WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |

На правах рукописи

Заботнов Станислав Васильевич ФОТОННЫЕ СРЕДЫ НА ОСНОВЕ НАНО- И МИКРОСТРУКТУРИРОВАННОГО КРЕМНИЯ Специальность 01.04.21 - лазерная физика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва – 2006

Работа выполнена на физическом факультете Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова

Научный консультант: доктор физико-математических наук, профессор Кашкаров Павел Константинович

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор Емельянов Владимир Ильич;

кандидат физико-математических наук Иванов Анатолий Александрович

Ведущая организация: Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАН

Защита состоится “ ” мая 2006 года в _часов на заседании диссертационного совета Д 501.001.31 в Московском государственном университете им. М.В. Ломоносова по адресу: 119992 ГСП-2 Москва, Ленинские горы, МГУ им. М.В. Ломоносова, корпус нелинейной оптики, аудитория им. С.А. Ахманова

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова.

Автореферат разослан “” апреля 2006 года

Ученый секретарь диссертационного совета Д 501.001.31 кандидат физико-математических наук доцент Т.М. Ильинова 2

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы представленных исследований обусловлена широким применением кремниевых нано- и микроструктур в современных оптоэлектронных технологиях. Монокристаллический кремний (КК) является основным материалом современной микроэлектроники. Массовое содержание кремния в земной коре составляет 29.5%, что обуславливает безусловную экономическую выгоду его промышленного использования. В настоящее время прекрасно развиты технологические методы обработки кремния. Однако стремительно происходящая миниатюризация компонент современных интегральных схем и оптических систем требует нахождения новых путей формирования низкоразмерных кремниевых структур, что в свою очередь стимулирует многочисленные научные исследования в этой области.

В частности, электронные и оптические свойства монокристаллического кремния могут быть изменены в результате электрохимического травления, посредством которого формируется пористый кремний (ПК) – среда, состоящая из нанокристаллов и пор размером от единиц до сотен нанометров. К числу преимуществ данного метода следует отнести быстроту и контролируемость процесса, а также его невысокую стоимость. Помимо этого метод электрохимического травления чувствителен к кристаллографической ориентации поверхности и уровню легирования кремниевой подложки, что позволяет управлять пространственным расположением и размерами кремниевых нанокристаллов и пор и создавать среды, в которых могут быть достигнуты большая величина искусственной оптической анизотропии и (или) усиление локального поля в наночастицах. Эти механизмы могут быть использованы для создания новых фотонных сред, позволяющих управлять поляризацией света, а также компактных нелинейно-оптических преобразователей частоты.

Еще одним способом нано- и микроструктурирования кремния является облучение его поверхности лазерными импульсами. При этом наиболее предпочтительным является обработка фемтосекундным излучением.

Благодаря высокой энергии в импульсе длительностью меньшей времени термализации носителей заряда вещества реализуется процесс абляции вещества с переходом в плазму и газообразную фазу, минуя жидкий расплав. В результате такого процесса становится возможной обработка поверхности с микронной и даже субмикронной точностью и минимальным термическим разрушением материала. При этом оптические свойства поверхности также могут быть существенно изменены. Однако детали данного явления в настоящее время недостаточно освещены в литературе.

Цель работы – получение и исследование новых фотонных сред на основе кремниевых нано- и микроструктур: реализация наиболее эффективного преобразования энергии лазерного излучения в третью оптическую гармонику в слоях анизотропного мезопористого кремния; оптическая и нелинейнооптическая диагностика поверхности кремния, облученной фемтосекундными лазерными импульсами.

В работе были поставлены следующие задачи:

1. Провести комплексное исследование оптических свойств слоев двулучепреломляющего пористого кремния. Учесть влияние пористости, формы и размеров нанокристаллов и пор на проявление эффектов локального поля в исследуемых структурах.

2. Методом генерации третьей оптической гармоники осуществить нелинейно-оптическую диагностику объема двулучепреломляющего пористого кремния. Провести по экспериментальным данным анализ структуры тензора нелинейной восприимчивости третьего порядка.

3. Реализовать режимы эффективного преобразования лазерного излучения в третью гармонику в анизотропно наноструктурированном мезопористом кремнии в условиях фазового согласования и локализации света.

4. Исследовать структуру облученной фемтосекундными лазерными импульсами кремниевой поверхности и описать оптический и нелинейнооптический отклик от нее.

Для решения поставленных задач был применен комплекс различных методов исследования, включающий измерение спектров пропускания и отражения света в тонких пленках, генерацию третьей оптической гармоники (ГТГ), растровую электронную и атомно-силовую микроскопию, спектроскопию комбинационного рассеяния (КР) света, фотолюминесценцентную (ФЛ) спектроскопию.

Достоверность полученных результатов обеспечена применением набора взаимно-дополняющих экспериментальных методик, детальным рассмотрением физических явлений и процессов, определяющих линейные и нелинейные оптические свойства исследуемых низкоразмерных сред. В значительной степени достоверность полученных результатов определяется хорошим согласием между результатами расчетов и многочисленными экспериментами.

Автор защищает:

1. Новые экспериментальные данные о влиянии размеров нанокристаллов и пор ПК на его линейные и нелинейные оптические свойства и их анализ в рамках приближения эффективной среды с учетом электродинамических поправок на локальные поля в исследуемых наноструктурах.

2. Вывод о модификации тензора нелинейной восприимчивости третьего порядка в двулучепреломляющих слоях ПК с ориентацией поверхности (100).

3. Экспериментальную возможность синхронной генерации третьей оптической гармоники в ПК с сильным двулучепреломлением формы.

4. Экспериментально зарегистрированное увеличение интенсивности сигнала третьей оптической гармоники из мезопористого кремния более чем на порядок по сравнению с монокристаллическим кремнием вследствие проявления эффектов слабой локализации света.

5. Новые данные о формировании нано- и микроструктур на поверхности кремния при ее облучении фемтосекундными лазерными импульсами.

6. Вывод о доминирующем влиянии локальных полей в кремниевых поверхностных структурах, полученных при фемтосекундном облучении, на сигнал третьей гармоники от них.

Научная новизна результатов, полученных в диссертации:

1. Рассчитаны динамические поправки на локальное поле для мезоскопических структур с анизотропией формы. С помощью модели эффективной среды в рамках электродинамического приближения описано поведение дисперсионных зависимостей анизотропных образцов наноструктурированного кремния различной пористости.

2. Проведен анализ структуры тензора нелинейной кубичной восприимчивости анизотропно наноструктурированного ПК.

Экспериментально в процессе ГТГ зарегистрировано изменение соотношения компонент тензора по сравнению с соответствующими компонентами для КК.

3. Реализован режим фазовосогласованной ГТГ в слоях анизотропного ПК.

4. Зарегистрировано увеличение интенсивности сигнала третьей гармоники в высокопористых слоях ПК более чем на порядок по сравнению с КК. Рост эффективности ГТГ обусловлен эффектами слабой локализации света в мезоскопических порах и нанокристаллах кремния.

5. На поверхности кремния в процессе облучения фемтосекундными лазерными импульсами большой интенсивности помимо поверхностных решеток, обусловленных интерференцией падающей и рассеянной электромагнитных волн, впервые получены наноагломераты высотой от 1 нм до 20 нм. Зарегистрирован вклад поверхностных наноструктур в сигналы КР и ФЛ.

6. Методом ГТГ осуществлена диагностика in-situ процесса образования поверхностных кремниевых решеток, возникающих при облучении фемтосекундными лазерными импульсами. Зарегистрировано влияние распределения локальных полей в решетке на нелинейно-оптический отклик облученной поверхности.

Практическая ценность работы состоит в разработке принципов формирования новых сред для фотоники и нелинейной оптики и исследовании их оптических свойств. Слои ПК с большой искусственной оптической анизотропией могут быть использованы в качестве компактных фазовых пластин и преобразователей частоты при выполнении в них условий фазового синхронизма. Эффективность нелинейно-оптических преобразований может быть также повышена за счет проявления эффектов слабой локализации света в мезопористом кремнии. Другим способом изменения оптических свойств может являться создание в процессе фемтосекундной лазерной абляции наноструктур, где проявляются квантово-размерные эффекты.

Личный вклад. Все исследуемые образцы были изготовлены автором диссертационной работы лично. Роль диссертанта в экспериментальных исследованиях и теоретическом анализе линейных и нелинейных оптических свойств полученных низкоразмерных кремниевых структур является определяющей.

Апробация результатов работы.

Материалы, вошедшие в диссертацию, опубликованы в работах [1-20] и докладывались на следующих конференциях: 12th International Laser Physics Workshop “LPHYS’03”, Hamburg, Germany, 2003; Fifth Italian-Russian Symposium, Moscow, Russia, 2003; III Международная конференция молодых ученых и специалистов “Оптика-2003”, Санкт-Петербург, 2003; 4-th International Conference “Porous Semiconductors-Science and Techology”, Cullera – Valencia, Spain, 2004; Cовещание “Нанофотоника-2004”, Нижний Новгород, 2004; ALT 04 Conference “Advanced Laser Techologies”, Rome and Frascati, Italy, 2004; 13th International Laser Physics Workshop “LPHYS’04”, Trieste, Italy, 2004;

Международная конференции “Фундаментальные проблемы оптики – 2004”, Санкт-Петербург, 2004; Научная конференция “Ломоносовские чтения – 2005”, секция физики, физический факультет МГУ им. М.В. Ломоносова, 2005;

International Conference on Coherent and Nonlinear Optics / Lasers, Applications, and Techologies “ICONO/LAT – 2005”, St. Petersburg, Russia, 2005; Conference on Lasers and Electro-Optics/Quantum Electronics and Laser Science Conference and Photonic Applications, Systems and Technologies “CLEO/QELS and PhAST– 2005”, Baltimore, USA, 2005; International Conference Functional Materials “ICFM – 2005”, Partenit, Crimea, Ukraine, 2005; IV Международная конференция молодых ученых и специалистов “Оптика – 2005”, Санкт-Петербург, 2005.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка публикаций автора и списка цитируемой литературы из 150 наименований. Общий объем работы составляет 122 страницы машинописного текста, включая 51 рисунок и 3 таблицы.

В руководстве настоящей диссертационной работой принимал участие доцент Головань Леонид Анатольевич.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выбранной темы диссертации, поставлены задачи исследований, дан анализ научной новизны полученных результатов и их практической ценности.

Первая глава является обзором литературы. В разделе 1.1 содержится информация о структурных свойствах ПК, получаемого методом электрохимического травления. В разделе 1.2 обсуждаются оптические свойства ПК, применимость моделей эффективной среды для их описания и двулучепреломление формы, обусловленное анизотропным ростом пор в процессе электрохимического травления. Раздел 1.3 посвящен описанию нелинейно-оптических процессов второго и третьего порядков в ПК и путям увеличения эффективности генерации оптических гармоник в средах на его основе. В разделе 1.4 излагаются аспекты взаимодействия сверхкоротких лазерных импульсов с поверхностями твердых тел и проблемы формирования периодических микроструктур при фемтосекундном лазерном облучении (ФЛО). В конце главы (раздел 1.5) сделаны выводы из обзора литературы и сформулированы задачи исследования.

Во второй главе дано описание используемых образцов и изложена методика эксперимента.

В разделе 2.1 изложена методика изготовления слоев анизотропного ПК, заключающаяся в электрохимическом травлении монокристаллических пластин р++-Si:B с ориентацией поверхности (110). Использование таких подложек и доминирующий рост пор в кристаллографических направлениях <100> в процессе электрохимического травления обусловило большую величину n 0.двулучепреломления ( ) в получаемых образцах. При этом размер пор составил от 10 до 50 нм, что позволило классифицировать исследуемые образцы ПК как мезопористые.

В разделе 2.2 описывается установка для формирования низкоразмерных структур на поверхности кремния методом ФЛО. В установке использовалась фемтосекундная лазерная система с задающим генератором на кристалле форстерит:Cr4+ и регенеративным усилителем. На выходе из системы импульсы имели линейную поляризацию, длительность 80 фс и энергию до 250 мкДж при частоте повторения 10 Гц. Облучение кремниевых поверхностей происходило на воздухе при комнатной температуре и нормальном падении сфокусированного лазерного луча на кремниевую мишень. Структурные свойства облученных поверхностей изучались на растровом электронном микроскопе Cambridge Instruments S 240 и на сканирующем зондовом микроскопе NT-MDT Solver PRO.

Методика измерения спектров пропускания и отражения слоев ПК и расчета по ним показателей преломления обыкновенной и необыкновенной [1 1 0] волн (кристаллографические направления [001] и соответственно) излагается в разделе 2.3. Спектральные измерения в видимом и ближнем ИК диапазоне от 0,47 до 1,6 мкм осуществлялись с помощью лампы накаливания, монохроматора, кремниевого или германиевого фотодиодов и автоматизированной системы регистрации. Для измерения ИК спектров в диапазоне от 1,6 до 12 мкм использовались Фурье-спектрометры Perkin Elmer Spectrum RX I FT-IR или Bruker IFS 66v/S.

Pages:     || 2 | 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»