Сичікова Я.О.

Бердянський державний педагогічний університет

Електрохімічні процеси на міжфазній границі

електроліт-напівпровідник

Однією з проблем використання поруватого фосфіду індію у якості елементів газових сенсорів є досягнення ефективного управління селективністю по відношенню до газів. Крім того, в останні роки por-InP розглядається багатьма вченими у якості біологічних датчиків. Вибірковість сенсорів визначається морфологічними особливостями поруватого шару. Керуючи розмірами пор та модифікуючи структуру їх стінок, можна виготовляти газові сенсори як на легкі гази, так і на важкі летючі органічні речовини.

Для отримання поруватого фосфіду індію при електрохімічному травленні використовують електроліти на основі соляної, бромоводневої та плавикової кислот (як чистої – концентрація 42 % та вище), так і при додаванні води та етанолу. Склад електроліту обирається в залежності від орієнтації поверхні, типу та концентрації домішки вихідних кристалів. Основну роль при електрохімічному розчиненні фосфіду індію в даному випадку відіграють аніони цих кислот.

Для експерименту використовували зразки монокристалічного n-InP (100) та n-InP (111). У якості електроліту вибиралися розчини плавикової та соляної кислот. Також було апробовано травники на основі HCl та HF з додаванням йодидів та бромідів, етанолу та азотної кислоти. Експеримент проводився при кімнатній температурі.

Аналіз морфології досліджуваних зразків показав, що практично у всіх випадках спостерігалося активне пороутворення. В умовах, коли пороутворення виявляється домінуючим електрохімічним процесом, що протікає при заданій величіні поляризуючої напруги на монокристалічному напівпровідниковому аноді, стаціонарна конфігурація поверхні поруватого шару формується до моменту досягнення максимальної щільності струму [1].

При рівних умовах (ідентичні кристали, однаковий заряд та концентрація аніонів в розчині) швидкість електролітичної реакції залежить від типу аніону, що приймає участь у реакції. Електроліти за здатністю дисоціювати на іони при розчиненні діляться на сильні та слабкі. Їх поведінка при розчиненні кристалу різна. Частина молекул слабких електролітів під дією розчинника розпадається на іони. Процес їх дисоціації оборотний, так як при зіткненнях іони легко асоціюються. Тому в розчинах слабких електролітів встановлюється динамічна рівновага між іонами та недисоційованими молекулами. При розчиненні сильних електролітів повністю, іонні кристали або молекули розпадаються з утворенням гідратованих (сольватованих) іонів [2 - 3]. Компонентний склад електролітів в яких становиться можливим формування поруватого шару надзвичайно широкий. Він охоплює водні розчини солей, кислот та лугів, а також їх електропровідні розчині на основі інших полярних розчинників (наприклад, спирти). З найважливіших кислот до сильних електролітів належать HNO₃, H₂SO₄, HClO₄, HCl, HBr. до слабких електролітів відносять більшість неорганічних сполук H₂CO₃, H₂S, HF. При електролізі поведінка електроліту може істотно змінюватися.

У більшості випадків сполуки, що складають об’ємну частину природних окисних плівок, можуть видалятися з поверхні кристалів фосфіду індію у кислих розчинах. Наряду з цим електроліти, які не містять достатньо сильних окислювачів, не визивають хімічної корозії зразків. В цих умовах процеси, що розвиваються в обох фазах при контакті напівпровідника з електролітом, повинні призводити до встановлення термодинамічної рівноваги між електронною підсистемою напівпровідника та водневою редокс–системою розчину, а також до встановлення локальної хімічної рівноваги на між фазній межі, що забезпечує мінімізацію її вільної енергії. Ці процеси включають [3, 4]:

- перенос носіїв зарядів через межу розділу шляхом тунельних електронних переходів із-за заповнених станів на вакантні ізоенергетичні стани в суміжній фазі, а також шляхом хімічної адсорбції/десорбції заряджених частинок;

- перерозподіл зарядів між при поверхневими областями та об’ємами обох фаз з утворенням шару об’ємного заряду в напівпровіднику та двойного електричного шару в електроліті.

Встановлення електрохімічної рівноваги між водними електролітами та напівпровідником електронного типу провідності забезпечується переходом електронів із зони провідності на катіони гідроксонію. В результаті напівпровідник заряджається позитивно, а в розчині виникає подвійний електричний шар з надлишковою аніонною концентрацією на межі з кристалом [2, 4]. Це призводить до формування бар’єрного електричного шару, об’ємного заряду іонізованих донорів зі сторони напівпровідника та розвитку ланцюга самоузгоджених процесів, що призводять до формуванню рівноважного адсорбціонного покриття поверхні кристалу. Такі процеси включають в себе розділення полем поверхневого заряду електронно-діркових пар, що з’являються у напівпровіднику в ході теплової генерації та фотогенерації, захват дірок атомами поверхневого шару кристалу та спустошення орбіталей їх обірваних зв’язків.

Література:

1. Сычикова Я.А. Влияние типа аниона электролита на морфологию пористого InP, полученного методом электролитического травления / Я.А. Сычикова, В.В.Кидалов, Г.А. Сукач // Журнал нано- і електронної фізики – 2009. – т. 1, № 4. – С. 69 – 77.

2. Арутюнян В.М. Физические свойства границы полупроводник – электролит / В.М. Арутюнян // Успехи физических наук. – 1989. – С. 255 – 291.

3. Улин В.П. Природа процессов электрохимического порообразования в кристаллах AIIIBV (Часть 1). / В.П. Улин, С.Г. Конников // ФТП. – 2007. – Т. 41(7). – С. 854 – 866.

4. Улин В.П. Природа процессов электрохимического порообразования в кристаллах AIIIBV (Часть 1). / В.П. Улин, С.Г. Конников // ФТП. – 2007. – Т. 41(7). – С. 867 – 877.