WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Журнал технической физики, 2000, том 70, вып. 11 07;12 Нелинейность оптических свойств тонких пленок при низкой интенсивности света © А.В. Хомченко Институт прикладной оптики АН Белоруссии, 212793 Могилев, Белоруссия E-mail: ipo@physics.belpak.mogilev.bu (Поcтупило в Редакцию 3 марта 2000 г.) Обнаружена и исследована нелинейность оптических параметров полупроводниковых и диэлектрических пленок на длине волны излучения 0.63 nm при интенсивности света менее 100 mW/cm2.

При создании оптических устройств обработки ин- составлял 0.5 µW... 1.0 mW. Радиус светового пучка на формации используются материалы, показатель прело- основании призмы связи не превышал 150 µm.

мления и коэффициент поглощения которых зависят от При исследовании оптических свойств тонких пленок из стеклообразного сульфида мышьяка были измерены интенсивности света. Наибольшие значения нелинейного показателя преломления n2 характерны для полупровод- нелинейные оптические постоянные n2 и k2 в диапазоне никовых материалов. Поэтому особое внимание иссле- интенсивности светового пучка 10... 100 W/cm2. Измерения выполнены на длине волны излучения 0.63 µm.

дователей сосредоточено на создании и поиске полуДанные измерений n2 = 1.5 · 10-5 cm2/W удовлетворипроводниковых материалов или структур с гигантской тельно согласуются с результатами других работ [3]. Одоптической нелинейностью. Оптическая нелинейность в нако при проведении измерений в диапазоне интенсивполупроводниковых материалах при различных механизности излучения менее 0.1 W/cm2 обнаружена сильная мах, ответственных за ее существование, наблюдается нелинейная зависимость спектрально-оптических параобычно при плотности световой мощности, по крайней метров тонких пленок от интенсивности падающего свемере 10... 100 W/cm2.

тового пучка [2]. Значение нелинейной постоянной при В настоящей работе сообщается о наблюдении изменеэтом составляло n2 = 2.65 · 10-3 cm2/W. В качестве маний показателя преломления и коэффициента поглощетериала подложки было использовано кварцевое стекло.

ния полупроводниковых пленок при интенсивности падаИзменения оптических параметров пленки, обусловленющего света порядка нескольких милливатт. Измеренные ные повышением температуры пленки при поглощении при этом значения n2 и нелинейного коэффициента света, были на пять порядков меньше регистрируемых поглощения k2 достигали значений 10-3 cm2/W.

значений [4], что свидетельствовало о нетепловом хаИсследованы свойства аморфных пленок сульфида рактере наблюдаемой оптической нелинейности.

мышьяка, селенида галлия, двуокиси олова, поликриТакая особенность зависимости оптических свойств сталлических пленок селенида цинка, пленок цветных пленок сульфида мышьяка указывает на существоваи кварцевых стекол. Аморфные и поликристаллические ние нескольких механизмов оптической нелинейности с полупроводниковые пленки были получены методами различными энергиями насыщения. Аналогичные измевакуумного осаждения. В качестве материала подложки рения, выполненные для поликристаллических пленок использовались плавленый кварц или оптическое стекселенида цинка, позволили также обнаружить значило К8. Температура подложки в процессе осаждения не тельные нелинейные изменения спектрально-оптических превышала 250C. Спектрально-оптические параметры свойств тонких пленок [5]. Зависимости приращения h материала пленки (показатель преломления n и коэфот мощности падающего светового пучка приведены на фициент поглощения k) были исследованы волноводным рис. 1, где h = h - h 0, а h 0 — значение h при миметодом на длине волны излучения He–Ne лазера [1], нимальной интенсивности света. Существенный разброс а также в спектральном диапазоне несобственного пополучаемых значений h, который намного превышал глощения полупроводникового материала. В экспериошибку измерений (h = 5 · 10-6), потребовал променте определялись действительная h и мнимая h ведения более тщательных исследований зависимости части постоянной распространения h волноводной мопараметров пленок селенида цинка от интенсивности ды, которые находились по результатам обработки заизлучения. Полученные зависимости носили немонотонрегистрированного фурье-спектра светового пучка, от- ный характер и имели зубчатую структуру. При этом раженного от основания призменного элемента связи.

оказалось, что характер немонотонной зависимости и Нелинейные показатель преломления n2 и коэффици- значение n2 материала осаждаемой пленки определяент поглощения k2 были определены в условиях са- лись кристаллическим качеством осажденной пленки.

мовоздействия на длине волны излучения 0.633 µm [2]. На рис. 1 приведены зависимости h (I) для пленок, Диапазон изменения мощности падающего излучения осажденных при различной температуре подложки 140, Нелинейность оптических свойств тонких пленок при низкой интенсивности света Рис. 1. Зависимости h (I) для пленок ZnSe (a), осажденных при температуре подложки 140 (1), 180 (2) и 250C (3); для пленок из цветных стекол (b) до (1) и после термического отжига (3), осажденных при температуре подложки 140 (1) и 190C (2).

180, 250C (кривые 1–3 соответственно). При этом осаждения пленки также меняли характер немонотонной по оценкам, полученным из спектрофотометрических зависимости h(I) (рис. 1, b, кривые 1 и 3).

измерений, данные поликристаллические пленки имели Следует отметить, что оптическая нелинейность при средние размеры отдельных кристаллитов 19, 7 и 12 nm низких интенсивностях падающего излучения наблюдасоответственно.

лась и в пленках, полученных распылением плавленого Аналогичные изменения спектрально-оптических кварца. Значения n2 при этом были значительно ниже, свойств при увеличении интенсивности падающего чем у полупроводниковых пленок или пленок из окрасвета наблюдалась и для пленок GaSe, ZnO, SnO2, шенных стекол, и составляли 10-7 cm2/W. НелинейLiNb2O3 и др. ная зависимость спектрально-оптических параметров от интенсивности падающего излучения уверенно регистриТонкопленочные структуры, в которых проявляютровалась для пленок с нарушенной стехиометрией. При ся квантово-размерные эффекты, нередко получают из оптических потерях в волноводной пленке 2 dB/cm стекол, легированных полупроводниковыми соединениэффект практически не наблюдался (рис. 2).

ями. Поэтому были исследованы нелинейные оптические свойства тонкопленочных структур, полученных Результаты проведенных экспериментов по исследораспылением цветных стекол (ОС12) и керамических ванию нелинейных оптических свойств тонкопленочных мишеней, в состав которых входили S : O2, ZnSe или структур, в которых проявляются квантово-размерные CdSe. И в этом случае наблюдалась аналогичная не- эффекты, позволяют предположить, что оптическая немонотонная зависимость h (I). Особенностью свойств линейность в таких структурах обусловлена электронтаких пленок являлось лишь то, что в отличие от поли- ными процессами, протекающими на границах раздела кристаллических пленок селенида цинка, для которых на- полупроводник–диэлектрик. В связи с этим была предблюдалось ”просветление”, в пленках на основе цветных принята попытка воссоздать подобную нелинейную срестекол регистрировался рост коэффициента поглощения ду путем нанесения многослойной структуры. Последняя с увеличением интенсивности света. Оптическая нели- была изготовлена послойным осаждением проводящего нейность в таких материалах определяется размерами материала SnO2 и диэлектрика SiO2. Такая структура с полупроводниковых кристаллитов, внедренных в матри- толщиной слоев около десяти нанометров моделировала цу стекла [6]. Размеры полупроводниковых кристаллитов нелинейную среду с низкой размерностью. Зависимость можно изменять, проводя термический отжиг либо меняя h (I) для структуры, содержащей три слоя оксида олова, условия осаждения пленки. На рис. 1, b приведены зави- разделенных слоями диоксида кремния, представлена на симости h (I) для пленок из стекла ОС12 до и после рис. 3. При этом толщины проводящих пленок составлятермического отжига при температуре 400C в тече- ли 12, 24 и 36 nm. На зависимости h (I) также отчетливо ние 6 h. Увеличение температуры подложки в процессе прослеживается 3 пика различной ширины. Оптическая Журнал технической физики, 2000, том 70, вып. 138 А.В. Хомченко ния для пленок SiOx был равен 1.5 · 10-5 (кривая 3) и 5 · 10-6 (кривая 4), толщина пленки составляла 1 µm.

Большие значения n2 и k2 свидетельствуют о возможности управления света светом в таких структурах при интенсивности 10 mW/cm2.

Как следует из представленных результатов, нелинейный характер зависимости наиболее ярко проявляется для структур, в которых в качестве подложки была использована дефектная пленка SiOx. Это позволяет предположить, что состояние поверхности и определяет нелинейную зависимость спектрально-оптических параметров тонких пленок в данном случае. В поликристаллических пленках и квантово-размерных структурах на основе стекол, легированных полупроводниковыми соединениями, дополнительный вклад в оптическую нелинейность вносит поверхность отдельных полупроводниковых кристаллитов.

Анализ приведенных данных свидетельствует о схожести процессов, протекающих в многослойных структуРис. 2. Изменение h при увеличении мощности падающего света для пленок SiOx при значениях коэффициента погло- рах, поликристаллических пленках и пленках из стекол, щения материала пленки равных 3 · 10-5 (1), 9 · 10-6 (2) легированных полупроводниками, и объясняющих немои 3 · 10-6 (3).

нотонный характер зависимости их оптических свойств от интенсивности излучения. Вероятно, процессы генерации и рекомбинации носителей заряда на энергетических уровнях поверхностных состояний играют здесь столь существенную роль. Естественно, не все поверхностные состояния участвуют в процессах рекомбинации. Для части состояний доступны лишь переходы зона–уровень, и тогда уровень поверхностного состояния является ловушкой. Такие состояния более характерны для границ раздела полупроводник–диэлектрик.

В ходе экспериментов не обнаружено зависимости показателя преломления и коэффициента поглощения материала пленок от экспозиции. ДополнительРис. 3. Зависимости h (I) для многослойной структуры на основе SnO2, содержащей три проводящих слоя (1), для структур SnO2–подложка (2), SnO2-SiOx- подложка при коэффициенте поглощения для SiOx, равном 1.5 · 10-5 (3) и 5 · 10-6 (4).

нелинейность в таких структурах также зависит от оптического качества диэлектрических слоев. На рис. приведены зависимости h (I) для трех пленок SnO2, изготовленных в течение одного процесса осаждения на различные подложки. В качестве подложки при этом Рис. 4. Спектр поглощения пленки SnO2 до (1) и в процесиспользовано чистое кварцевое стекло, структуры — се (2) дополнительного облучения светом с = 0.63 nm в кварцевое стекло–пленка SiOx. Коэффициент поглоще- парах воды (3).

Журнал технической физики, 2000, том 70, вып. Нелинейность оптических свойств тонких пленок при низкой интенсивности света ная же засветка вторым пучком лазерного излучения на = 0.63 nm изменяла и спектральный коэффициент поглощения материала пленки. На рис. приведены спектры поглощения пленки SnO2 до и в процессе дополнительной подстветки пучком света с = 0.63 nm. Спектры измерены методом волноводной фурье-спектроскопии. Там же (кривая 3) представлен спектр поглощения этой же пленки в парах воды. Анализ данных результатов указывает на существование и незаполненных энергетических уровней поверхностных состояний в области прозрачности материала пленки.

Существование поверхностных состояний, вероятно, и определяет значительную нелинейность спектральнооптических параметров тонких пленок, в том числе диэлектрических, в области низкой интенсивности света.

Зарегистрирована значительная нелинейность оптических свойств тонких пленок при интенсивности падающего света менее 100 mW/cm2 на длине волны 0.63 nm.

При этом величина нелинейного показателя преломления достигали значений n2 10-3 cm2/W. Вероятно, оптическая нелинейность в тонких пленках обусловлена существованием уровней поверхностных состояний внутри запрещенной зоны. Для структур с низкой размерностью ее характер определяется качеством границы раздела полупроводник–диэлектрическая матрица, а для поликристаллических пленок — кристаллическим качеством материала пленки и размерами отдельных кристаллитов.

Автор выражает благодарность А.И. Войтенкову за плодотворное обсуждение результатов.

Список литературы [1] Редько В.П., Романенко А.А., Сотский А.Б., Хомченко А.В. // Письма в ЖТФ. 1992. Т. 18. Вып. 3. С. 14–18.

[2] Сотский А.Б., Хомченко А.В., Сотская Л.И. // Письма в ЖТФ. 1994. Т. 20. Вып. 16. С. 49–54.

[3] Виноградов А.Ю., Сморгонская Э.А., Шифрин Е.И. // Письма в ЖТФ. 1988. Т. 14. Вып. 7. С. 642–645.

[4] Сотский А.Б., Хомченко А.В., Сотская Л.И. // Опт. и спектр. 1995. Т. 78. № 3. С. 502–511.

[5] Хомченко А.В. // ЖТФ. 1997. Т. 67. Вып. 9. С. 60–63.

[6] Геворкян С.Ш., Никоноров Н.В. // Письма в ЖТФ. 1990.

Т. 16. Вып. 13. С. 32–36.




© 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.