Μελέτη των μηχανικών ιδιοτήτων και των φωτογενών μεταβολών τους στο άμορφο υδρογονωμένο πυρίτιο: ο ρόλος του υδρογόνου

Abstract

Αντικείμενο της εργασίας αυτής είναι η πειραματική μελέτη των φωτογενών αλλαγών στις μηχανικές ιδιότητες του Άμορφου Υδρογονωμένου Πυριτίου (a-Si:H) που ανακαλύφτηκαν πρόσφατα. Μελετήθηκαν διεξοδικά τόσο οι στατικές ελαστικές ιδιότητες του υλικού όσο και το φαινόμενο της φωτογενούς διαστολής του, κάτω από ισχυρό συνεχή φωτισμό. Η εργασία εστιάζεται κυρίως στο ρόλο του υδρογόνου στην δομή του υλικού και μέσω αυτής, στα φαινόμενα που σχετίζονται με τη δημιουργία μετασταθών ατελειών. Στο Κεφάλαιο 1 παρουσιάζεται μια γενική περιληπτική εισαγωγή στο Άμορφο Υδρογονωμένο Πυρίτιο. Γίνεται μια σύντομη αναφορά στη δομή του υλικού, την πυκνότητα καταστάσεων, την φωτοαγωγιμότητα και τα κανάλια επανασύνδεσης των φωτο-φορέων. Περιγράφονται εκτενέστερα οι διαφορετικές φάσεις που υπάρχουν στο υλικό όσον αφορά την περιεκτικότητα τους σε υδρογόνο και τα πειράματα από τα οποία έχουν αντληθεί πληροφορίες σχετικά με τις φάσεις αυτές και τις ιδιότητες τους. Στο Κεφάλαιο 2 περιγράφεται το φαινόμενο υποβάθμισης της αγωγιμότητας και δημιουργίας μετασταθών ατελειών, το γνωστό ως φαινόμενο Staebler-Wronski (SW) και παρουσιάζονται δύο μοντέλα που έχουν προταθεί για την ερμηνεία του. Στην συνέχεια γίνεται αναφορά σε πρόσφατα πειράματα που αποδεικνύουν ότι τα μοντέλα αδυνατούν να περιγράψουν τον πραγματικό μηχανισμό του φαινομένου. Γίνεται μια σύντομη εισαγωγή σε άλλες φωτοδομικές αλλαγές που παρατηρούνται στο υλικό και σχετίζονται με το υδρογόνο, η μελέτη των οποίων πιστεύεται ότι μπορεί να βοηθήσει στην κατανόηση του μηχανισμού του SW. Τέλος αναφερόμαστε στις πρώτες εργασίες που δημοσιεύτηκαν και έδιναν αντικρουόμενα αποτελέσματα σχετικά με την παρουσία μετασταθούς φωτογενούς διαστολής ή συστολής στο υλικό. Στο Κεφάλαιο 3 γίνεται εκτενής περιγραφή της πειραματικής τεχνικής «μέτρησης της κάμψης και της συχνότητας συντονισμού διμεταλλικής μικροράβδου» που για πρώτη φορά χρησιμοποιείται για την μελέτη των μηχανικών ιδιοτήτων του άμορφου υδρογονωμένου πυριτίου και παρουσιάζονται τα πλεονεκτήματα της, σε σχέση με τις άλλες τεχνικές που έχουν χρησιμοποιηθεί μέχρι σήμερα. Αναφέρονται τα σημεία εκείνα στα οποία η υπάρχουσα θεωρία γύρω από το πείραμα αυτό ήταν ελλιπής ή έπρεπε να τροποποιηθεί ώστε να μπορούν τα πειραματικά αποτελέσματα να δώσουν με ακρίβεια τις ιδιότητες του υλικού. Τα σημεία αυτά σχετίζονται με την τραπεζοειδή διατομή που χαρακτηρίζει τις διμεταλλικές μικροράβδους που χρησιμοποιήσαμε. Στην συνέχεια περιγράφεται αναλυτικά η μεθοδολογία που ακολουθήσαμε για την εξαγωγή των αναγκαίων τύπων και οι παραδοχές που έγιναν. Στο τέλος του κεφαλαίου γίνεται μια σύντομη εισαγωγή στο φαινόμενο της παρουσίας εσωτερικών τάσεων σε υμένια και παρουσιάζεται ένας αναλυτικός υπολογισμός για την εύρεση της εσωτερικής τάσης ενός υμενίου, εναποθετημένου σε ράβδο ορθογώνιας ή τραπεζοειδούς διατομής από την κάμψη που παρουσιάζει η τελευταία εξαιτίας της τάσης αυτής, στην γενική περίπτωση όπου τα δύο υλικά έχουν συγκρίσιμα πάχη και διαφορετικές ελαστικές ιδιότητες. Το Κεφάλαιο 4 χωρίζεται σε δύο μέρη. Το πρώτο μέρος αναφέρεται στην μελέτη των ελαστικών ιδιοτήτων υμενίων με διαφορετική περιεκτικότητα σε υδρογόνο. Μετρούμε τη συχνότητα συντονισμού μικροράβδων στις οποίες έχουν εναποτεθεί υμένια a-Si:H κατασκευασμένα με διάφορες τεχνικές και κάτω από διαφορετικές συνθήκες εναπόθεσης. Προσδιορίζουμε το μέτρο ελαστικότητας του Young όλων αυτών των υλικών. Στην συνέχεια παρουσιάζουμε περιληπτικά ένα απλό μοντέλο για συνεχές τυχαίο δίκτυο (CRN) ατόμων, που έχει προταθεί για να εξηγήσει πως εξαρτάται το μέτρο αυτό από την περιεκτικότητα ενός υμενίου σε υδρογόνο. Συγκρίνοντας τα αποτελέσματα μας με τις προβλέψεις του μοντέλου συμπεραίνουμε ότι το άμορφο υδρογονωμένο πυρίτιο παρουσιάζεται γενικά πιο μαλακό από ότι αναμένεται για υλικό CRN. Εξετάζουμε πιθανούς λόγους για την συμπεριφορά αυτή. Καταλήγουμε ότι τα υλικά με τις καλύτερες οπτοηλεκτρονικές ιδιότητες είναι ανομοιογενή τουλάχιστον όσον αφορά την κατανομή υδρογόνου στο εσωτερικό τους. Το δεύτερο μέρος είναι αφιερωμένο στην εκτεταμένη μελέτη του φαινομένου διαστολής του υδρογονωμένου αμόρφου πυριτίου κάτω από φωτισμό. Μετρούμε την κάμψη που παρουσιάζουν μικροράβδοι κρυσταλλικού πυριτίου, εξαιτίας της διαστολής των υμενίων που έχουν εναποτεθεί σε αυτές. Αποδεικνύουμε ότι το φαινόμενο αυτό χαρακτηρίζει όλα τα υλικά ανεξαρτήτως κατασκευαστικής τεχνικής και περιεκτικότητας σε υδρογόνο. Παρατηρούμε, για πρώτη φορά, την ύπαρξη συγκεκριμένης κινητικής, που χαρακτηρίζει όλα τα ενδογενή δείγματα. Στην συνέχεια μελετούμε την εξάρτηση του φαινομένου από την περιεκτικότητα των δειγμάτων σε υδρογόνο. Εξετάζουμε την μεταστάθεια του φαινομένου και αποδεικνύουμε ότι το φαινόμενο αναστρέφεται σε ποσοστό που εξαρτάται από την θερμική ιστορία των δειγμάτων. Μελετούμε επίσης δείγματα μη υδρογονωμένου άμορφου πυριτίου (a-Si) και μερικώς αφυδρογονωμένου a-Si:H και συμπεραίνουμε ότι το φαινόμενο δεν παρουσιάζεται σε δείγματα αυτού του τύπου. Τέλος συζητούμε πιθανούς μηχανισμούς φωτογενούς διαστολής και αποδεικνύουμε ότι αυτή δεν μπορεί να προέρχεται από την δημιουργία μετασταθών ατελειών. Παρουσιάζουμε ένα απλό μοντέλο που έχει προταθεί για να περιγράψει το φαινόμενο και προτείνουμε τροποποιήσεις που εξηγούν τα ευρήματα μας. Τέλος συζητούμε έναν πιθανό συσχετισμό ανάμεσα στην φωτογενή διαστολή και τη δημιουργία μετασταθών ατελειών και αναπτύσσουμε ένα απλό μοντέλο που συνδέει τα δύο φαινόμενα μεταξύ τους και δίνει σωστά ποσοτικά αποτελέσματα σχετικά με το πείραμα.