Лабораторія напівпровідникової електроніки
Завідувач лабораторії – канд. фіз.- мат. наук, ст. наук. співр. Скобєєва Валентина Михайлівна
Контактна інформація:
- e-mail V_Skobeeva@ukr.net
Історічні відомості
Лабораторія напівпровідникової електроніки була створена у 1970 р. Науковий напрямок лабораторії був орієнтований на розробку гетерофотоелементів, світодіодів, лазерів з метою створення нової елементної бази для функціональної мікроелектроніки. Був сформований новий науковий напрямок твердотільної електроніки, пов”язаний із дослідженням гетероструктур з квазіметалевими центрами. У цьому ж році до складу лабораторії було введено науково-дослідну групу, яка була створена у 1960 році при кафедрі експериментальної фізики ії завідувачем доцентом Сьорой Т.Я. Колектив групи, один із перших в колишньому Радянському Союзі, започаткував дослідження фотоелектричних и люмінесцентних властивостей напівпровідників групи А2В6.
Штат лабораторії включав більш ніж 20 співробітників, 13 з яких мали вчену ступінь кандидатів наук.
Завідувачі лабораторії напівпровідникової електроніки:
- З 1970 г. по 1973 г. - канд. фіз.-мат. наук Дроздов В.О.
- З 1973 г. по 1976 г. - канд. фіз.-мат. наук Курмашев Ш.Д.
- З 1976 г. по 1989 г. - канд. фіз.-мат. наук Старостін І.А.
- З 1989 г. по теперішній час - канд. фіз.-мат. наук Скобєєва В.М.
Наукові керівники тем, які виконувались в лабораторії напівпровідникової електроніки:
- З 1970 г. по 1975 г. - канд. фіз.-мат. наук Дроздов В.О.
- З 1970 г. по 1994 г. - докт. фіз.-мат. наук, проф. Сердюк В.В.
- З 1994 г. по теперішній час - докт. фіз.-мат. наук, проф. Сминтина В.А.
Наукова та практична діяльність
Напрямок наукових досліджень і їх актуальність
Дослідження оптичних та люмінесцентних властивостей квазінульмірних систем з нанокристалами сполук А2В6. Вивчення впливу поверхні розділу нанокристал-матриця на оптичні та люмінесцентні характеристики наноструктур.
Дослідження впливу стану поверхні на механізм рекомбінаційних процесів у нанокристалах, а також впливу границі розділу нанокристал – матриця на концентрацію вільних нерівноважних носіїв заряду дозволить створити нові люмінесцентні матеріали, які здатні змінювати спектр та інтенсивність випромінювання в залежності від типу адсорбованих молекул.
Напівпровідникові нанокристали є важливим класом нових матеріалів. В залежності від розміру спектри оптичної прозорості та фотолюмінесценції нанокристалів сполук А2В6 охоплюють широку область спектра - від ультрафіолетової до інфрачервоної. Через це є перспективним використання наноматеріалів у якості оптичних фільтрів, фосфорів у світловипромінювальних пристроях, оптичних та біологічних сенсорах.
Спектральний інтервал работы напівпровідникових пристриїв на основі наноматериалів досягається шляхом контролювання тільки розмірів нанокристалів, що робить такі наноструктури універсальними.
Основні наукові результати
Вперше синтезовані нанокристали сульфіду кадмію у желатиновій матриці, які проявляють квантово - розмірні ефекти, що обумовлює їх унікальні оптичні та люмінесцентні властивості. Проведено теоретичні розрахунки енергетичного спектра носіїв заряду у нанокристалах сульфіду кадмію, одержаних у прозорій діелектричній матриці.
Обгрунтовано фізико-хімічний механізм утворення нанокристалів сульфіду кадмію. Встановлено, що в процесі синтезу здійснюється ріст нанокристалів із збільшенням їх розмірів і, одночасно, зменшується дисперсія по розмірах за механізмом Оствальда.
Вперше показано, що механізм формування і росту нанокристалів на різних стадіях процесу синтезу обумовлюється протіканням конкуруючих реакцій між іонами кадмію з функціональними групами желатини або з іонами сірки, причому розмір і дисперсія нанокристалів найбільш суттєво залежать від концентрації желатини.
Запропонований оптичний метод визначення фізичних параметрів (середнього радіусу, ширини забороненої зони) нанокристалів сульфіду кадмію у прозорих діелектричних матрицях, який має перевагу перед іншими методами (рентгеноструктурними, хімічними, електронно-мікроскопічними) завдяки більшій точності та експресності.
Вперше проведено порівняльний аналіз люмінесцентних характеристик об’ємних монокристалів і нанокристалів сульфіду кадмію, в результаті чого встановлено, що центри випромінювальної рекомбінації формуються вже на початковій стадії зародження кристалу.
Показано, що перерозподіл інтенсивностей смуг люмінесценції в результаті дії зовнішних факторів (вологості повітря, УФ-опромінювання, температурних обробок у вакуумі) є пов’язаний не зі зміною концентрацій чи типу центрів світіння, а із зміною концентрацій вільних нерівноважних носіїв заряду.
Встановлено, що різне положення максимуму довгохвильової смуги люмінесценції, яка локалізована в інтервалі довжин хвиль 550÷700 нм, обумовлено дисперсією розмірів нанокристалів сульфіду кадмію, а не різною природою центрів світіння.
Встановлена залежність інтенсивності люмінесценції від концентрації нанокристалів у матриці, що пов’язано з процесами переносу енергії між нанокристалами, тобто при великій концентрації нанокристалів у матриці спостерігається безвипромінювальний процес переносу енергії між сусідніми нанокристалами, в результаті чого ефективність люмінесценції зменшується.
Вперше показано, що люмінесценція наноструктур сульфіду кадмію, які отримані новим методом – методом фронтальної полімерізації металополімерів в присутності халькогенідних сполук, є стабільною до УФ – опромінення і атмосферного оточення через те, що атоми кадмію входять у молекулярну формулу матриці і не можуть приймати участь у процесах окислення, як це спостерігається, при деяких умовах, в методах золь – гель технології.
Вперше вивчено кінетику фотопровідності нанокомпозитів на основі сульфіду кадмію у желатині та встановлено наявність і параметри уловлювачів, які мають поверхневу природу. На основі теоретичної моделі, яка описує релаксацію фотоструму, та порівняння теоретичних і експериментальних релаксаційних кривих дана оцінка параметрів уловлювачів.
Практичні розробки
I. Технологія виготовлення газових сенсорів на основі тонких плівок сполук А2В6
Автори: докт. фіз.-мат наук, проф. Сминтина В.А., канд. фіз.-мат наук, ст наук співроб. Скобєєва В.М., канд. фіз.-мат наук, ст наук співроб. Малушин М.В.
Основні характеристики, суть розробки
Розробка належить до технології матеріалів твердотільної електроніки і може бути вико ристана при виготовленні електронних сенсорів на базі оптично якісних плівок селеніду і телуриду цинку. Плівки телуриду цинку та твердих розчинів ZnSexТе1-x мають адсорбцій ну чутливість до кисню і, внаслідок цього, можуть бути використані у якості основи для виготовлення сенсорів кисню.
Основні технічні характеристики:
- питомий опір плівок, Ом ·см ........................................................................... 107 -109
- адсорбційна чутливість (відношення провідності плівок у кисні до провідності у вакуумі)... ........... 103
- габаритні розміри, мм2 ...................................................................................... 25
Патентно-конкурентоспроможні результати.
У розробці використані технічні рішення, які захищені авторськими свідоцтвами:
- А.с. № 1624067, СРСР, 1990. В.М.Скобеева, Л.Н. Семенюк. Зареєстровано у1990р.
- А.с. № 1776159, СРСР, 1992. В.М.Скобеева, Л.Н. Семенюк. Зареєстровано у1992р.
Порівняння зі світовими результатами.
Сенсори на основі плівок телуриду цинку та твердих розчинів ZnSexТе1-x мають ряд пере ваг перед аналогами, а саме: можливість керування світлом, високу чутливість, мініа тюрність, спрощене узгодження з електронними пристроями.
II. Наноструктури на основі сульфіду кадмію з ефективною люмінесценцією
Автори: докт. фіз.-мат наук, проф. Сминтина В.А., канд. фіз.-мат наук, ст наук співроб. Скобєєва В.М., канд. фіз.-мат наук, ст наук співроб. Малушин М.В.
Основні характеристики, суть розробки.
Розроблено технологію синтезу квантово-точкових систем з нанокристалами сульфіду кадмію, які дисперговані в полімерній матриці з желатини. Структури поєднують в собі як оптичні і люмінесцентні властивості напівпровідника, так і механічні і стабілізуючи властивості матриці. У порівнянні з монокристалами, структури мають більш ефективну люмінесценцію при кімнатних температурах, що є перспективним для створення малоінерційних ефективних оптоелектронних пристроїв для наноелектроніки. Завдяки желатині структури набувають властивості гнучких і еластичних матеріалів.
Структури на основі синтезованих нанокристалів сульфіду кадмію можуть бути застосовані для виготовлення люмінофорів, оптичних та люмінесцентних біологічних сенсорів.
Основні фізичні параметри нанокристалів:
- середній розмір, нм.........................................1 - 5;
- дисперсія по розмірам, %..............................15
- ширина забороненої зони, еВ.........................2,6 – 3,0;
Основні технічні характеристики випромінюючих структур:
- максимум спектра випромінювання, нм.....................650-690;
- інтервал робочих температур, 0С.................................100-400;
- квантовий вихід, %.........................................................1-10;
розміри робочої площі можуть змінюватися в необхідному діапазоні і визначаються розміром підкладки.
Рис. Люмінесценція колоїдних розчинів нанокристалів сульфіду кадмію
Патентно - конкурентноспроможні результати розробки.
Наноструктури на основі нанокристалів, що дисперговані у желатиновій матриці, мають такі переваги у порівнянні з монокристалами як більш ефективну люмінесценцію при кімнатних температурах, чутливість до оточуючого середовища та біологічних об”єктів, що є перспективним для їх використання у якості люмінесцентних біологічних сенсорів.
Порівняння із світовими аналогами.
Порівняльний аналіз, зроблений на основі патентного пошуку та огляду літературних даних показує, що на відміну від існуючих методів синтезу напівпровідникових нанокристалів, запропонований синтез базується на використанні при виготовлені структур екологічно безпечної та дешевої речовини - желатини. Робоча площа зразків може змінюватися в необхідному діапазоні і визначається розміром підкладки, на якій осаджується синтезований матеріал.
Економічна привабливість розробки для просування на ринок, впровадження та реалізації, показники, вартість.
Економічні переваги базуються на використанні для виготовлення наноструктур ресурсів України, типового хімічного обладнання, доступності та низької коштовності вихідних реагентів. Виготовлення наноструктур не потребує коштовного та спеціалізованого обладнання, є екологічно чистим та, завдяки відсутності процесів при високих температурах, низько енергомістким.
III. Технологія виготовлення оптичних фільтрів на основі нанокристалів сульфіду кадмію у розчинах різних полімерів
Автори: докт. фіз.-мат наук, проф. Сминтина В.А., канд. фіз.-мат наук, ст наук співроб. Скобєєва В.М., канд. фіз.-мат наук, ст наук співроб. Малушин М.В.
Основні характеристики, суть розробки.
Розроблено технологію синтезу квантово-точкових систем з нанокристалами сульфіду кадмію, які дисперговані в полімерній матриці з желатини. Оптична прозорість плівок у видимій області спектра досягається завдяки отриманню нанокристалів з розмірами нанометрового діапазону і зсуву краю поглинання у фіолетову область спектра за рахунок розмірної залежності ширини забороненої зони.
Основні технічні характеристики оптичних фільтрів:
- смуги пропускання...........................................0,4-2, 4-6 (мкм);
- габаритні розміри: площа поверхні залежить від обраної площі підкладки, товщина............................50-200 (мкм);
додаткові дані:
- можливість керування смугою пропускання шляхом зміни розмірів нанокристалів;
- можливість створення шарів з різною оптичною густиною шляхом зміни співвідношення концентрацій компонентів напівпровідника і матриці;
- технологічність та дешевизна виготовлення;
- можливість одержання гнучких плівок, легкість механічної обробки.
Рис. Зовнішній вигляд оптично-прозорої плівки наноструктури: нанокристали сульфіду кадмію у желатиновій матриці.
Порівняння із світовими аналогами.
На відміну від існуючих методів синтезу напівпровідникових нанокристалів запропонований синтез базується на використанні при виготовлені структур екологічно безпечної та дешевої речовини - желатини. Робоча площа зразків може змінюватися в необхідному діапазоні і визначається розміром підкладки, на якій осаджується синтезований матеріал.
Економічна привабливість розробки для просування на ринок, впровадження та реалізації, показники, вартість.
Економічні переваги базуються на використанні для виготовлення оптичних фільтрів на основі наноструктур типового хімічного обладнання, доступності та малокоштовності вихідних реагентів. Виготовлення наноструктур не потребує коштовного та спеціалізованого обладнання, є екологічно чистим та, завдяки відсутності процесів при високих температурах, низько енергомістким.
Основні публікації (за останні 10 років)
- V. M.Skobeeva,V.A. Smyntyna. A.K. Dali. Light controlled oxygen sensor on the based of ZnSe x Te 1-x structure. //Proceedings of the 11-th European Conferense on solid-state transducers. Eurosensors 11 Warsawa, Poland, September 21-24, 1997, pp. 99-101.
- В.М. Скобеева, В.В. Сердюк, А.К. Дали, А. Дарвишо, Н.В. Малушин. Внутрицентровая люминесценция эпитаксиальных пленок теллурида цинка. //Фотоэлектроника. -1996. №6, -с. 16-19.
- Абдул Кадер Далі, Алі Нажи Дарвішо, М.В. Малушин, В.В. Сердюк, В.М. Скобєєва. Внутрішньоцентрова люмінесценція епітаксійних плівок теллуриду цинку. //Укр.фіз. журнал.- 1995, т. 40, №10, -с.1056-1058.
- В.М. Скобєєва, Абдул Кадер Дали. Визначення оптичної єнергії іонізації кисню в телуриді цинку за спектрами збудження люмінесценції. //Укр. Фіз. Журнал. -1997. –т.42, №10, с. 1201-1203.
- Н.В. Малушин, В.М. Скобеева, В.А. Смынтына, А.К. Дали. Расчет параметров «кислородного» центра свечения в теллуриде цинка. //Фотоэлектроника. -1998, №7, -с. 44-47.
- Абдул Кадер Дали, Али Нажи Дарвишо, М.В. Малушин, В.В. Сердюк, В.М. Скобеева. Механизм излучательной рекомбинации в эпитаксиальных пленках теллурида цинка, легированного алюминием. //Фотоэлектроника. -1996, №6, -с. 20-21.
- Н.В. Малушин, В.М. Скобеева , В.А Смынтына , Абдул Кадер Дали. Роль примеси лития в формировании длинноволновой люминесценции теллурида цинка. //Фотоэлектроника. -2000, -№9 , с. 45-51.
- В.М. Скобеева, Абдул Кадер Дали, Н.В. Малушин. Механизм деградации люминесцентных характеристик структур на основе теллурида цинка, легированного литием. //Технология и конструирование в электронной аппаратуре. -1995. -№2.-с.64-67.
- N.V. Malushin, V.M.Skobeeva,V.A.Smyntyna, A.K.Dali. Residual photoconductivity effect in semi-insulator films ZnSe1-xTex // Фотоэлектроника, - 2001. - № 10. –с.98.
- L.L.Terletskay, V.M.Skobeeva, V.V.Golubtsov. Photosensors with Si-GaAs heterojunction as memory elements // Фотоэлектроника, - 2001. - № 10. –с.78.
- М.М.Воронцова, В.М.Скобєєва, В.А.Сминтина. Оптичні властивості наночастинок сульфіду кадмію у стабілізуючих розчинах // Журнал фізичних досліджень, 2003, т.7, вып.4.
- N.V.Malushin, V.M.Skobeeva, V.A.Smyntyna. Temperature dependence pecularites of luminescence in oxygen doped ZnTe films // Semiconductor Physics, Quantum Electronics and Optoelectonics, 2003, V.6, N2, p.214-216.
- М.Воронцова, В.Скобєєва, В. Сминтина. Оптичні властивості наночастинок сульфіду кадмію у стабілізуючих розчинах. //Журнал фізичних досліджень.-Т.8.-№1.- С.89-92.2004
- В.А.Смынтына, В.М.Скобеева, Н.В.Малушин. Люминесцентные характеристики наноструктур на основе сульфида кадмия. //Тези доповідей Міжнародної науково-техн. конф. „Сенсорна електроніка і мікросистемні технології”, Україна, Одеса, 1-5 червня 2004,с.56.
- SkobeevaV.M., Malushin N.V., Smyntyna V.A. Influence of treatment on the luminescence CdS quantum dots. //11 Укр. Наук. конф. з фізики напівпровідників, Чернівці-Вижниця, Украіна, с.15-16.2004.
- В.А.Смынтына, В.Д.Проничкин, В.М.Скобеева, В.К.Маринчик. Фотоэлектрические свойства наноструктур на основе сульфида кадмия. // Тези доповідей Міжнародної науково-техн. конф. „Сенсорна електроніка і мікросистемні технології”, Україна, Одеса, 1-5 червня 2004, с.58.
- В.А.Смынтына, В.М.Скобеева, Н.В.Малушин, Ю.А.Скришевский, А.Ю. Вахнин, И.В.Блонский, Г.И.Довбешко. Оптические свойства коллоидных систем с полупроводниковыми наночастицами. // Тезисы докл. ХХ1 научн.конф. стран СНГ, 20-24 сентября 2004 г., Одеса, Украина.
- Скобєєва В.М., Сминтина В.А., Малушин М.В. Вплив технологічних факторів на оптичні властивості нанокристалів сульфіду кадмію. // Тези доповідей. Всеукраїнський з”їзд „Фізика в Україні”, (3-6 жовтня 2005 р., Одеса, Україна), с.179.
- V.A. Smyntyna, V.M.Skobeeva, N.V.Malushin, A.D.Pomogailo. Influence of matrix on photoluminescence of CdS nanocrystals. // Photoelectronics. Inter-universities scientific articles. № 15, pp.38-42, 2006.
- Smyntyna V.A., Skobeeva V.M., Malushin N.V., Pomogailo A.D. Influence of humidity on the luminescence properties of CdS nanocrystalls. // Book of abstracts 2nd International Scientific and Technical Conference «Sensors electronics and microsystems technology». Ukraine, Odessa, June 26-30, 2006, pp.41-42.
- V.Smyntyna, V.Skobeeva, N.Malushin. The nature of emission centers in CdS nanocrystals. // Book of abstracts 6 th European Conference on Luminescent Detectors and Transformers of Ionizing Radiation. June, 19-23, Lviv, 2006, pp. 213-214.
- V.A. Smyntyna, V.M. Skobeeva, N.V. Malushin. The influence of illumination on the luminescence properties of gelantine-stabilized CdS nanocrrystals. // Materrials of the meeting «Clusters and nanostructured materials”. Uzhgorod – ‘Karpaty’, Ukraine, 9-12 October, 2006, pp.203 -204.
- В.А.Смынтына, В.М.Скобеева, Т.Ф.Махиборода. Температурная завиcимость ширины запрещенной зоны нанокристаллов CdS, выращенных в органической матрице. // Международная научная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «ЛОМОНОСОВ-2007», Севастополь, 2007, с.151-153.
- V.Smyntyna, V.Skobeeva, N.Malushin. The nature of emission centers in CdS nanocrystals. // Journal of Radiation Measurements, 2007, V.42, pp.693-696.
- Скобєєва В.М., Сминтина В.А., Тюрін О.В., Малушин М.В. Підвищення ефективностi люмінесценції нанокристалів CdS методом пасивації поверхні. // Тези доповідей. III Українська наукова конференція з фізики напівпровідників. Україна, Одеса. 2007, 17-22 червня. С.260.
- S.I.Pomogailo, M.G.Kaplunov, V.M.Skobeeva, P.A.Ivanchenko, A.D.Pomogailo. The development of novel methods for synthesis semiconductor nanoparticles in polymer matrix. // Book of abstracts 12th IUPAC International Symposium on MacroMolecular Complexes. Japan, Fukuoka, August 27-31, 2007, p.161.
- Скобєєва В.М., Сминтина В.А., Тюрин А.В., Малушин М.В. Вплив процесів синтезу в зовнішніх обробок на поглинання та люмінесценцію нанокристалів CdS. // Матеріали XI Міжнародної конференції «Фізика і технологія тонких плівок та наноситем». Україна, Івано-Франківськ. 2007, 7-12 травня. С.247-248.
Учбові посібники, патенти
- В.М. Скобеева. Физика. Часть 1. Механика, Явления в жидкостях и газах.Учебное пособие по физике. Одесса «Астропринт» 1999. - С. 64.
- В.М. Скобеева. Физика. Часть 2. Теплота. Молекулярная Физика. Учебное пособие для иностранных студентов подготовительного отделения. Одесса. 2001. –С.30.
- А.с. № 1624067, СРСР, 1990. В.М.Скобєєва, Л.Н. Семенюк. Зареєстровано у 1990р.
- А.с. № 1776159, СРСР, 1992. В.М.Скобєєва, Л.Н. Семенюк. Зареєстровано у 1992р.
- Скобєєва В.М., Сминтина В.А., Малушин М.В. Спосіб отримання наночастинок сульфіду кадмію для люмінофорів. Позитивне рішення про видачу деклараційного патенту на корисну модель, щодо заявки № и 2007 12247
Зв’язки з зовнішними науковими організаціямі
- Институт проблем химической физики РАН, г.Черноголовка, Московская область (зав. лаб. докт. хім. наук, професор Помогайло А.Д.)
- Інститут фізики НАН України, відділ фізики біологічних систем, (ст.наук.співр., докт.біолог.наук, Довбешко Г.І.)
Науково-дослідна робота студентів
Студенти фізичного факультету приймають активну участь у дослідженні оптичних та випромінювальних властивостей напівпровідникових нанокристалів та нанокомпозитів на їх основі. По науковій тематиці лабораторії за останні 10 років виконано 26 бакалаврських і магістерських робіт.
Аспірантка Завезіон Т. та студент 4-го курсу фізичного факультету Нагуляк І. обговорюють результати досліджень.
Студент фізичного факультету кафедри експериментальної фізики Лобов В. проводить дослідження оптичних властивостей нанокристалів сульфіду кадмію.
Студент фізичного факультету кафедри експериментальної фізики Гайдаржи Р. за установкою для люмінесцентних досліджень.
Студентка фізичного факультету кафедри експериментальної фізики Струц Д. досліджує вплив технологічних факторів на ефективність випромінювання нанокристалів сульфіду кадмію.
Контактна інформація:
Адрес: 65082, м. Одеса, вул. Пастера, 27, НДІ фізики ОНУ ім. І.І.Мечникова.
Тел. +38 048 723-03-29.
