JP2010519406A - ケイ素ゲルマニウム合金ナノ結晶の調製方法 - Google Patents
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Abstract
本発明は、従来の管状炉内で、含ケイ素物質およびGeX2の同時熱不均化によりケイ素ゲルマニウム合金ナノ結晶を調製する方法に関する。含ケイ素物質およびGeX2の熱不均化の生成物の酸エッチングにより、自己保持性ケイ素ゲルマニウムナノ結晶を調製する方法も含まれる。
Description
本発明は、特に含ケイ素物質およびハロゲン化ゲルマニウムの同時熱不均化により、ケイ素ゲルマニウム合金ナノ結晶を調製する方法に関する。本発明は、該物質およびハロゲン化ゲルマニウムの熱不均化による反応生成物を酸エッチングすることにより、水素化物で表面終端したナノ結晶性ケイ素ゲルマニウム合金を調製する方法にさらに関する。
多孔性ケイ素からの可視のフォトルミネセンス(PL)が発見されてから(本明細書に参照により組み込まれている、Canham、L. T. Appl. Phys. Lett. 1990、57(10)、1046頁)、IV族半導体のナノ結晶は、その独特の化学的および光学的特徴から、集中的に行われる研究の中心となった。ナノスケールのケイ素およびゲルマニウムにおけるサイズ依存特性の出現は、半導体バンド構造モデルに挑むだけでなく、これらの物質の潜在的用途を拡大した。ケイ素およびゲルマニウムのナノ結晶(nc-Si、nc-Ge)は両方ともサイズ依存性PLを示す(本明細書に参照により組み込まれている、Takeoka、S.、Fujii、M.、Hayashi、S.、Yamamoto、K.Phys.Rev.B 1998、58(12)、7921頁およびVeinot、J.G.C.Chem.Comm.2006、40、4160頁)、これは量子閉じ込め効果によるもので、様々な光電子デバイスへの潜在的統合が検討されてきた(本明細書に参照により組み込まれている、Pavesi、L.、Dal Negro、L.、Mazzoleni、C.、Franzo、G.、Priolo、F.、Nature、2000、408、440頁およびKuo、Y.H.、Lee、Y.K.、Ge、Y.、Ren、S.、Roth、J.E.、Kamins、T.I.、Miller、D.A.B.、Harris、J.S.、Nature、2005、437、1334頁)。ケイ素とゲルマニウムの合金にすることにより、半導体薄膜および塊状物質のバンドギャップエネルギーを調整する便利な方法が得られることは、よく理解されている(本明細書に参照により組み込まれている、Palfinger、G.、Bitnar、B.、Sigg、H.、Muller、E.、Stutz、S.、Grutzmacher、D.、Physica E、2003、16、481頁)。ケイ素およびゲルマニウムは、全体の組成範囲を通して連続する合金を形成するので、この合金のバンドギャップエネルギーは、ゲルマニウム含有量を増加させることによって、単調に調製することができる。この点に関し、サイズ依存性PLも示すケイ素ゲルマニウム合金ナノ結晶(nc-Si1-xGex)(本明細書に参照により組み込まれている、Weissker、H.C.、Furthmuller、J.、Bechstedt、F.、Phys.Rev.Lett.、2003、90(8)、085501-1頁、)は、その成分上の対応物と比較して万能性が向上している。なぜならこれらの光応答は、組成上の制御を介して調整することができるからである(本明細書に参照により組み込まれている、Takeoka、S.、Toshikiyo、K.、Fujii、M.、Hayashi、S.、Yamamoto、K.、Phys.Rev.B、2000、61(23),15988頁)。このような合金ナノ結晶は、熱光発電太陽電池(TPV)およびタンデム太陽電池ならびにケイ素ベースの光電子デバイスにおいて潜在的用途を有する(本明細書に参照により組み込まれている、Palfinger、G.、Bitnar、B.、Sigg、H.、Muller、E.、Stutz、S.、Grutzmacher、D.、Physica E、2003、16、481頁およびYang、Y.M.、Wu、X.L.、Siu、G.G.、Huang、G.S.、Shen、J.C.、Hu、D.S. J. Appl.Phys.、2004、96(9))。nc-Si1-xGexを調製するための現存の方法は、以下を含む:マグネトロン同時スパッタリング法(本明細書に参照により組み込まれている、Takeoka、S.、Toshikiyo、K.、Fujii、M.、Hayashi、S.、Yamamoto、K.Phys.Rev.B、2000、61(23)、15988頁およびYang、Y.M.、Wu、X.L.、Siu、G.G.、Huang、G.S.、Shen、J.C.、Hu、D.S.、J.Appl.Phys、2004、96(9)、5239頁およびYang、Y.M.、Wu、X.L.、Yang、L.W.、Kong、F.J.Crystal Growth、2006、291、358頁)、化学蒸着法(CVD)(本明細書に参照により組み込まれている、Palfinger、G.、Bitnar、B.、Sigg、H.、Muller、E.、Stutz、S.、Grutzmacher、D.、Physica E、2003、16、481頁およびKling、A.、Ortiz、M.I.、Sangrador、J.、Rodriguez、A.、Rodriguez、T.、Ballesteros、C.、Soares、J.C.Nucl.Instr. and Meth.in Phys.Res.B、2006、249、451頁)、熱蒸着法、(本明細書に参照により組み込まれている、Lin、C.W.、Lin、S.Y.、Lee、S.C.、Chia、C.T.、J.Appl.Phys.、2002、91(4)、2322頁)および分子線エピタキシー法(MBE)、(本明細書に参照により組み込まれている、Tang、Y.S.、Cai、S.、Jin、G.、Duan、J.、Wang、K.L.、Soyez、H.M.、Dunn、B.S. Appl.Phys.Lett.、1997、71(17)、2448頁)。これらすべての方法は、これに続く高温でのアニーリングを必要とする。さらに、このようなインフラ集約型の生成方法からは、酸化物への埋め込み型または基板に担持されたナノ結晶が少量しか生成されない。自己保持性のnc-Si1-xGexを調製するための現在の方法ではまた、複雑な装置および実験用デザインが必要とされる一方、生成される粒子のサイズおよび形が不明確である(本明細書に参照により組み込まれている、Lin、C.W.、Lin、S.Y.、Lee、S.C.、Chia、C.T.、J. Appl. Phys.、2002、91(4)、2322頁およびLiao、Y.C.、Lin、S.Y.、Lee、S.C.、Chia、C.T.、App.Phys.Let.、2000、77(26)、4328頁)。
Canham、L. T. Appl. Phys. Lett. 1990、57(10)、1046頁
Takeoka、S.、Fujii、M.、Hayashi、S.、Yamamoto、K.Phys.Rev.B 1998、58(12)、7921頁
Veinot、J.G.C.Chem.Comm.2006、40、4160頁
Pavesi、L.、Dal Negro、L.、Mazzoleni、C.、Franzo、G.、Priolo、F.、Nature、2000、408、440頁
Kuo、Y.H.、Lee、Y.K.、Ge、Y.、Ren、S.、Roth、J.E.、Kamins、T.I.、Miller、D.A.B.、Harris、J.S.、Nature、2005、437、1334頁
Palfinger、G.、Bitnar、B.、Sigg、H.、Muller、E.、Stutz、S.、Grutzmacher、D.、Physica E、2003、16、481頁
Weissker、H.C.、Furthmuller、J.、Bechstedt、F.、Phys.Rev.Lett.、2003、90(8)、085501-1頁
Takeoka、S.、Toshikiyo、K.、Fujii、M.、Hayashi、S.、Yamamoto、K.、Phys.Rev.B、2000、61(23),15988頁
Yang、Y.M.、Wu、X.L.、Siu、G.G.、Huang、G.S.、Shen、J.C.、Hu、D.S. J. Appl.Phys.、2004、96(9)
Yang、Y.M.、Wu、X.L.、Siu、G.G.、Huang、G.S.、Shen、J.C.、Hu、D.S.、J.Appl.Phys、2004、96(9)、5239頁
Yang、Y.M.、Wu、X.L.、Yang、L.W.、Kong、F.J.Crystal Growth、2006、291、358頁
Kling、A.、Ortiz、M.I.、Sangrador、J.、Rodriguez、A.、Rodriguez、T.、Ballesteros、C.、Soares、J.C.Nucl.Instr. and Meth.in Phys.Res.B、2006、249、451頁
Lin、C.W.、Lin、S.Y.、Lee、S.C.、Chia、C.T.、J.Appl.Phys.、2002、91(4)、2322頁
Tang、Y.S.、Cai、S.、Jin、G.、Duan、J.、Wang、K.L.、Soyez、H.M.、Dunn、B.S. Appl.Phys.Lett.、1997、71(17)、2448頁
Liao、Y.C.、Lin、S.Y.、Lee、S.C.、Chia、C.T.、App.Phys.Let.、2000、77(26)、4328頁
J. F.BrownおよびL. H.、Vogt、J.Am.Chem.Soc.、1965、87、4313頁
Hessel、C.M.、Henderson、E.J.、Veinot、J.G.C.、Chem. Mat.、2006、印刷中
Cronemeyer、D.C.、J. Appl. Phys.、1958、29(12)、1730頁
Yang、Y.M.、Wu、X.L.、Huang、G.S.、Hu、D.S.、Siu、G.G.Phys.Lett.A、2005年、338、379頁
Hwang、C.W.、Ryu、M.K.、Kim、K.B.、Lee、S.C.、Kim、C.S.、J.Appl.Phys.、1995、77(7)、3042頁
Fok、E.、Shih、M.、Meldrum、A.、Veinot、J.G.C.、Chem. Comm.、2004、10、386頁
Tian、H.H.、Atzmon、M.Phil、Mag.A、1999、79(8)、1769頁
フォトルミネセンス特性を有する半導体ナノ結晶を調製する方法が依然として必要である。
従来の管状炉内での、水素シルセスキオキサン(HSQ)およびハロゲン化ゲルマニウムなどの含ケイ素物質の同時熱誘導による不均一化により、酸化物への封入型の、さらには水素化物で表面終端した、自己保持性のナノ結晶性ケイ素ゲルマニウム(nc-Si1-xGex)を合成するための簡単明快な方法が、本明細書中において報告される。
したがって、本発明は、含ケイ素物質および式GeX2(式中、XはBrまたはIである)の化合物を、該物質およびGeX2の熱不均化を誘発する条件下で接触させることによって、ケイ素ゲルマニウム合金ナノ結晶を生成するステップを含む、ケイ素ゲルマニウム合金ナノ結晶を調製する方法に関する。
本発明はまた、調製中に形成された酸化物マトリックスからケイ素ゲルマニウム合金のナノ粒子を遊離させる条件下で、上述した方法を用いて調製されたナノ結晶性ケイ素ゲルマニウム合金を酸エッチングするステップを含む、自己保持性ケイ素ゲルマニウム合金のナノ粒子を調製するための方法を含む。
本発明はまた、本発明の方法を用いて調製したケイ素ゲルマニウム合金のナノ粒子、ならびにそのようなナノ粒子の、例えば、熱光発電太陽電池(TPV)、タンデム太陽電池ならびにケイ素ベースのマイクロ電子デバイスおよび光電子デバイスへの使用を含む。
特定の取扱い手順を必要とするシランおよびゲルマンなどの試薬を使用する他のnc-Si1-xGex調製法(本明細書に参照により組み込まれている、Palfinger、G.、Bitnar、B.、Sigg、H.、Muller、E.、Stutz、S.、Grutzmacher、D.、Physica E2003、16、481頁およびKling、A.、Ortiz、M.I.、Sangrador、J.、Rodriguez、A.、Rodriguez、T.、Ballesteros、C.、Soares、J.C. Nucl.Instr.and Meth.in Phys.Res.B、2006、249、451頁)とは異なり、本発明で利用されている出発物質は、標準的実験技法を用いて容易に操作されるので、本発明の方法は、他の既知の方法よりも好都合である。さらに、バンドギャップがゲルマニウム含有量に依存することにから、調整可能なバンドギャップ半導体材料の生成が可能となる。
本発明の他の特徴および利点は、以下の詳細な記述から明らかとなる。但し、詳細な記述および特定の実施例は、本発明の好ましい実施形態を示すものであるが、この詳細な記述から本発明の趣旨および範囲内での様々な変更および修正が当業者に明らかになることから、例示のみとして与えられていることが理解されよう。
本発明は、これより以下の図に関連して記述されることになる。
分子前駆体、水素シルセスキオキサンおよびゲルマニウムジアイオダイドの同時熱誘導による不均一化を介しての、多角体Si1-xGex合金ナノ結晶の調製は、従来の管状炉で実施されてきた。X線回折の分析からは、アニーリング時間およびHFエッチングに関係なく一定のままであったSi0.45Ge0.55に一致する組成物が示唆された。X線回折、ラマン分光法、透過型電子顕微鏡およびエネルギー分散電子回折すべてにおいて、nc-Si0.45Ge0.55の存在が確認された。フーリエ変換赤外分光法では、HFエッチングでのナノ粒子の水素化物による表面終端が確認された。
したがって、本発明は、含ケイ素物質および式GeX2(式中、XはBrまたはIである)の化合物を、該物質およびGeX2の熱不均化を誘発する条件下で接触させることによって、ケイ素ゲルマニウム合金ナノ結晶を生成するステップを含む、ケイ素ゲルマニウム合金ナノ結晶を調製する方法に関する。
「ケイ素ゲルマニウム合金ナノ結晶」とは、実質的に結晶であるケイ素およびゲルマニウムを含むナノ粒子を意味する。この粒子のサイズは、8〜17nmの範囲であってよい。本発明の実施形態において、ケイ素ゲルマニウム合金ナノ結晶は、式Si1-xGex、特にSi0.45Ge0.55の多角体ナノ結晶である。
本発明の実施形態において、XはIである。
本発明の別の実施形態において、含ケイ素物質は、シリカまたは式(RSiO1.5)n(式中、Rは、Hまたはシリカ形成反応の条件下でケイ素原子から取り除かれない任意の有機基であり、nは、4〜50、適切には4〜30、より適切には6〜12の範囲の整数である)のシルセスキオキサンである。シリカ形成反応の条件下でケイ素原子から取り除かれない有機基の例は、当業者には既知であり、例えば直鎖および分枝のC1〜20アルキル、C2〜20アルケニルまたはC2〜20アルキニル、シクロ-C3〜20アルキルまたはアリールなどのアルキル基を含む。このような基はすべて、例えば、1種もしくは複数のハロ、例えばフルオロもしくはC1〜6アルキルなどで場合によって置換されていてもよく、ならびに/またはこのようなグループは、O、SおよびNから選択されるヘテロ原子で置き換えられる炭素原子を、1〜5個、適切には、1〜3個有してもよい。シルセスキオキサンは通常、アセトン/水の混合物中で、二量体、四量体などの形成のための、RSiY3(式中、Yは、CIまたはアルコキシドなど、反応性の高い置換基である)の加水分解性の複合縮合により形成される(J. F.BrownおよびL. H.、Vogt、J.Am.Chem.Soc.、1965、87、4313頁を参照)。本発明の別の実施形態において、Rは、Hであり、したがって、この含ケイ素物質は、水素シルセスキオキサン(HSQ)である。このHSQは、適切には固体の形態であってよい。固体のHSQは、例えば、HSQを含む原液から溶媒を取り除くことによって得ることができる。HSQ溶液は、HSQとキャリア溶媒とを含む任意の適切な溶液であってよい。このような溶液は、例えば、Dow Corningから入手可能である。
本発明の別の実施形態において、含ケイ素物質は、ゾルゲル法を用いて調製したシリカ(SiO2)である。
ケイ素ゲルマニウム合金ナノ結晶を生成するための含ケイ素物質およびGeX2の熱不均化を誘発する条件は、ケイ素ゲルマニウム合金ナノ結晶の最適な生成が観察されるまで、熱処理の温度および時間を変化させることにより、当業者が決定することもできる。ケイ素ゲルマニウム合金ナノ結晶の観察は、当分野で知られている技法、例えば、粉末X線回折(XRD)、ラマン分光法、透過型電子顕微鏡(TEM)およびエネルギー分散型電子線回折を用いて行うことができる。XRDパターンにおいて、その特徴的ピークは、ダイアモンド格子系ナノ結晶Si1-xGex(nc-Si1-xGex)のそれぞれの(111)、(220)および(311)の反射に対して、約2θ=28°、47°および55°に現れる。ラマンスペクトル法において、約292、395および507cm-1でのピークは、(nc-Si1-xGex)に特徴的なものである。
本発明の実施形態において、ケイ素ゲルマニウム合金ナノ結晶を生成するための、含ケイ素物質およびGeX2の熱不均化を誘発する条件は、よく混合した含ケイ素物質およびGeX2を、約1〜約24時間、適切には約5〜約20時間の間、900℃〜1600℃の範囲の温度、適切には、約1100℃へ加熱するステップを含む。本発明のさらなる実施形態において、熱不均化は、わずかに還元性の雰囲気、例えば、アルゴンなどの不活性ガスと、約1体積%〜約10体積%、適切には約5体積%の水素ガスを含む雰囲気内で行われる。本発明のさらなる実施形態において、加熱は、従来の管状炉内で実施される。
「よく混合した」とは、含ケイ素物質およびGeX2が、これら2つの物質の実質的に均一な混合物が得られるようなやり方で混合されるということを意味する。これは、例えば、乳鉢および乳棒を用いた機械的粉砕により行うことができる。
上述した方法を用いて生成されたケイ素ゲルマニウム合金ナノ結晶は、SiO2状マトリックス内に封入される、すなわち「酸化物への封入型」である。本発明の方法は、酸化物への封入型ケイ素ゲルマニウム合金ナノ結晶を、酸、例えばフッ化水素酸(HF)溶液で処理することによって自己保持性のケイ素ゲルマニウム合金ナノ結晶を生成するステップをさらに含む。酸処理は、例えば、アルコール性水溶液中で、約0.5〜2時間、適切には約1時間の間行ってもよく、その後で水、適切には蒸留水で洗浄してもよい。酸処理の前に、酸化物への封入型ケイ素ゲルマニウム合金ナノ結晶を、洗浄することによって、不純物、例えば塊状ゲルマニウムまたはGeX4(式中、Xは、ヨードなどのハロである)を取り除く。
自己保持性の、水素化物で表面終端したケイ素ゲルマニウム合金ナノ結晶(HSQおよびGeX2の熱不均化から調製)の官能化が、本発明のさらなる態様である。
本発明はまた、本発明の方法を用いて調製したケイ素ゲルマニウム合金ナノ結晶、ならびにそのようなナノ結晶の、例えば、熱光発電太陽電池(TPV)、タンデム太陽電池またはケイ素ベースのマイクロ電子デバイスおよび光電子デバイスへの使用を含む。
以下の非限定的な例は、本発明を例示している。
(実施例)
試薬および材料
水素シルセスキオキサン(HSQ)は、メチルイソブチルケトン中17%w/w溶液(商品名FOx-17(登録商標))として、Dow Corningから購入した。ゲルマニウムジアイオダイド(Gel2、99,99+%)は、Sigma-Aldrichから購入し、そのまま使用した。HSQおよびGel2は、光を抑えた、アルゴン充填グローブボックス(<0.1ppm H2O、0.6ppm O2)内に保存した。過酸化水素(30%水溶液、EMD)、メタノール(>99.8%、Fisher Scientific)、電子グレードのフッ化水素酸(HF、49%水溶液、J.T.Baker)および試薬グレードのエタノール(95%、Sigma-Aldrich)は、そのまま使用した。高純度の水(18.2M/cm)は、Barnstead Nanopure Diamond精製システムから入手した。
試薬および材料
水素シルセスキオキサン(HSQ)は、メチルイソブチルケトン中17%w/w溶液(商品名FOx-17(登録商標))として、Dow Corningから購入した。ゲルマニウムジアイオダイド(Gel2、99,99+%)は、Sigma-Aldrichから購入し、そのまま使用した。HSQおよびGel2は、光を抑えた、アルゴン充填グローブボックス(<0.1ppm H2O、0.6ppm O2)内に保存した。過酸化水素(30%水溶液、EMD)、メタノール(>99.8%、Fisher Scientific)、電子グレードのフッ化水素酸(HF、49%水溶液、J.T.Baker)および試薬グレードのエタノール(95%、Sigma-Aldrich)は、そのまま使用した。高純度の水(18.2M/cm)は、Barnstead Nanopure Diamond精製システムから入手した。
(実施例1)
酸化物への封入型nc-Si0.45Ge0.55の合成
真空中でHSQ原液から溶媒を除去することによって、白色固体を得て、これをさらなる精製なしで使用した。典型的な調製法において、メノウの乳鉢および乳棒を用いて、グローブボックスの雰囲気内で、機械的粉砕によりHSQ(0.20g、0.47mmol)およびGel2(1.60g、4.90mmol)をよく混合することによって、均質な淡黄色の粉末を得た。自由に流れる粉末を、Linberg Blue UP150管状高温炉内の、石英の反応ボートへ移し、わずかに還元性の雰囲気(5%H2、95%Ar)内で、ca.60℃/minで、最大処理温度1100℃へ加熱した。反応混合物を1、5、10および20時間加熱することによって、ガラス質の茶色の固体(12%収率)として、Gel4ならびに1、2、3および4をそれぞれ得た。
酸化物への封入型nc-Si0.45Ge0.55の合成
真空中でHSQ原液から溶媒を除去することによって、白色固体を得て、これをさらなる精製なしで使用した。典型的な調製法において、メノウの乳鉢および乳棒を用いて、グローブボックスの雰囲気内で、機械的粉砕によりHSQ(0.20g、0.47mmol)およびGel2(1.60g、4.90mmol)をよく混合することによって、均質な淡黄色の粉末を得た。自由に流れる粉末を、Linberg Blue UP150管状高温炉内の、石英の反応ボートへ移し、わずかに還元性の雰囲気(5%H2、95%Ar)内で、ca.60℃/minで、最大処理温度1100℃へ加熱した。反応混合物を1、5、10および20時間加熱することによって、ガラス質の茶色の固体(12%収率)として、Gel4ならびに1、2、3および4をそれぞれ得た。
(実施例2)
水素化物で表面終端したnc-Si0.45Ge0.55の遊離
試料2を微細な粉末に粉砕し、H2O2:MeOHの5:1混合物中で、40℃で60分間超音波処理することによって、いかなる塊状GeおよびGel4の不純物も取り除いた。アルゴン流中で粉末を乾燥させた後、フッ化水素酸(HF)のエタノール水溶液で2を60分間エッチングすることで、水素化物で表面終端したnc-Si0.45Ge0.55を、酸化物マトリックスから遊離し、DI水中での遠心分離/超音波処理のサイクルの繰返しを用いて、超微細な黒色粉末5として単離した(収率10%)。
水素化物で表面終端したnc-Si0.45Ge0.55の遊離
試料2を微細な粉末に粉砕し、H2O2:MeOHの5:1混合物中で、40℃で60分間超音波処理することによって、いかなる塊状GeおよびGel4の不純物も取り除いた。アルゴン流中で粉末を乾燥させた後、フッ化水素酸(HF)のエタノール水溶液で2を60分間エッチングすることで、水素化物で表面終端したnc-Si0.45Ge0.55を、酸化物マトリックスから遊離し、DI水中での遠心分離/超音波処理のサイクルの繰返しを用いて、超微細な黒色粉末5として単離した(収率10%)。
(実施例3)
物質の特徴づけ
酸化物への封入型および自己保持性nc-Si0.45Ge0.55の塊状結晶化度は、Cu Kα照射源(λ=1.5406Å)を備えたINELXRG3000X線回折計を用いて、X線回折法(XRD)により評価した。785nmダイオードレーザーを備えたRenishaw inVia Raman顕微鏡を用いて、試料上のパワー7.94mWで、ラマン分光法によりnc-Si0.45Ge0.55の核の結合構造を調べた。Nicolet Magna750IR分光光度計を用いて、フーリエ変換赤外分光法でも結合を調べた。結晶形態、サイズ分布、および化学組成を、JEOL-2010(LaB6熱電子放出源)電子顕微鏡を用いて、加速電圧200keVで、透過型電子顕微鏡(TEM)法およびエネルギー分散型X線分光法(EDX)により評価した。自己保持性nc-Si0.45Ge0.55のTEM試料を、透明な、茶色のメタノール懸濁液から炭素コーティングされた銅格子に液滴でコーティングした。
物質の特徴づけ
酸化物への封入型および自己保持性nc-Si0.45Ge0.55の塊状結晶化度は、Cu Kα照射源(λ=1.5406Å)を備えたINELXRG3000X線回折計を用いて、X線回折法(XRD)により評価した。785nmダイオードレーザーを備えたRenishaw inVia Raman顕微鏡を用いて、試料上のパワー7.94mWで、ラマン分光法によりnc-Si0.45Ge0.55の核の結合構造を調べた。Nicolet Magna750IR分光光度計を用いて、フーリエ変換赤外分光法でも結合を調べた。結晶形態、サイズ分布、および化学組成を、JEOL-2010(LaB6熱電子放出源)電子顕微鏡を用いて、加速電圧200keVで、透過型電子顕微鏡(TEM)法およびエネルギー分散型X線分光法(EDX)により評価した。自己保持性nc-Si0.45Ge0.55のTEM試料を、透明な、茶色のメタノール懸濁液から炭素コーティングされた銅格子に液滴でコーティングした。
還元雰囲気内でのHSQの熱的に誘導した不均一化によるnc-Siの調製が最近報告された(本明細書に参照により組み込まれている、Hessel、C.M.、Henderson、E.J.、Veinot、J.G.C.、Chem. Mat.、2006、印刷中)。以前の寄稿論文において、約350〜500℃でのHSQケージ構造の崩壊を起源とするシランの急速な熱分解から非晶質ケイ素のナノドメインを形成することが提案された。続いてこれらのドメインを、900℃を超える温度で加熱することによって晶出させた。ゲルマニウムジアイオダイド(Gel2)は、350℃で不均一化し、成分GeおよびGel4を生成することが知られている、(本明細書に参照により組み込まれている、Cronemeyer、D.C.、J. Appl. Phys.、1958、29(12)、1730頁)。本発明は、HSQおよびGel2の同時熱分解から、ケイ素ゲルマニウム合金ナノ結晶(nc-Si0.45Ge0.55)を調製することによって、IV族半導体ナノ材料を合成するための熱分解方法を提供する。特定の取扱い手順を必要とするシランおよびゲルマンなどの試薬を使用する他のnc-Si1-xGex調製法(本明細書に参照により組み込まれている、Palfinger、G.、Bitnar、B.、Sigg、H.、Muller、E.、Stutz、S.、Grutzmacher、D.、Physica E 2003、16、481頁およびKling、A.、Ortiz、M.I.、Sangrador、J.、Rodriguez、A.、Rodriguez、T.、Ballesteros、C.、Soares、J.C. Nucl.Instr.and Meth.in Phys.Res.B、2006、249、451頁)とは異なり、HSQおよびGel2は、標準的実験技法を用いて容易に操作される。HSQおよびGel2の同時熱不均化からのnc-Si0.45Ge0.55が得られる、熱的誘導による反応を示すスキーム1において、分解反応の概要が提供されている。
HSQおよびGel2を、標準の管状炉内で、設定した反応時間の間、1100℃でよく混合し、アニーリングする。粉末X線回折(図1A)を用いて、反応時間の影響を監視した。1を1時間アニーリングした後では、塊状の、ダイアモンド格子系Geに対応する鋭い回折ピークしか確実に割り当てられるものはなかった。このような塊状のGe不純物は、HSQ分解と共に形成されるSiO2状マトリックスの外側のGe結晶化により生じる。塊状Geの反射上に段として現れる、弱い、広域に渡る反射もまた、1に対して観察されたが、これらをnc-Si0.45Ge0.55に確実に割り当てるのは不可能である。
反応混合物を延長して加熱することにより、試料2〜4を得た。これらの試料のXRDパターン(図1A)は、明らかにca.2θ=28°、47°および55°で現れる幅広い回折ピークを示し、これらは、ダイアモンド格子系Si1-xGexの特徴的反射(111)、(220)および(311)として容易に示される。図1Aは、2、3、および4において回折ピークがシフトしないことを示し、熱処理時間に関係なく、合金の成分組成は一定のままであることを強調している。式(4)(式中、aは格子定数であり、xはGeモル分率である)を用いて、実験的に求めた合金の格子定数を使用することによって、Si0.45Ge0.55としての合金組成物を評価した(本明細書に参照により組み込まれている、Yang、Y.M.、Wu、X.L.、Huang、G.S.、Hu、D.S.、Siu、G.G.Phys.Lett.A、2005年、338、379頁)。
a(x)=0.002733x2+0.01992x+0.5431nm (4)
2〜4のXRDパターンにおけるnc-Si0.45Ge0.55の反射強度は、加熱が延長されるほど増加することも注目されている。Si1-xGexに対して観察された、時間依存性強度の同様の関係は、粒子結晶化度の増加によるものである(本明細書に参照により組み込まれている、Hwang、C.W.、Ryu、M.K.、Kim、K.B.、Lee、S.C.、Kim、C.S.、J.Appl.Phys.、1995、77(7)、3042頁)。2〜4のXRDパターンは、アニーリング時間に依存しないで、ピーク幅が広くなることを示しているが、これは、ナノ粒子のサイズが一定であることを示唆している。Debye-Scherrer関係から、2〜4に関して、ナノ結晶直径が6.8nmであることが推定される。図1Bは、2および5のXRDパターンを示しており、2のHFエッチングを介して酸化物マトリックスからnc-Si0.45Ge0.55が遊離している。5に対する(111)、(220)および(311)反射は、2に対して得たパターンと一致していることが明らかである。図1Bはまた、遊離工程後の塊状Geの反射の強度が著しく減少していることを示している。残留する塊状Geは、不完全なエッチングの結果生じたようである。遊離したnc-Si0.45Ge0.55は、エッチング工程の間中、結晶性および一定の組成物を維持していることは明らかである。
2〜4のXRDパターンにおけるnc-Si0.45Ge0.55の反射強度は、加熱が延長されるほど増加することも注目されている。Si1-xGexに対して観察された、時間依存性強度の同様の関係は、粒子結晶化度の増加によるものである(本明細書に参照により組み込まれている、Hwang、C.W.、Ryu、M.K.、Kim、K.B.、Lee、S.C.、Kim、C.S.、J.Appl.Phys.、1995、77(7)、3042頁)。2〜4のXRDパターンは、アニーリング時間に依存しないで、ピーク幅が広くなることを示しているが、これは、ナノ粒子のサイズが一定であることを示唆している。Debye-Scherrer関係から、2〜4に関して、ナノ結晶直径が6.8nmであることが推定される。図1Bは、2および5のXRDパターンを示しており、2のHFエッチングを介して酸化物マトリックスからnc-Si0.45Ge0.55が遊離している。5に対する(111)、(220)および(311)反射は、2に対して得たパターンと一致していることが明らかである。図1Bはまた、遊離工程後の塊状Geの反射の強度が著しく減少していることを示している。残留する塊状Geは、不完全なエッチングの結果生じたようである。遊離したnc-Si0.45Ge0.55は、エッチング工程の間中、結晶性および一定の組成物を維持していることは明らかである。
図2Aは、1〜4に対してベースライン補正したラマンスペクトルを示している。各スペクトルは、ca.292、395および507cm-1での非対称なピークを示しており、これらは、Ge-Ge、Si-GeおよびSi-Si光学フォノン(OP)の振動にそれぞれ対応している。予想した通り、XRDパターンで識別された塊状Geの不純物のために、Ge-GeのOP振動が最も強い。アニーリングを延長することによって、nc-Si0.45Ge0.55に特徴的なOP振動の強度が増加することは明らかである。これは、Ge-Ge、Si-GeおよびSi-Si結合の数の増加に関連づけることができ、アニーリングの延長により粒子の結晶化度が増加したことを示唆しているXRDデータと一致する。図2Bは、2および5に対する、ベースライン補正したラマンスペクトルを示している。5のラマンスペクトルは、Ge-GeのOP振動強度の減少およびSi-GeおよびSi-Si振動に対する強度の増加を示しており、これは、遊離処置中の塊状Ge不純物の除去と一致している。塊状Siおよび塊状Geに関してのnc-Si1-xGexのラマン振動数のシフトは、成分組成、音子閉じ込め効果および粒度、ならびにマトリックスに埋め込まれた粒子の応力緩和に関連づけることができる(本明細書に参照により組み込まれている、Yang、Y.M.、Wu、X.L.、Siu、G.G.、Huang、G.S.、Shen、J.C.、Hu、D.S.、J. Appl. Phys.、2004、96(9))。しかし、これら3つの要素および全体のシフトへの相対的寄与を区別することは、容易ではないので、粒度および組成は、ラマンデータを介して簡単には得られない。
図3は、2および5のFTIRスペクトルを示している。2のFTIRスペクトル(図3A)は、SiO2状マトリックスのSi-O-Siの曲り(ca.1100cm-1)に伴う幅広いバンドを特徴とする。HF酸で5(図3B)をエッチングすることで、ca.2100cm-1における振動に証拠づけられるように(Si-HxおよびGe-Hxの広がり)、酸化物が取り除かれ、ナノ結晶表面は、Si-HおよびGe-Hの官能性を特徴とする。1400cm-1におけるSi-O-Si結合の曲げ振動数は依然として残り、これは、酸化物のマトリックスの不完全なエッチングおよびナノ結晶表面のエッチング後の酸化に起因する少量の表面酸化物の存在を示唆している。水素化物による表面終端のさらなる証拠は、1000cm-1でのピークであり、これはSi-HxおよびGe-Hxのはさみ振動によるものと言える。ca.2900cm-1に現れているピークは、エッチング工程で使用した残留エタノールによるものである。水素化物で終端したナノ結晶表面は、それぞれヒドロシリル化反応およびヒドロゲルミル化反応を介してのSi-C結合およびGe-C結合の生成のための反応プラットフォームとして作用することが示された(本明細書に参照により組み込まれている、Veinot、J.G.C.、Chem.Comm.、2006、40、4160頁およびFok、E.、Shih、M.、Meldrum、A.、Veinot、J.G.C.、Chem. Comm.、2004、10、386頁)。したがって本発明は、nc-Si0.45Ge0.55の表面官能化も含む。
図4Aおよび4Bは、異なる拡大率での、自己保持性nc-Si0.45Ge0.55である5の代表的な明視野TEM画像を示している。明らかにナノ結晶の多くが凝集し、これは、水素化物で表面終端したナノ結晶とメタノール懸濁液中の水不純物との間の疎水的相互作用により生成した可能性が最も高い。このような画像から、ナノ結晶が、多角体の形態の形をとっているのが見られる。図4Cは、測定したサイズ分布と共に平均直径12.68nm(2σ=4.09nm、n=565)を示している。この数値は、XRD信号の広がりのScherrer分析を用いて求めた計算値と有意に異なる。合金の欠陥および結晶格子の不整合から生じたナノ結晶内の不均質な歪みが、XRD信号の広がりを引き起こしている恐れがあり、Scherrer分析から計算した結晶サイズが小さい理由を説明している(本明細書に参照により組み込まれている、Tian、H.H.、Atzmon、M.Phil、Mag.A、1999、79(8)、1769頁)。図4Dは、遊離したnc-Si0.45Ge0.55のEDXスペクトルを示しており、ナノ結晶は、SiおよびGeのみで構成されていることを例示している。もう一方のピークは、小さな表面酸化(O、0.53keV)およびTEMの試料格子(C、0.28keV、Cu、8.03keVおよび8.91keV)によるものである。
本明細書に参照により組み込まれている文献において、本願のある用語が異なって定義されていることが判明した場合には、本明細書中に提供されている定義が、この用語の定義として使用されるものとする。
本発明は、好ましい実施例と現在考えられているものを参照して記述されているが、本発明は、開示された実施例に限定されないことが理解されている。反対に、本発明は、付随する請求項の趣旨および範囲内に含まれる様々な修正および同等の処理を網羅することを意図している。
Claims (17)
- 含ケイ素物質および式GeX2(式中、XはBrまたはIである)の化合物を、前記物質およびGeX2の熱不均化を誘発する条件下で接触させることによって、ケイ素ゲルマニウム合金ナノ結晶を生成するステップを含む、ケイ素ゲルマニウム合金ナノ結晶を調製する方法。
- ケイ素ゲルマニウム合金ナノ結晶が、式Si1-xGexの多角体ナノ結晶である、請求項1に記載の方法。
- ケイ素ゲルマニウム合金ナノ結晶が、式Si0.45Ge0.55の多角体ナノ結晶である、請求項1に記載の方法。
- XがIである、請求項1から3のいずれか一項に記載の方法。
- 含ケイ素物質が、シリカまたは式(RSiO1.5)n(式中、Rは、Hまたはシリカ形成反応の条件下でケイ素原子から取り除かれない任意の有機基であり、nは、4〜50の範囲の整数である)のシルセスキオキサンである、請求項1から4のいずれか一項に記載の方法。
- Rが、直鎖および分枝の、C1〜20アルキル、C2〜20アルケニルおよびC2〜20アルキニル、シクロ-C3〜20アルキルおよびアリールから選択され、すべてが、1種もしくは複数のハロもしくはC1〜6アルキルで場合によって置換されており、ならびに/またはO、SおよびNから選択されるヘテロ原子で置き換えられる炭素原子を1〜5個有する、請求項5に記載の方法。
- シリカが、ゾルゲル法を用いて調製される、請求項5に記載の方法。
- 含ケイ素物質が、水素シルセスキオキサン(HSQ)である、請求項5に記載の方法。
- ケイ素ゲルマニウム合金ナノ結晶を生成するための、HSQおよびハロゲン化ゲルマニウムの熱不均化を誘発する条件が、わずかに還元性の雰囲気内で、よく混合したHSQおよびハロゲン化ゲルマニウムを、約1〜約24時間の間、900〜1600℃の範囲の温度に加熱するステップを含む、請求項1から8のいずれか一項に記載の方法。
- ケイ素ゲルマニウム合金ナノ結晶を生成するための、HSQおよびハロゲン化ゲルマニウムの熱不均化を誘発する条件が、わずかに還元性の雰囲気内で、よく混合したHSQおよびハロゲン化ゲルマニウムを、約5〜約20時間の間、約1100℃の温度に加熱するステップを含む、請求項9に記載の方法。
- わずかに還元性の雰囲気が、不活性ガスと約1%〜約10%の水素とを含む、請求項10に記載の方法。
- 加熱が、従来の管状炉内で実施される、請求項9または10に記載の方法。
- ケイ素ゲルマニウム合金ナノ結晶を酸で処理することによって、自己保持性のケイ素ゲルマニウム合金ナノ結晶を生成するステップをさらに含む、請求項1から12のいずれか一項に記載の方法。
- 酸がフッ化水素酸(HF)溶液である、請求項13に記載の方法。
- 酸処理が、アルコール性水溶液中で、約0.5〜2時間行われ、続いて水での洗浄が行われる、請求項13または14に記載の方法。
- 酸処理の前に、ケイ素ゲルマニウム合金ナノ結晶が、洗浄されることによって、不純物が取り除かれる、請求項1から15のいずれか一項に記載の方法。
- 請求項1から16のいずれか一項に記載の方法を用いて調製されたケイ素ゲルマニウム合金ナノ結晶の、熱光発電太陽電池(TPV)、タンデム太陽電池またはケイ素ベースの光電子デバイスへの使用。
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