WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |
Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 7 Исследование ориентации молекул жидкого кристалла E7 в композитах на основе щелевого кремния поляризационными методами инфракрасной спектроскопии и комбинационного рассеяния света,+ © Е.В. Астрова¶, Т.С. Перова+, С.А. Грудинкин, В.А. Толмачев, Ю.А. Пилюгина, В.Б. Воронков, J.K. Vij+ Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия + Department of Electronic and Electrical Engineering, University of Dublin, Trinity College, Dublin 2, Ireland (Получена 6 сентября 2004 г. Принята к печати 17 сентября 2004 г.) Исследовались ориентация молекул жидкокристаллического наполнителя и электрооптический эффект в композитных фотонных кристаллах на основе щелевого кремния. Установлено, что после заполнения щелей молекулы нематического жидкого кристалла выстраиваются преимущественно планарно по отношению к кремниевым стенкам. При приложении электрического поля происходит изменение ориентации молекул жидкого кристалла на гомеотропную по отношению к стенкам щелей. Полученный эффект может быть использован для перестройки фотонной зоны одномерного фотонного кристалла.

1. Введение помощью глубокого анизотропного травления кремния ориентации (110), является одномерным фотонным криВпервые концепция перестраиваемого фотонного кри- сталлом для света, распространяющегося перпендикулярно кремниевым ребрам в плоскости пластины [6,7], сталла на основе диэлектрической пористой матрицы, заполненной жидким кристаллом (ЖК), была предло- и что инфильтрация его нематиком E7 приводит к сдвигу наблюдавшихся запрещенных фотонных зон в жена в теоретической работе Буша и Джона [1]. С тех длинноволновую область спектра [8].

пор было опубликовано несколько экспериментальных В настоящей работе разработаны модельные струкработ, посвященных созданию композитных фотонных туры щелевого кремния с изолированными встречнокристаллов (ФК) разной размерности на основе разштыревыми электродами разного периода, и на их осноных диэлектрических матриц (см., например, [2,3]). В ве изготовлены композиты. Рассмотрены методические двумерных композитных ФК на основе кремниевой вопросы определения ориентации директора1 ЖК в щематрицы в виде макропористого кремния был проделевом кремнии и выполнены исследования ориентации монстрирован сдвиг фотонной зоны на 70 нм, обусловмолекул нематика E7 в исходном состоянии и при ленный изменением показателя преломления жидкого воздействии внешнего электрического поля.

кристалла при переходе из мезофазы в изотропное состояние при нагреве [4]. Из полученных спектров авторы [4] попытались определить исходную ориентацию 2. Эксперимент молекул нематического жидкого кристалла E7 в каналах макропористого кремния. Их заключение о радиально На рис. 1–3 показаны основные типы исследовавзатухающей ориентации ЖК не нашло подтверждения шихся образцов, а на рис. 4 приведено поперечное сечение встречно-штыревых структур, использованных в более поздней работе [5], где с помощью ЯМР было для получения электрооптического эффекта. Исходным установлено, что молекулы E7 стремятся расположиться своей длинной стороной вдоль оси каналов. Для пере- материалом для изготовления образцов был n-Si с удельным сопротивлением = 5Ом· см. В шлифованстройки фотонной зоны двумерного ФК в этой работе ные пластины толщиной 400 мкм, ориентированные в также был использован термооптический эффект.

плоскости (110), проводилась глубокая диффузия бора и С практической же точки зрения более интересна алюминия на глубину xj = 160 мкм. С лицевой стороны перестройка зоны с помощью электрического поля. В p-слой убирали шлифовкой и полировкой, оставляя случае композитов на основе макропористого кремния конечную толщину пластины 190 мкм. Щели травились приложить электрическое поле к ЖК внутри каналов с лицевой стороны через окисную маску в подогретом непросто, в силу того что Si-матрица обладает высорастворе КОН. Более подробно технология получения кой электропроводностью. Более удобной кремниевой периодических структур щелевого кремния описана в матрицей, позволяющей решить эту проблему, являютработе [6]. Получаемые при этом вертикальные плосся периодические структуры щелевого кремния. Ранее кости кремниевых ребер, плоскостей (111), оптически было показано, что щелевой кремний, полученный с Директор — вектор, характеризующий направление преимуще¶ E-mail: east@mail.ioffe.ru ственной ориентации длинных осей молекул ЖК 794 Е.В. Астрова, Т.С. Перова, С.А. Грудинкин, В.А. Толмачев, Ю.А. Пилюгина, В.Б. Воронков, J.K. Vij электрического поля может быть несколько искажена.

Высота такой области порядка ширины щели w, и в узких и глубоких щелях ее влиянием можно пренебречь, полагая, что поле внутри щели однородно.

В каждом чипе со встречно-штыревыми электродами имелось 17 щелей, организованных в „решетку“ с разным периодом A = 32, 16 и 8 мкм. Толщина кремниевых ребер dSi и ширина щелей w в готовой структуре мало отличались от ширины темных и светлых полос Рис. 1. Образец D1, заполненный жидким кристаллом (изображение в оптическом микроскопе).

Рис. 3. Образец D8 со встречно-штыревой структурой электродов до заполнения жидким кристаллом; период структуры A = 16 мкм, ширина w щелей 8 мкм: a — общий вид чипа, b — увеличенное изображение области перекрытия электродов.

Рис. 2. Образец D4 - 2 с одной щелью (изображение в сканирующем электронном микроскопе): a —исходная матрица, b — образец с электродами после заполнения жидким кристаллом.

гладкие, в то время как дно щелей шероховатое. Глубина щелей l = 50 мкм, так что они проникают в область p-типа. Два кремниевых электрода 1 и 2 (рис. 3, a) электрически изолированы друг от друга с помощью обратно смещенного p-n-перехода и обеспечивают подачу Рис. 4. Схема поперечного сечения образца со встречнонапряжения к соседним ребрам в области перекрытия штыревыми электродами, изолированными с помощью p-nэлектродов. Вблизи дна щелей однородная конфигурация перехода.

Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. Исследование ориентации молекул жидкого кристалла E7 в композитах на основе щелевого... Рис. 5. Схема поляризационных измерений ИК-пропускания: a — для двух ортогональных поляризаций света вдоль и поперек щелей, b — для диагональной ориентации поляризатора и анализатора при измерении двулучепреломления.

на фотошаблоне и были равны друг другу в пределах За заполнением щелей и противоположного угла емструктуры одного типа dSi = w. Кроме периодических кости наблюдали под микроскопом. Наличие внешней структур были изготовлены тестовые образцы с од- рамки у чипа исключало возможность утечки ЖК из ной щелью шириной w = 50 мкм между электродами щелей. В образце D1 со сквозными щелями ЖК удер(рис. 2). Из-за шлифованной обратной стороны образцов живался между Si-стенками за счет сил поверхностного с p-n-переходом и высокого уровня легирования ниж- натяжения. Для сравнения спектров ИК-поглощения и ней части подложки такие образцы были непрозрачны в комбинационного рассеяния света (КРС) были изготовИК-свете. Для проведения измерений на просвет обрат- лены объемные жидкокристаллические ячейки с окнами ная сторона таких структур подвергалась травлению в из BaF2, прозрачными в видимой и ИК-областях спектра.

полирующем травителе СР-4, при котором удалялось Для создания однородной планарной ориентации ЖК в 20-30 мкм кремния. Некоторые образцы изготавлива- этих ячейках окна покрывались поливиниловым спиртом лись без p-n-перехода, они имели полированную обрат- на центрифуге, отжигались при T = 100C и затем ную сторону и высокую прозрачность в ИК-области натирались вельветом в одном направлении.

(образец Fe03). Специально были изготовлены образцы ИК-спектры поглощения записывались с помосо сквозными щелями без дна (образец D1 на рис. 1). щью фурье-спектрометра Digilab FTS6000, оснащенного Они не содержали встречно-штыревых электродов и не ИК-микроскопом UMA-500. Для регистрации электропозволяли исследовать электрооптический эффект, но оптического эффекта апертура в виде прямоугольника оказались удобны для исследования анизотропии ЖК в выбиралась таким образом, чтобы захватить область видимой области спектра на просвет. перекрытия электродов (см. рис. 3, b) или единственную Для проведения измерений оптического пропускания щель (рис. 2). В других случаях, для определения все образцы монтировались на плату из фольгирован- исходной ориентации ЖК, освещалась вся площадь ного гетинакса со сквозным полукруглым отверстием композита. Измерения щелевых структур проводились на краю. Металлическая проволока диаметром 50 мкм и при освещении образца перпендикулярно плоскости подсеребряная паста использовались для получения контак- ложки. Такая геометрия позволяет выделить компонента между Si-электродом и токопроводящей дорожкой на ты директора, направленные вдоль и поперек длинной плате (см. рис. 2, b). Щели заполнялись жидкокристал- стороны щели, но не дает возможности регистрировать лической смесью E7 на основе цианбифенилов фирмы запрещенную фотонную зону и ее сдвиг под действием Мерк (Германия) при комнатной температуре, т. е. в электрического поля. Щели образца ориентировались нематической фазе. ЖК вводился с одного угла чипа в параллельно либо перпендикулярно вектору поляризаемкость, образованную внешней рамкой и электродами. ции света (см. рис. 5, a). Известно, что молекулы ЖК EФизика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 796 Е.В. Астрова, Т.С. Перова, С.А. Грудинкин, В.А. Толмачев, Ю.А. Пилюгина, В.Б. Воронков, J.K. Vij имеют несколько характерных ИК-полос поглощения, обладающих дихроизмом [9]. Так, направления колебаний связей CN и C-C при частотах 1 = 2226 см-и 2 = 1606 см-1, соответственно, параллельны длинной стороне палочкообразной молекулы ЖК, а направление колебаний при 3 = 817 см-1 перпендикулярно оси молекулы. Отношение интенсивностей этих полос для двух ортогональных поляризаций NA может быть использовано для нахождения скалярного параметра порядка SA [10]. Для измерения двулучепреломления образцы помещались между поляризатором P, расположенным под углом 45 по отношению к щелям (см. рис. 5, b), и анализатором A. Спектры записывались для двух положений анализатора: параллельно A P и перпендикулярно A P поляризатору.

Спектры КРС записывались с помощью установки Renishaw 1000 в геометрии обратного рассеяния. Прибор позволял фокусировать падающий свет аргонового лазера ( = 514 нм) в область диаметром 1мкм.

Мощность лазерного излучения составляла 5 мВт. Компонента рассеянного света, ориентированная вдоль направления поляризации падающего света, выделялись с помощью анализатора. Для выделения поперечной компоненты рассеянного света перед анализатором стаРис. 7. Область между электродами, освещаемая лазером при вилась пластинка /2. Геометрия эксперимента изобраизмерении комбинационного рассеяния (показана перекрестижена на рис. 6. Поляризация падающего света лазера E ем): a — для горизонтальной H ориентации щелей относительбыла всегда одинакова (на рис. 6 — в горизонтальном но поляризации падающего света, b — для вертикальной V.

направлении), а образец поворачивали на 90 так, что щели располагались либо вдоль, либо поперек вектора поляризации света E, т. е. горизонтально (H) или месте. В поляризационной спектроскопии КРС принято вертикально (V ). На рис. 7 показано, что падающий использовать систему координат, жестко связанную с свет фокусировался в центральную часть щели между образцом. Интенсивность рассеянного света Ii j имеет электродами. После поворота образца из положения H в два индекса: первый i определяет поляризацию рассеположение V освещаемое пятно фиксировалось в том же янного света, второй j — падающего. В таких обозначениях деполяризационные отношения для двух ориентаций образца могут быть записаны в следующем виде:

RH = Iyx /Ixx и RV = Ixy/Iyy [11]. Деполяризационные отношения используются для нахождения параметров ориентационного порядка ЖК.

Для регистрации эффекта Фредерикса под действием электрического поля к электродам щелевых образцов прикладывалось постоянное или переменное напряжение с амплитудой V = 14-110 В. Переменное напряжение имело форму прямоугольных импульсов обеих полярностей, частота которых была обычно 50 Гц.

3. Результаты и обсуждение Наиболее четкие данные о начальной ориентации молеул ЖК были получены на образце D1 со сквозными щелями (рис. 1). Оптическая анизотропия ЖК в его Рис. 6. Схема измерений комбинационного рассеяния свещелях была обнаружена в видимой области при исследота: a — горизонтальное положение щелей H (параллельно вании на просвет между скрещенными поляризаторами вектору поляризации E падающего света), b — вертикальное поляризационного микроскопа. При вращении образца положение щелей V (перпендикулярно вектору поляризации E на 360 ЖК становился темным 4 раза: когда щели падающего света), k0 — волновой вектор падающего света, ks — волновой вектор рассеянного света. располагались либо параллельно, либо перпендикулярно Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. Исследование ориентации молекул жидкого кристалла E7 в композитах на основе щелевого... Наиболее чувствителен к оптической анизотропии эксперимент по двулучепреломлению, когда образец располагается между поляризатором и анализатором, повернутыми на 45 относительно оптической оси.

Спектры образца D1, полученные при скрещенных и параллельных поляризаторе и анализаторе P A и P A, приведены на рис. 9, где помимо характерных пиков поглощения ЖК видны периодические колебания, максимумы и минимумы которых для двух разных положений анализатора находятся в противофазе. Разность показателей преломления обыкновенного и необыкновенного лучей n при этом легко найти из периода таких колебаний, обусловленных набегающей разностью фаз между обыкновенным и необыкновенным лучом на выходе из анизотропной среды (см. например[12]):

n = = 0.1, (2) Рис. 8. Спектры жидкого кристалла E7 в сквозных щелях 2l образца D1: a — Ixx и Iyy интенсивности комбинационного где l — толщина образца, равная 45 мкм, — расрассеяния света, b — ИК-поглощение света, поляризованного стояние между максимумом при max = 2100 см-1 и параллельно и перпендикулярно щелям.

минимумом при min = 3200 см-1 на спектре для случая скрещенных поляризаторов.

Менее распространенным методом определения ориентационного порядка ЖК является поляризационная спектроскопия комбинационного рассеяния света, теоретические основы которой развиты в работе [11].

Pages:     || 2 | 3 |



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

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.