Highly Ga-doped silicon crystals and nanowires via metal flux nanonucleation

Autor: Campanelli, Raul Back, 1994
Přispěvatelé: Béron, Fanny, 1980, Pirota, Kleber Roberto, 1973, Moura, Karoline Oliveira, Souza Neto, Narcizo Marques de, Universidade Estadual de Campinas. Instituto de Física Gleb Wataghin, Programa de Pós-Graduação em Física, UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS
Jazyk: portugalština
Rok vydání: 2021
Předmět:
Zdroj: Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP)
Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP)
instacron:UNICAMP
Popis: Orientadores: Fanny Béron, Kleber Roberto Pirota Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Física Gleb Wataghin Resumo: A centralidade da indústria de tecnologia da informação utiliza-se de dispositivos baseados nas estruturas eletrônicas de semicondutores, dos quais se destacam os materiais a base de silício. Em grande parte, o êxito dessa solução se deve ao controle da densidade de portadores de carga, obtido através da introdução de impurezas (dopagem), que proporciona a manufatura de diversos dispositivos modernos. Mais recentemente, novas arquiteturas de dispositivos vêm sendo propostas. Muitos desses esforços se concentram na nanofabricação, buscando modelos de dispositivos baseados em nanofios. Outros, buscam utilizar-se de propriedades físicas do silício ainda pouco exploradas. É o caso dos dispositivos baseados na supercondutividade, causada através de fortes dopagens. Ambos os casos, para se concretizarem enquanto alternativa tecnológica, dependem do desenvolvimento de novas soluções fabris desses materiais. Nesse contexto, o presente trabalho se propõe a aplicar a técnica de fabricação chamada Nanonucleação por Fluxo Metálico (NNFM) para a produção de cristais e nanofios de Si altamente dopados com Ga. Desenvolvida em 2014, a NNFM consiste na indução da nucleação de cristais e nanofios a partir de fase líquida, mediada pela geometria cilíndrica dos nanoporos de membrana de alumina anodizada. Neste trabalho, os elementos que compõe a fase líquida se referem ao sistema binário Si-Ga. Além de o Ga ser um ótimo solvente para o Si a altas temperaturas, é sabido que também se incorpora como dopante por interdifusão nos cristais de Si nucleados. Para que se possa avaliar a viabilidade de fabricação de cristais e nanofios de silício dopados por essa rota, membranas de alumina foram produzidas pelo método de Anodização Dura, o qual resulta em membranas com poros cilíndricos, regularmente dispostos, com 130 nm de diâmetro. Assim, experimentos NNFM foram realizados mediante rápido aquecimento do sistema Si-Ga a 1200 oC, seguido de lento resfriamento até 700 oC, temperatura na qual o Si encontra-se em estado sólido. Cristais bulk e nanofios de silício de estrutura diamante foram fabricados com sucesso, e – nos primeiros – foi aferida forte presença de Ga como dopante, através de medidas de efeito Hall. Assim, observou-se que esse material apresenta transição supercondutora, a qual – por meio de medições de resistividade e susceptibilidade magnética – constatou-se que ocorre em torno de 7 K. Além disso, a técnica foi capaz de produzir nanofios com diâmetro médio de 125 nm e alta razão de aspecto. Adicionalmente, o papel que a interface entre o fluxo e a membrana exerce sobre a formação de nanofios também foi investigado. Dessa maneira, o empenho contido nos trabalhos referentes a este texto pode representar avanços promissores com relação a futuras integrações desses materiais em novas arquiteturas de dispositivos eletrônicos Abstract: The core of the information industry revolves around the use of technological devices based on semiconductor band structures, of which silicon plays a major role. In part, the success of such is related to the charge carrier control promoted by the introduction of impurities (dopants), which allows the manufacture of many modern devices. Recently, new device architectures are being proposed. Many of said propositions are focused on nanofabrication, especially in the case of nanowire-based devices. On the other hand, some efforts are driven towards the use of the silicon physical properties, which remain little explored to this date. That is the case of superconductivity-based devices, which emerges through ultradoping of silicon. For both cases to become actual technological alternatives, the development of novel manufacturing techniques is required. In this context, the present work is set to employ the Metal Flux Nanonucleation (MFNN) technique, in order to obtain highly Ga-doped silicon bulk crystals and nanowires. Developed in 2014, the MFNN technique consists in inducing the nucleation and growth of crystals and nanowires from melt into the cylindrical nanopores of an anodic alumina template. For this work, the melt-composing elements belong to the Si- Ga binary system. Not only is Ga an excellent Si-solving element at high temperatures, but it can also be incorporated as dopant into the nucleating Si network via inter- diffusion. In order to evaluate the feasibility of ultradoped silicon crystals and nanowires via MFNN, anodic alumina templates were produced by Hard Anodization, which yields regularly disposed 130 nm diameter pores. Thus, MFNN were performed in the Si-Ga binary system, via rapid heating to 1200oC followed by slowly cooling down to 700oC, leading to the formation of solid-state silicon. Bulk silicon crystals and nanowires were successfully grown, presenting diamond crystal structure. Hall effect measurements indicated strong Ga doping in bulk crystals, thus leading to superconducting behavior. The superconducting transition temperature was observed by means of magnetic susceptibility and resistivity measurements, and was determined to be around 7 K. MFNN was also successful in producing nanowires, which present an average of 125 nm in diameter, and high aspect ratio. Moreover, the role that the melt-template interface exerts on the nanowire formation was investigated. Therefore, the efforts contained in this work may represent promising prospects regarding future integration of these materials into novel devices Mestrado Física Aplicada Mestre em Física CAPES 88882.329002/2019-01 CNPQ 436573/2018-0 FAPESP 2017/10581-1; 2020/07397-7
Databáze: OpenAIRE
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