Анотація до роботи:

Філоненко М.М. Синтез та властивості п’єзоактивних оксидних і халькогенідних структур з розвиненою поверхнею. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико–математичних наук за спеціальністю 01.04.18 – фізика і хімія поверхні. – Інститут хімії поверхні НАН України, Київ, 2004.

Дисертацію присвячено одержанню п’єзоактивних оксидних і халькогенідних структур з розвиненою поверхнею, вивченню комплексу їх фізико-хімічних властивостей, зокрема, катодолюмінесцентних та емісійних.

Методом термічного випаровування в квазізамкнутому об’ємі із автономних джерел одержано плівки твердих розчинів Zn_1-хCd_хS (0<х<1) товщиною 0,1–1 мкм. При окисненні леткого попередника (ZnSe) отримано полікристалічні плівки оксиду цинку товщиною 0,1–1 мкм. Електрохімічним методом на провідних оксидних поверхнях одержано тонкі полікристалічні плівки ZnO, товщиною від декількох сот нанометрів до 5 мкм. Нанорозмірні плівки оксиду цинку, h~30–800 нм, одержані піролізом аерозолів водного розчину ZnCl₂. Цією ж методикою одержано масиви квантоворозмірних п’єзоелементів ZnO, середні повздовжні розміри окремого елемента становили 10–100 нм, товщина ~10 нм.

Встановлено, що перехід від сфалеритної структури ZnO до вюрцитної супроводжується різким зростанням низькопольової електронної емісії, що свідчить про визначальну роль п’єзоефекту в даному явищі.

Вперше досліджено польову електронну емісію з п’єзоактивного квантоворозмірного оксиду цинку. Енергетичні стани електронів в ZnO розглянено в наближенні трикутної потенціальної ями; встановлено резонансний характер їх тунелювання при збільшенні зовнішньої напруги. На залежностях емісійного струму від часу виявлені флуктуації, які обумовлені зарядкою повільних електронних станів на міжфазній границі SiO₂–ZnO та ZnO –вакуум. Запропоновано модель низькопольової електронної емісії п’єзоактивного квантоворозмірного оксиду цинку, яка враховує обмін електронами валентної зони кремнію з зоною поверхневих станів на міжфазній поверхні SiO₂–ZnO та зміну прозорості потенціального бар’єра на границі ZnO– вакуум.

Одержані структури можуть бути використані як високоефективні холодні п’єзопольові емітери та плоскі яскраві катодолюмінесцентні екрани для приладів мікро– та оптоелектроніки.

1. Розроблено перспективні для практичного використання методики одержання п’єзоактивних халькогенідних (на основі твердих розчинів Zn_1-хCd_хS) та оксидних (на основі ZnO) плівкових структур з розвиненою поверхнею з ефективними низькопольовою електронною емісією та катодолюмінесценцією.

2. В плівках твердих розчинів Zn_1-хCd_хS та ZnO отримано стабільну електронну емісію в електричних полях Е10⁵ В/см навіть при тискові 10^-5 Торр. За умов таких зовнішніх полів внутрішнє поле може досягати значень 10⁷ В/см, достатніх для розвитку внутрішнього електричного пробою (ефекту Зінера). В області Е<10⁵ В/см емісія обмежується потенційним бар’єром на межі з вакуумом і нестабільна через великі флуктуації роботи виходу, що можуть бути спричинені процесами адсорбції – десорбції молекул залишкових газів.

3. Ізотермічним відпалом халькогенідних плівок в атмосфері кисню в температурному діапазоні 670–680 К одержано однорідні полікристалічні плівки ZnO. При вивченні динаміки топохімічної реакції в процесі окиснення плівок селеніду цинку встановлено, що в процесі окиснення халькогенідних плівок відбувається перетворення сфалеритної гратки халькогенідів у вюрцитну, характерну для оксиду цинку.

4. Результати досліджень діаграми плавкості системи ZnCl₂ – ZnО в області концентрацій оксиду цинку 0–25 мол. % стали основою обґрунтування умов і механізму синтезу плівок та квантоворозмірних кристалів оксиду цинку методом піролізу аерозолів водного розчину хлориду цинку.

5. Методом піролізу аерозолів на грані (111) монокристалічного кремнію отримано плівки ZnO, поверхня яких характеризується розвиненою наноструктурою – рівномірно розташованими утвореннями округлої форми із середньою висотою ~ 3 нм і подовжніми розмірами ~50 нм. Експериментальні результати свідчать, що ці утворення мають кластерну природу і є проміжним структурним елементом у процесах самоорганізації речовини – оксиду цинку – від окремої молекули до блочного кристалу. Наявність цих утворень суттєво впливає на електронні властивості поверхні.

6. Відпрацьована хімічна безвакуумна методика синтезу масивів квантоворозмірних п’єзоелементів оксиду цинку на поверхні напівпровідникових монокристалів. Вперше вивчено польову електронну емісію системи ZnO–Si. Встановлено, що на відміну від емісії з товстих (h>200 нм) плівок, на вольтамперних характеристиках нанорозмірних (10–100 нм) п’єзоелементів спостерігаються резонансні піки струму емісії. На часових залежностях І_е виявлено флуктуації струму з двома характерними часами ~10 с (тип 1) і ~100 с (тип 2). Флуктуації типу 1 можна пояснити зарядкою повільних ПЕС на границі SiO₂–ZnO, що підтверджується наявністю високої термочутливості емісійного струму. Флуктуації типу 2 обумовлені флуктуаціями заряду на локальних станах зовнішньої поверхні оксиду цинку, що викликають флуктуації прозорості потенційного бар’єра. Запропоновано модель низькопольової електронної емісії, яка пояснює особливості електронної емісії із нанорозмірних структур ZnO.

Основний зміст дисертаційної роботи викладено в таких публікаціях:

1. И.В. Дубровин, П.П. Горбик, М.Н. Филоненко, В.С. Мельников, О.А. Мищук. Синтез покрытий из поликристаллического оксида цинка методом пиролиза аэрозолей // Поверхность. – 2003. – № 10. – С. 86–89.

Здобувачем було одержано досліджувані зразки, вивчено характер взаємодії та проведено ДТА в системі оксид цинку – хлорид цинку. Встановлено оптимальні умови одержання полікристалічних нанорозмірних плівок ZnO.

2. A.A. Dadykin, A.G. Naumovets, P.P. Gorbik, I.V. Dubrovin, V.M. Ogenko, M.N. Filonenko. Low-field electron emission and cathode luminescence of piezoelectric films of oxides and chalcogenides // Chemistry, Physics and Technology of Surfaces: Interdepartmental Collection of Scientific Papers / Institute of Surface Chemistry NAS of Ukraine; Editor–in–Chief A.A. Chuiko. – К.: Вид. дім “КМ Академія”. – 2002. – Is. 7–8. – Р. 163–176.

Здобувачем було одержано плівки ZnO та Zn_1-хCd_хS, вивчено динаміку і кінетику окиснення плівок халькогенідів цинку, а також досліджено фазовий склад плівок твердих розчинів халькогенідів цинку та кадмію.

3. П.П. Горбик, І.В. Дубровін, М.М. Філоненко, О.О. Чуйко. Одержання тонких плівок оксиду цинку електрохімічним методом та їх властивості // Хімія, фізика та технологія поверхні: Міжвід. зб. наук. пр. / Ін-т хімії поверхні НАН України; гол. ред. О.О. Чуйко. – К.: Вид. дім “КМ Академія”. – 2004. – Вип. 10. – С. 105 – 108.

Здобувачем було одержано досліджувані зразки, вивчено процеси які протікають при формуванні плівок ZnO електрохімічним методом. Встановлено оптимальні умови електроосадження плівок оксиду цинку.

4. П.П. Горбик, А.А. Дадыкин, И.В. Дубровин М.Н. Филоненко, А.А. Чуйко. Особенности полевой электронной эмиссии из пьезоактивного квантоворазмерного оксида цинка // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології. – 2003. – Т.1, №2. – С. 475–484.

Здобувачем було проведено синтез квантоворозмірних п’єзоелементів оксиду цинку та вивчено вплив різних факторів на процеси формування і проведено розрахунки емісійних характеристик одержаних структур та інтерпретацію отриманих вольтамперних характеристик, запропоновано модель польової електронної емісії, яка пояснює експериментальні результати.

5. П.П. Горбик, А.А. Дадыкин, И.В. Дубровин, А.Г. Наумовец, В.М. Огенко, М.Н. Филоненко. Полевые эмиттеры из пленок пьезоэлектриков для ярких плоских катодолюминесцентных дисплеев и других электровакуумных устройств // Сборник докладов 12-го Международного симпозиума “Тонкие пленки в электронике”. – Харьков, 2001. – С. 109–111.

Здобувачем було одержано досліджувані зразки, вивчено динаміку та кінетику окиснення халькогенідних плівок, визначено оптимальні умови одержання полікристалічних плівок оксиду цинку.

6. Горбик П.П., Дадикін О.А., Дубровін І.В., Наумовець А.Г., Огенко В.М., М.М. Філоненко. Синтез оксидних та халькогенідних п’єзоактивних плівок для низькопольових електронних емітерів та катодолюмінесцентних екранів // Book of abstract International conference “Functionalized materials: synthesis, properties and application”. – Kyiv, 2002. – P. 207.

Здобувачем було одержано всі експериментальні зразки, проведено розрахунки емісійних характеристик оксидних та халькогенідних плівок. Встановлено температурні режими одержання п’єзоактивних оксидних і халькогенідних плівок.

7. П.П. Горбик, И.В. Дубровин, Ю. М. Литвин, М.Н. Филоненко. Синтез покрытий из поликристаллического ZnO методом пиролиза аэрозолей // Тезисы докладов Х Национальной конференции по росту кристаллов “НКРК – 2002”. – Москва, Россия, 2002. – С. 620.

Здобувачем було одержано досліджувані зразки, вивчено характер взаємодії та проведено ДТА в системі оксид цинку – хлорид цинку. Встановлено концентраційні та температурні інтервали одержання нанорозмірних плівок ZnO.

8. П.П. Горбик, А.А. Дадыкин, И.В. Дубровин, А.Г. Наумовец, В.М. Огенко, М.Н. Филоненко. Эмиссионные и катодолюминесцентные свойства пьезоэлектрических пленочных структур // Матеріали VII Всеукраїнської конференції “Фундаментальна та професійна підготовка фахівців з фізики”. – Київ, 2002. – С. 149.

Здобувачем було одержано всі експериментальні зразки, проведено розрахунки емісійних характеристик оксидних та халькогенідних плівок, досліджено їх катодолюмінесцентні властивості.

9. М.М. Філоненко, П.П. Горбик, І.В. Дубровін. Наноструктурні плівки оксиду цинку: синтез та властивості // Тези доповідей Всеукраїнської конференції молодих вчених з актуальних питань хімії. – Київ, 2003. – С. 106.

Здобувачем було одержано досліджувані зразки. Визначено концентраційні та температурні інтервали одержання нанорозмірних плівок ZnO.

10. П.П. Горбик, И.В. Дубровин, М.Н. Филоненко, А.А. Чуйко, А.А. Дадыкин, А.Г. Наумовец. Синтез и свойства тонкопленочных нанокристаллических структур на основе оксида цинка // Тезисы докладов XVII Менделеевского съезда по общей и прикладной химии. – Казань, Россия, 2003. – С. 352.

Здобувачем було одержано методами окиснення попередника та піролізу аерозолів водних розчинів тонкоплівкові нанокристалічні структури, вивчено морфологію отриманих покрить.

11. А.А. Дадыкин, А.Г. Наумовец, П.П. Горбик, И.В. Дубровин, М.Н. Филоненко, А.А. Чуйко. Полевая электронная эмиссия из квантоворазмерных ZnO пьезоэлектрических наноструктур // Тезисы Международной конференции по физике кристаллов “Кристаллофизика 21-го века”. – Москва, Россия, 2003. – С. 334–335.

Здобувачем було одержано масиви квантоворозмірних п’єзоелементів оксиду цинку. Проведено розрахунки емісійних характеристик цих структур та інтерпретацію отриманих вольтамперних характеристик, запропоновано модель низькопольової електронної емісії, яка пояснює експериментальні результати.

12. П.П. Горбик, И.В. Дубровин, М.Н. Филоненко. Получение пленок оксида цинка электрохимическим методом // Тезисы IV Международной конференции “Аморфные и микрокристаллические полупроводники”. – Санкт Петербург, Россия, 2004. – С. 366 – 367.

Здобувачем було одержано досліджувані зразки. Встановлено залежність швидкості осадження плівок оксиду цинку від концентрації нітрату цинку та швидкості росту від товщини.

13. П.П. Горбик, А.А. Дадыкин, И.В. Дубровин, М.Н. Филоненко, А.А Чуйко. Квантоворазмерные структуры оксида цинка: синтез и свойства // Авторефераты докладов IV международной конференции “Химия высокоорганизованных веществ и научные основы нанотехнологии”. – Санкт Петербург, Россия, 2004. – С. 171 – 172.

Здобувачем методом осадження аерозолю водного розчину було одержано масиви квантоворозмірних п’єзоелементів ZnO. Вивчено процеси які протікають під час формування квантоворозмірних п’єзоелементів.

14. М.Н. Филоненко, П.П. Горбик, А.А. Дадыкин, И.В. Дубровин. Полевая электронная эмиссия из пьезоактивного квантоворазмерного оксида цинка // Сборник авторефератов Международной школы – семинара “Наноматериалы в химии и биологии”. – Киев, 2004. – С.55.

Здобувачем було одержано експериментальні зразки, проведено розрахунки емісійних характеристик цих зразків структур та інтерпретацію вольтамперних характеристик.