Диссертация (Оптические свойства рассеивающих сред на основе кремниевых нанонитей)

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТимени М. В. ЛомоносоваФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТНа правах рукописиГончар Кирилл АлександровичОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА РАССЕИВАЮЩИХ СРЕД НАОСНОВЕ КРЕМНИЕВЫХ НАНОНИТЕЙСпециальность 01.04.05. ОптикаСпециальность 01.04.10. Физика полупроводниковДиссертация на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукНаучные руководители:доктор физико-математических наук,профессор В.Ю.

Тимошенко,доктор физико-математических наук,доцент Л.А. ГолованьМосква – 2015СОДЕРЖАНИЕСписок используемых сокращений и обозначений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4Введение . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51. Оптические свойства кремниевых нанонитей (обзор литературы) . . . . . . .101.1. Функция диэлектрической проницаемости и оптические свойства кремния . . . . . . . . 101.2. Методы формирования кремниевых нанонитей . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131.2.1. Пар-жидкость-твёрдое тело . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .131.2.2. Металл-стимулированное химическое травление. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .141.2.3. Другие методы формирования кремниевых нанонитей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .181.3. Основные подходы к описанию оптических свойств твердотельных наноструктур . . 221.3.1. Приближение эффективной среды . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . .221.3.2. Поглощение и упругое рассеяние света в случайно-неоднородных средах . . . . . . . . . . . . 271.3.3. Неупругое рассеяние света . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . 321.3.4. Эффекты локализации света и нелинейные оптические свойства . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 351.3.5. Фотолюминесцентные свойства наноструктур . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .381.4. Выводы из обзора литературы и постановка задачи исследования .

. . . . . . . . . . . . . . . .422. Методика эксперимента . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .432.1. Получение кремниевых нанонитей и исследование их структурных свойств . . . . . . . .432.2. Измерение линейных и нелинейных оптических свойств кремниевых нанонитей . .

. 532.2.1. Измерения спектров отражения и пропускания в видимом и инфракрасном диапазонах 532.2.2. Методика измерений индикатрис упругого рассеяния света . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 542.2.3. Измерения спонтанного комбинационного рассеяния света . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . .552.2.4. Спектроскопия когерентного антистоксова рассеяния света . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 562.2.5. Измерения кросс-корреляционной функции . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .572.2.6. Исследование процессов генерации третьей гармоники . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 582.2.7. Измерение спектров и кинетик фотолюминесценции . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 582.2.8. Исследование фотолюминесцентных свойств кремниевых нанонитей, введённых вкультуру раковых клеток . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .593. Экспериментальные результаты и их обсуждение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .603.1. Линейные оптические свойства кремниевых нанонитей . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .603.1.1. Спектры зеркального отражения и пропускания кремниевых нанонитей в ближнем исреднем инфракрасном диапазонах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 603.1.2. Спектры полного отражения (диффузного и зеркального) и поглощения кремниевыхнанонитей в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .6523.1.3. Индикатрисы упругого рассеяния света . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 713.2. Комбинационное рассеяние света в ансамблях кремниевых нанонитей . . . . . . . . .

. . . .763.3. Результаты исследования нелинейно-оптических свойств и времен задержкифотонов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .843.4. Фотолюминесцентные свойства в видимом и инфракрасном диапазонах спектра . . . 883.4.1. Межзонная фотолюминесценция ансамблей кремниевых нанонитей . . .

. . . . . . . . . . . . . . 883.4.2. Спектры и кинетики фотолюминесценции нанонитей в видимом диапазоне спектра . . . .953.5. Модельное представление о распространении света в ансамблях кремниевыхнанонитей, определяющее их линейные и нелинейные свойства .

. . . . . . . . . . . . . . . .104Заключение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106Литература. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1093Список используемых сокращений и обозначенийКНН - кремниевые нанонитиМСХТ - метод металл-стимулированного химического травленияс-Si - кристаллический кремнийVLS (vapor-liquid-solid) - метод пар-жидкость-твёрдое телоСЭМ - сканирующий электронный микроскопПК - пористый кремнийПЭМ - просвечивающий электронный микроскопГС - твердотельная гетеросистемаИК - инфракрасныйВГ - вторая гармоникаТГ - третья гармоникаКРС - комбинационное (рамановское) рассеяние светаКАРС - когерентное антистоксовое рассеяние светаФЛ - фотолюминесценцияКРЭ - квантовый размерный эффектL - толщина слоя (длина) кремниевых нанонитейd - диаметр нанонитейD - расстояние между нанонитямиλ - длина волны4ВведениеАктуальность работыАктуальность исследования наноструктур на основе кремния обусловлена большимпотенциалом их применения в микро- и оптоэлектронике, фотонике, сенсорике, другихобластях науки и техники.

Известно, что физические свойства полупроводниковыхнаноструктур зависят от их характерных размеров (размерные эффекты), формы, расположенияв пространстве и ближайшего окружения. Для кремниевых нанокристаллов нитевидной формы(нанонитей) с поперечными размерами менее 10 нм реализуется так называемый квантовыйразмерный эффект для носителей заряда (электронов и дырок), который приводит к ростуширины запрещенной зоны и сдвигу края оптического поглощения в высокоэнергетическуюобласть. Оптические свойства кремниевых наноструктур с бóльшими поперечными размерамибудут существенно 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 могут быть легкоинтегрируемы с устройствами микроэлектроники и сенсорики, что приведёт как к улучшениюхарактеристик последних, например, солнечных элементов, транзисторов и сенсоров, так исозданию принципиально новых устройств и материалов для различных применений, включаябиофотонику и медицину.ВпоследнеевремяактивноисследуютсяКНН,формируемыеприметалл-стимулированном химическом травлении (МСХТ) кристаллического кремния (c-Si), которыеимеют вид плотных ансамблей (массивов) нанонитей с характерными размерами поперечныхсечений порядка 100 нм.

Благодаря высокому значению показателя преломления c-Si иблизкому расположению нанонитей, такие наноструктуры представляют большой интерес дляисследования явления рассеяния света в широком спектральном диапазоне. Однако влияниеусловий приготовления КНН на их структурные и оптические свойства изучено пока внедостаточной степени. Проведение таких исследований важно как для развития оптикирассеивающих сред, так и для сенсорных и биомедицинских применений КНН.Цель диссертационной работы состояла в исследовании зависимости линейных инелинейных оптических свойств ансамблей кремниевых нанонитей, получаемых методомметалл-стимулированного химического травления и обладающих сильным рассеянием света ввидимом и инфракрасном диапазонах спектра, от их структурных свойств.Для достижения указанной цели были решены следующие задачи:1.

Изучить зависимость спектров отражения и пропускания света в слоях кремниевыхнанонитей от их длины.52. Измерить и проанализировать индикатрисы упругого рассеяния света в слояхкремниевых нанонитей различной длины.3. Выявить особенности спонтанного комбинационного рассеяния света, генерациитретьей гармоники и когерентного антистоксова рассеяния света в ансамблях кремниевыхнанонитей в сравнении со случаем подложек кристаллического кремния, использованных дляполучения нанонитей.4.

Определить время взаимодействия света с веществом в ансамблях кремниевыхнанонитей различной морфологии с помощью измерения кросс-корреляционной функциирассеянных фотонов.5. Исследовать зависимость фотолюминесцентных свойств кремниевых нанонитей от ихструктурных характеристик и электронных свойств подложек.Научная новизна работы:1. Обнаружена немонотонная зависимость величины коэффициента полного отражениясвета, включающего диффузную и зеркальную компоненты, слоёв кремниевых нанонитей от ихдлины.2. Впервые установлено, что индикатриса упругого рассеяния света с длиной волны 1064нм в ансамблях кремниевых нанонитей длиной более 2 мкм может быть аппроксимированазаконом Ламберта, а интенсивность света, рассеянного в заднюю полусферу, растёт пологарифмическому закону при увеличении длины нанонитей.3.