Staebler-Wronski (SW) και γίνεται μια σύντομη εισαγωγή στα διάφορα μοντέλα που έχουν προταθεί για την ερμηνεία του. Στη συνέχεια περιγράφονται τα σημαντικότερα πειράματα που αφορούν φωτο-δομικές αλλαγές που δεν μπορούν να ερμηνευθούν μόνο με τη δημιουργία μετασταθών ατελειών και που αποτέλεσαν την αφετηρία της εργασίας αυτής. Οι μετρήσεις εσωτερικής τάσης και ο συσχετισμός τους με τη μικροδομή του υλικού αποτελούν το αντικείμενο του τρίτου κεφαλαίου. Αρχικά περιγράφονται οι βασικές πειραματικές μέθοδοι που ακολουθήσαμε για τον υπολογισμό της μηχανικής τάσης και του μέτρου ελαστικότητας, καθώς και ο τρόπος ανάλυσής τους. Παρουσιάζονται μετρήσεις εσωτερικής τάσης υμενίων a-Si:H που έχουν εναποτεθεί σε μικροράβδους κρυσταλλικού πυριτίου με διάφορες τεχνικές και συσχετίζουμε το μέγεθός της με τις συνθήκες εναπόθεσης. Προχωρούμε σε μια συστηματική μελέτη, για πρώτη φορά, της σχέσης της μηχανικής τάσης με τη μικροδομή του υλικού και καταλήγουμε στο συμπέρασμα ότι η αύξηση της μηχανικής τάσης συνοδεύεται από την αύξηση της οργάνωσης του άμορφου πλέγματος. Στη συνέχεια παρουσιάζονται μετρήσεις του μέτρου ελαστικότητας υμενίων a-Si:H που έχουν παρασκευαστεί με τη μέθοδο αραίωσης με υδρογόνο η οποία δίνει το υλικό με τις καλύτερες οπτοηλεκτρονικές ιδιότητες μέχρι σήμερα. Συμπεραίνουμε ότι τα καλύτερης ποιότητας υλικά εμφανίζουν, εκτός από μεγάλη εσωτερική τάση, μικρό μέτρο ελαστικότητας. Συγκρίνοντάς τα αποτελέσματά μας με τις προβλέψεις ενός θεωρητικού μοντέλου, προτείνουμε ότι τα υλικά αυτά είναι ανομοιογενή και σκιαγραφούμε τις πιθανές μορφές ανομοιογένειας. Τέλος στο τέταρτο κεφάλαιο περιγράφεται η πειραματική τεχνική που αναπτύξαμε για τη μελέτη της φωτοδιαστολής στο a-Si:H. Η μεγάλη ευαισθησία της τεχνικής αυτής επέτρεψε διεξοδική μελέτη της φωτοδιαστολής σε υμένια με πολύ διαφορετική μεταξύ τους μικροδομή. Μετρούμε, για πρώτη φορά, την κινητική της φωτογενούς τάσης / διαστολής ενδογενούς άμορφου πυριτίου για φωτισμό σε συνεχές φως. Το φαινόμενο εμφανίζεται και στην περίπτωση παλμικού φωτισμού και με την ίδια χρονική εξέλιξη. Βρίσκουμε επίσης ότι η χρονική εξέλιξη της φωτοδιαστολής παραμένει η ίδια σε όλα τα ενδογενή δείγματα ανεξάρτητα από την τεχνική παρασκευής και τις συνθήκες εναπόθεσης. Αποκλίσεις από τη γενική αυτή συμπεριφορά εμφανίζουν δείγματα με πρόσμιξη αποδεκτών καθώς και κράματα πυριτίου-γερμανίου. Φωτοδιαστολή δεν παρουσιάζεται στο μη υδρογονωμένο άμορφο πυρίτιο. Βρίσκουμε ότι το φαινόμενο είναι μερικώς αντιστρέψιμο και ο βαθμός αντιστρεψιμότητας εξαρτάται από τη μικροδομή. Παρουσιάζονται προκαταρκτικά πειράματα που δείχνουν ότι οι φωτογενείς δομικές αλλαγές μεγάλης κλίμακας έχουν σαν αποτέλεσμα την αύξηση της εσωτερικής τριβής στο υλικό. Προτείνεται μια πιθανή ερμηνεία του μηχανισμού της φωτογενούς διαστολής βασισμένη στα αποτελέσματά μας για τη μηχανική τάση καθώς και σε διάφορα συμπεράσματα για τη δομή του Άμορφου Πυριτίου. Τέλος συζητούμε την πιθανή συσχέτιση της φωτογενούς τάσης με το φαινόμενο SW. Η ερμηνεία όλων των φαινομένων που μελετήσαμε είναι μεν ποιοτική προς το παρόν αλλά αναδεικνύει το ρόλο της μικροδομής και τα συμπεράσματά της φαίνεται να έχουν γενική ισχύ στο a-Si:H ανεξάρτητα από την τεχνική και τις συνθήκες παρασκευής του υλικού. Πιστεύουμε ότι τα συμπεράσματά μας ανοίγουν μια νέα οδό πιθανής ερμηνείας του φαινομένου SW και των φωτογενών μετασταθών αλλαγών γενικότερα.