Автореферат (Влияние структурных характеристик пористых полупроводников и диэлектриков на их оптические свойства)

На правах рукописиГоловань Леонид АнатольевичВЛИЯНИЕ СТРУКТУРНЫХ ХАРАКТЕРИСТИКПОРИСТЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВ И ДИЭЛЕКТРИКОВНА ИХ ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВАСпециальность: 01.04.21 — лазерная физикаАвторефератдиссертации на соискание ученой степенидоктора физико–математических наукМосква — 2008Работа выполнена на физическом факультете Московскогогосударственного университета им. М.В. ЛомоносоваОфициальные оппоненты: доктор физико-математических наук,профессор Емельянов Владимир Ильичдоктор физико-математических наук,член-корреспондент РАН,профессор Конов Виталий Ивановичдоктор физико-математических наукФёдоров Анатолий ВалентиновичВедущая организация:Физический институт им. П.Н. Лебедева РАНЗащита состоится 17 апреля 2008 г.

в 16.00 час. на заседаниидиссертационного совета Д 501.001.31 при Московском государственномуниверситете им. М.В. Ломоносова по адресу: 119991 ГСП-1 Москва,Ленинские горы, МГУ им. М.В. Ломоносова, физический факультет,Корпус нелинейной оптики, аудитория им. С.А. Ахманова.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультета МГУ им. М.В.

Ломоносова.Автореферат разослан ""Ученый секретарьдиссертационного совета Д 501.001.312008 г.Т.М. ИльиноваОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темы. Возрастающие потребности в передаче данных требуют создания новых приборов и устройств, позволяющих в широком спектральном диапазоне осуществлять быстрое переключение иизменять частоту сигнала. Дальнейшее развитие таких систем в основном определяется возможностью генерировать, переключать и детектировать оптический сигнал, используя нелинейно-оптические процессы. С другой стороны, современные телекоммуникационные технологиитребуют миниатюризации устройств для управления распространением изучения.

Однако большинство имеющихся на сегодня нелинейнооптических кристаллов обладают либо сравнительно малой нелинейной восприимчивостью, но при этом в них возможна большая длинанелинейно-оптического взаимодействия, например за счёт фазового согласования процесса, либо, наоборот, при большой нелинейной восприимчивости длина взаимодействия очень мала и зачастую ограниченанесколькими длинами волн. В связи с этим встает необходимость в развитии новых подходов, которые приведут к формированию новых искусственных материалов на основе наноструктур, позволяющих сочетатьвысокую нелинейную восприимчивость с большой длиной взаимодействия.Получение и исследование новых материалов с требуемыми структурными и оптическими свойствами представляет собой актуальную задачу современной лазерной физики, решаемую методами нанотехнологии.Для этого тем или иным способом проводится сборка“ нанокристаллов”или нанокластеров, электронные и оптические свойства которых определяются их размером и формой.

Оптические свойства ансамбля наночастиц будут определяться не только взаимодействием между атомами, нои взаимным расположением нанокластеров, а также их объемной долей.Важным примером таких сред являются пористые полупроводниковые идиэлектрические материалы, образующиеся в результате процесса электрохимического травления. Они представляют собой нанокомпозитныесреды, образованные пустотами в объеме (порами) и оставшимися послеудаления части материала нанокристаллами полупроводника или нанокластерами диэлектрика.Все вышесказанное объясняет необходимость детального изученияоптических свойств пористых полупроводников и диэлектриков.

Указанные материалы, как свидетельствуют результаты недавних исследований, могут обладать высокой эффективной нелинейной восприим3чивостью и позволяют осуществить фазовое согласование нелинейнооптических процессов. Широкое применение могут найти и линейныеоптические свойства пористых сред, например двулучепреломление формы. Надо отметить, что важным достоинством устройств на основе пористых полупроводников является возможность легко интегрировать ихс существующими полупроводниковыми оптическими и электроннымиэлементами.С фундаментальной точки зрения пористые полупроводники и диэлектрики, структурные параметры которых можно варьировать в широких пределах, меняя режимы их изготовления, являются хорошими модельными объектами для изучения электродинамики нанокомпозитных сред, в частности исследования влияния таких факторов какквантово-размерный эффект, адсорбция молекул и эффекты локальногополя на оптические свойства наносистем.

В рамках настоящей работыосновное внимание уделяется проявлениям эффектов локальных полейи исследованию возможностей управления с их помощью фотоннымисвойствами пористых полупроводников и диэлектриков.Цели диссертационной работы заключались в следующем:— установить взаимосвязь микроструктуры пористых полупроводников и диэлектриков с их оптическими свойствами;— исследовать нелинейно-оптические процессы второго и третьего порядка в пористых полупроводниках и диэлектриках с различнымиструктурными характеристиками.Для достижения этих целей были поставлены и решались следующиеконкретные задачи:1) разработка методов формирования пористых полупроводников идиэлектриков, а также структур на их основе;2) изучение влияния структуры пористых полупроводников на их линейные оптические свойства, в частности на величины эффективного показателя преломления и двулучепреломления для оптическиоднородных сред и длину свободного пробега фотона для рассеивающих сред;3) развитие теоретического подхода, позволяющего описать двулучепреломление формы в пористых полупроводниках и диэлектриках;4) исследования возможности увеличения длин нелинейно-оптическихвзаимодействий за счёт достижения фазового синхронизма в пористых полупроводниках с двулучепреломлением формы;45) определение модификации тензора эффективной нелинейной восприимчивости пористых полупроводников и диэлектриков и установление связи компонент тензора со структурными параметрамипористых слоев;6) изучение особенностей трех- и четырехволновых взаимодействий вмногослойных периодических структурах на основе пористых полупроводников;7) исследование нелинейно-оптических процессов в оптически неоднородных пористых полупроводниках, обладающих сильным рассеянием света.В настоящей работе в качестве объектов исследования рассматриваются такие полупроводниковые материалы, как пористый кремний(ПК) и пористый фосфид галлия (ПФГ), а также диэлектрические среды, такие, как окисленный пористый кремний (ОПК) и пористый оксидалюминия (ПОА).

Данные материалы составляют бóльшую часть пористых сред, представляющих интерес для фотоники. Важно отметить, чтоони допускают варьирование как структурных, так и оптических параметров в широких пределах. Так, в зависимости от материала и условийформирования размеры пор и нанокластеров составляют от единиц нанометров до долей микрометра.Для решения поставленных задач использовались разнообразные экспериментальные и теоретические методы. Образцы пористых материалов и структур на их основе формировались посредством химического и электрохимического травления.

Исследование структурныхсвойств полученных объектов проводилось методами просвечивающейи растровой электронной микроскопии, атомно-силовой микроскопии,рентгеновской дифракции. Оптические свойства изготовленных слоевпористых материалов изучались методами спектроскопии видимого иинфракрасного диапазонов, генерации второй и третьей оптических гармоник, когерентного антистоксова рассеяния света.

Эксперименты выполнялись с использованием наносекундных и пикосекундных лазерныхсистем на основе кристаллов Nd:YAG, Nd:YVO4 , фемтосекундной лазерной системы на основе кристалла Cr:форстерита, параметрического генератора света и волоконно-оптического генератора континуума.Для описания оптических свойств пористых материалов использовалисьтеоретические модели, основанные как на статическом, так и на динамическом приближениях эффективной среды. Выполненный в работетеоретический анализ нелинейно-оптических процессов основан на решении волнового уравнения с нелинейным источником в приближении5медленно меняющихся амплитуд.Достоверность и обоснованность полученных в работе результатов определяется использованием комплекса как структурных, так иоптических экспериментальных методов исследования, а также сопоставлением данных эксперимента с выводами теоретического рассмотренияи численного моделирования изучаемых процессов.Научная новизна работы заключается в получении фундаментальной информации о взаимосвязи структурных свойств пористых полупроводников и диэлектриков, их линейных и нелинейных оптическихсвойств, а также в разработке физических моделей для их описания.1.

Впервые в широком спектральном диапазоне проведено детальноеисследование явления двулучепреломления формы в пористых полупроводниках и диэлектриках.2. Предложена новая модель для описания эффективной диэлектрической проницаемости пористых полупроводников и диэлектриков,учитывающая анизотропию формы пор и нанокластеров вещества,а также их размеры и эффект динамической деполяризации.3. Впервые продемонстрирована возможность фазового согласованияпроцессов генерации второй и третьей оптических гармоник в пористых полупроводниках, обладающих двулучепреломлением формы,и изучено влияние заполнения пор прозрачными диэлектрическимисредами на эффективность данных процессов.4.

Впервые экспериментально и теоретически проведен анализ структуры тензора нелинейной кубической восприимчивости двулучепреломляющего ПК, зарегистрирован рост сигнала третьей гармоникив высокопористых слоях ПК более, чем на порядок по сравнениюс кристаллическим кремнием, и показана неприменимость электростатической модели эффективной среды для описания нелинейнооптических свойств мезопористых полупроводников.5. Впервые детально исследовано усиление эффективности генерациивторой и третьей гармоник и суммарной частоты в ПФГ, в том числе в зависимости от длины волны, пористости и длины свободногопробега фотона в пористом слое; полученные результаты связаны сэффектами локализации света в пористой среде.Практическая значимость исследования. Полученные в диссертации результаты открывают возможности для развития новых методовпреобразования частот и управления распространением лазерного излучения на основе нелинейно-оптических явлений в пористых полупроводниках и диэлектриках.