Автореферат (Оптические свойства рассеивающих сред на основе кремниевых нанонитей)

На правах рукописиГончар Кирилл АлександровичОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА РАССЕИВАЮЩИХ СРЕД НАОСНОВЕ КРЕМНИЕВЫХ НАНОНИТЕЙСпециальность 01.04.05. ОптикаСпециальность 01.04.10. Физика полупроводниковАвторефератдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква - 2015Работа выполнена на кафедре общей физики и молекулярной электроникифизического факультета Федерального государственного бюджетного образовательногоучреждения высшего образования «Московский государственный университет имениМ.В.Ломоносова»Научные руководители:Тимошенко Виктор Юрьевич, доктор физико-математических наук, профессорГоловань Леонид Анатольевич, доктор физико-математических наук, доцентОфициальные оппоненты:Лощёнов Виктор Борисович, доктор физико-математических наук, профессор,Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАН, заведующий лабораториейСоколов Виктор Иванович, кандидат физико-математических наук, Институт проблемлазерных и информационных технологий РАН, заведующий лабораториейВедущая организация:Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшегообразования «Санкт-Петербургский национальный исследовательский университетинформационных технологий, механики и оптики»Защита диссертации состоится «____» ______________2015 года в ______ часов назаседании диссертационного совета Д 501.001.67 на физическом факультете Московскогогосударственного университета имени М.В.Ломоносова по адресу: 119991, г.

Москва,ГСП-1, Ленинские горы дом 1, строение 2, физический факультет, аудитория ЦФА.С диссертацией можно ознакомиться в Отделе диссертаций Научной библиотекиМГУ имени М.В.Ломоносова по адресу: 119192, г. Москва, Ломоносовский проспект,дом 27Автореферат разослан «____» ______________2015 года.Ученый секретарьДиссертационного совета Д 501.001.67к.ф.-м.н., доцентКоролев А.Ф.2Общая характеристика работыАктуальность работыАктуальность исследования наноструктур на основе кремния обусловленабольшим потенциалом их применения в микро- и оптоэлектронике, фотонике,сенсорике, других областях науки и техники. Известно, что физические свойстваполупроводниковых наноструктур зависят от их характерных размеров (размерныеэффекты), формы, расположения в пространстве и ближайшего окружения. Длякремниевых нанокристаллов нитевидной формы (нанонитей) с поперечными размерамименее 10 нм реализуется так называемый квантовый размерный эффект для носителейзаряда (электронов и дырок), который приводит к росту ширины запрещенной зоны исдвигу края оптического поглощения в высокоэнергетическую область.

Оптическиесвойства кремниевых наноструктур с бóльшими поперечными размерами будутсущественно зависеть от эффектов, связанных с пространственным распределениемлокальных электрических полей, и обуславливаться рассеянием света как отдельныминанообъектами, так и их ансамблями. Изучение таких эффектов в наноструктурах в видеансамблей кремниевых нанонитей (КНН) особенно актуально, поскольку они могутбыть легко интегрируемы с устройствами микроэлектроники и сенсорики, что приведёткак к улучшению характеристик последних, например, солнечных элементов,транзисторов и сенсоров, так и созданию принципиально новых устройств и материаловдля различных применений, включая биофотонику и медицину.В последнее время активно исследуются КНН, формируемые при металлстимулированном химическом травлении (МСХТ) кристаллического кремния (c-Si),которые имеют вид плотных ансамблей (массивов) нанонитей с характернымиразмерами поперечных сечений порядка 100 нм.

Благодаря высокому значениюпоказателяпреломленияc-Siиблизкомурасположениюнанонитей,такиенаноструктуры представляют большой интерес для исследования явления рассеяниясвета в широком спектральном диапазоне. Однако влияние условий приготовления КННна их структурные и оптические свойства изучено пока в недостаточной степени.Проведение таких исследований важно как для развития оптики рассеивающих сред, таки для сенсорных и биомедицинских применений КНН.3Цель диссертационной работы состояла в исследовании зависимости линейныхи нелинейных оптических свойств ансамблей кремниевых нанонитей, получаемыхметодом металл-стимулированного химического травления и обладающих сильнымрассеянием света в видимом и инфракрасном диапазонах спектра, от их структурныхсвойств.Для достижения указанной цели были решены следующие задачи:1.

Изучить зависимость спектров отражения и пропускания света в слояхкремниевых нанонитей от их длины.2. Измерить и проанализировать индикатрисы упругого рассеяния света в слояхкремниевых нанонитей различной длины.3. Выявить особенности спонтанного комбинационного рассеяния света,генерации третьей гармоники и когерентного антистоксова рассеяния света в ансамбляхкремниевых нанонитей в сравнении со случаем подложек кристаллического кремния,использованных для получения нанонитей.4. Определить время взаимодействия света с веществом в ансамблях кремниевыхнанонитей различной морфологии с помощью измерения кросс-корреляционнойфункции рассеянных фотонов.5.Исследоватьзависимостьфотолюминесцентныхсвойствкремниевыхнанонитей от их структурных характеристик и электронных свойств подложек.Научная новизна работы:1. Обнаружена немонотонная зависимость величины коэффициента полногоотражения света, включающего диффузную и зеркальную компоненты, слоёвкремниевых нанонитей от их длины.2.

Впервые установлено, что индикатриса упругого рассеяния света с длинойволны 1064 нм в ансамблях кремниевых нанонитей длиной более 2 мкм может бытьаппроксимирована законом Ламберта, а интенсивность света, рассеянного в заднююполусферу, растёт по логарифмическому закону при увеличении длины нанонитей.3. Обнаружено, что в слоях кремниевых нанонитей по сравнению с подложкамикристаллического кремния возрастает эффективность процессов преобразованиячастоты оптического излучения, таких как спонтанное комбинационное рассеяние света,когерентное антистоксово рассеяние света и генерация третьей гармоники.44.

Впервые проведены измерения кросс-корреляционных функций фотонов,рассеянных в массивах кремниевых нанонитей, в результате чего зарегистрированомногократное увеличение времени взаимодействия света с кремниевыми нанонитями посравнению с подложками кристаллического кремния.5. Впервые обнаружена немонотонная зависимость интенсивности межзоннойфотолюминесценции в области 1100-1200 нм в слоях кремниевых нанонитей от ихдлины.Практическая значимостьРезультаты, изложенные в диссертации, могут быть использованы для созданияновых фотонных устройств и сенсоров, основанных на кремнии. Так, увеличениеинтенсивности комбинационного рассеяния в структурах кремниевых нанонитей можетбыть использовано для создания сенсоров на активные молекулы; крайне низкое полноеотражение в видимом диапазоне спектра в слоях нанонитей может быть использовано вфотовольтаике для повышения эффективности солнечных батарей; наличие видимойфотолюминесценцииисследованныхкремниевыхнаноструктурможетбытьиспользовано в биомедицине для люминесцентной диагностики тканей и клеток.На защиту выносятся следующие основные результаты и положения:1.

Немонотонная зависимость коэффициента полного отражения света в областиот 400 до 1000 нм от длины кремниевых нанонитей объясняется перераспределениеминтенсивностей зеркальной и диффузной компонент отражения, при которомдиффузная компонента начинает доминировать для нанонитей длиной более 2 мкм.2. Логарифмическая зависимость интенсивностей комбинационного и упругогорассеяния слабо поглощаемого света от толщины слоя кремниевых нанонитейобъясняется ослаблением вкладов актов рассеяния вследствие ухода части излучения впереднюю полусферу.3.

Рост эффективности линейных и нелинейных оптических процессов,включающих спонтанное комбинационное рассеяние света, когерентное антистоксоворассеяние и генерацию третьей гармоники в ансамблях кремниевых нанонитей,объясняется увеличением времени взаимодействия света с веществом в результатемногократного отражения от стенок нанонитей.54. Увеличение интенсивности межзонной фотолюминесценции в спектральнойобласти 1100-1200 нм в слоях кремниевых нанонитей по сравнению с исходнымиподложками кристаллического кремния, связано с ростом эффективности поглощениявозбуждающего излучения в условиях его сильного рассеяния и низкой скоростиповерхностной безызлучательной рекомбинации в нанонитях.Апробация работыМатериалы,вошедшиевдиссертацию,неоднократнодокладывалисьнароссийских и международных конференциях: Конференция Ломоносов (Москва, Россия,2010), Волны (Звенигород, Россия, 2010), ICONO (Казань, Россия, 2010), ALT (Золотыепески,Болгария,2011),Полупроводники(НижнийНовгород,Россия,2011),Нанобиотехнологии: проблемы и перспективы (Белгород, Россия 2011), Волны(Звенигород, Россия, 2012), EMRS spring meeting (Страсбург, Франция, 2013), Оптика(Санкт-Петербург, Россия, 2013), PSST (Аликанте-Бенидорм, Испания, 2014), Волны(Можайск, Россия, 2014).Материалы диссертации опубликованы в 20 печатных работах, в том числе в 7статьях в рецензируемых журналахи 13 публикациях в сборниках трудовмеждународных и российских конференций.Личный вклад автора заключается в выборе объектов исследования, проведенииизмерений и интерпретации полученных результатов.

Содержание диссертации иосновные положения, выносимые на защиту, отражают персональный вклад автора вопубликованныеработы.Подготовкакпубликацииполученныхрезультатовпроводилась совместно с соавторами, причём вклад диссертанта был определяющим.Структура и объём диссертацииДиссертация состоит из введения, трёх глав, в первой из которых представленобзор литературы по теме диссертации, во второй изложена методика эксперимента, а втретьей приведены экспериментальные результаты и их обсуждение, заключения ибиблиографии.

Общий объём диссертации 120 страниц, из них 108 страниц текста,включающих 81 рисунок и 9 таблиц. Библиография содержит 164 наименования на 12страницах.6Содержание работыВо введении обоснована актуальность диссертационной работы, сформулированацель и аргументирована научная новизна исследований, показана практическая значимостьполученных результатов, изложены основные результаты и положения, выносимые назащиту, представлен список публикаций по теме диссертации.Первая глава представляет собой обзор литературы, в котором содержитсяинформация об оптических свойствах с-Si, отмечается, что данный полупроводникявляется непрямозонным с шириной запрещенной зоны 1,12 эВ, поэтому для длин волн > 1100 нм данный материал практически прозрачен, в то время как для света с  < 800 нмкоэффициент поглощения превышает значение 1000 см-1 [1].

В обзоре рассмотреныразличные подходы к формированию КНН, среди которых особое внимание уделяетсяметоду МСХТ [2]. Далее излагаются основные подходы к описанию оптических свойствтвердотельных наноструктур и представлены литературные данные по оптическимсвойствам КНН. В частности, рассматриваются приближение эффективной среды [3],поглощение и упругое рассеяние света в случайно-неоднородных средах, комбинационноерассеяние света (КРС) и когерентное антистоксово рассеяние света (КАРС), эффектылокализации света и нелинейные оптические свойства, а также фотолюминесцентныесвойства наноструктур.

В конце главы приведены выводы из обзора литературы иобозначены нерешённые проблемы, связанные с исследованием оптических свойств КНН.В частности, отмечается, что недостаточно изучено влияние условий формирования идлины КНН на их оптические свойства; практически полностью отсутствуют работы поанализу особенностей нелинейно-оптических свойств КНН; недостаточно исследована рольрассеяния света в оптических свойствах массивов КНН. Решению отмеченных выше задачпосвящена основная часть диссертации.Во второй главе изложена методика эксперимента и описаны используемыеобразцы. Для получения ансамблей КНН были использованы одно- и двухступенчатыйметоды МСХТ; сформированные структуры исследовались с помощью следующихметодов: сканирующей электронной микроскопии (СЭМ), просвечивающей электронноймикроскопии(ПЭМ),инфракрасной(ИК)спектроскопии,измеренияспектровпоглощения, диффузного и зеркального отражения с помощью интегрирующей сферы,измерения индикатрис упругого рассеяния, спектров КРС и КАРС, измерения кросскорреляционной функции фотонов с использованием интерферометра Майкельсона с7подвижным зеркалом, генерации третьей гармоники (ТГ), измерения спектров и кинетикфотолюминесценции (ФЛ).В работе методом МСХТ были изготовлены серии образцов КНН на подложках с-Si,отличающиеся типом проводимости, удельным сопротивлением и кристаллографическойориентацией.