Заключение организации, где выполнялась диссертация (Оптические свойства рассеивающих сред на основе кремниевых нанонитей)

УТВЕРЖДАЮ: титель декана физического факультета МГУ имени М.В.Ломоносова :Р+ офессор А.А. Федянин <5Я>,.дну"' '«' 2015 г. ЗАКЛЮЧЕНИЕ Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования «Московский государственный университет имени М.В.Ломоносова», физического факультета Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук «Оптические свойства рассеивающих сред на основе кремниевых нанонитей» выполнена на кафедре общей физики и молекулярной электроники физического факультета. В период подготовки диссертации соискатель Гончар Кирилл Александрович являлся аспирантом кафедры общей физики и молекулярной электроники физического факультета Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования «Московский государственный университет имени М.В.Ломоносова».

В 2011 году окончил физический факультет Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования «Московский государственный университет имени М.В.Ломоносова» по специальности «физика». Удостоверение о сдаче кандидатских экзаменов выдано в 2015 году Федеральным государственным бюджетным образовательным учреждением высшего образования «Московский государственный университет имени М.В.Ломоносова». В 2014 году окончил очную аспирантуру физического факультета Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования «Московский государственный университет имени М.В.Ломоносова». Научные руководители: по специальности 01.04.05 - оптика — доктор физико-математических наук Головань Леонид Анатольевич, доцент кафедры общей физики и молекулярной электроники физического факультета Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования «Московский государственный университет имени М.В.Ломоносова»; по специальности 01.04.10 - физика полупроводников — доктор физикоматематических наук Тимошенко Виктор Юрьевич, профессор кафедры общей физики и молекулярной электроники физического факультета Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования «Московский государственный университет имени М.В.Ломоносова».

Необходимость защиты диссертации по двум специальностям обусловлена выполненным диссертантом исследованием свойств ансамблей кремниевых нанонитей. В данном объекте исследования, отличающемся сильным рассеянием, детальное изучение электронных и рекомбинационных свойств невозможно без учета эффектов задержки излучения в ансамбле кремниевых нанонитей и, наоборот, модификация электронных свойств изучаемой системы в силу эффективного взаимодействия света и вещества сказывается на оптических свойствах ансамблей кремниевых нанонитей.

Поэтому в изучении свойств ансамблей кремниевых нанонитей невозможно ограничиться изучением какого-то одного аспекта (сугубо оптического или сугубо полупроводникового), а требуется комплексное исследование. В связи с этим возникает необходимость руководства диссертационной работой как специалистом в области физики полупроводников, так и специалистом в области оптики. Выполнение работ, касающихся измерений спектров отражения и индикатрисы рассеяния, а также фотолюминесцентных измерений (разделы 3.1 и 3.4 диссертации) проводилось диссертантом под непосредственным руководством профессора В.Ю. Тимошенко, тогда как измерения методом комбинационного рассеяния света, нелинейно-оптические измерения и измерения времени задержки фотонов в ансамблях кремниевых нанонитей (разделы 3.2 и 3.3 диссертации) были выполнены диссертантом под руководством доцента Л.А.

Голованя. По результатам рассмотрения диссертации «Оптические свойства рассеивающих сред на основе кремниевых нанонитей» принято следующее заключение: Диссертационная работа Гончара К.А. «Оптические свойства рассеивающих сред на основе кремниевых нанонитей» посвящена исследованию линейных и нелинейных оптических свойств ансамблей кремниевых нанонитей, формируемых методом металл- стимулированного химического травления на подложках кристаллического кремния.

Диссертационная работа посвящена актуальной научной проблеме, имеет высокую теоретическую и практическую ценность, является законченным научным исследованием, удовлетворяет всем требованиям, предъявляемым ВАК РФ к диссертациям на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук, и соответствует специальностям 01.04.05 - оптика и О! .04.10 - физика полупроводников. Актуальность работы. Актуальность исследования наноструктур на основе кремния обусловлена большим потенциалом их применения в микро- и оптоэлектронике, фотонике, сенсорике и в других областях науки и техники.

Известно, что физические свойства полупроводниковых наноструктур зависят от их характерных размеров (размерные эффекты), формы, расположения в пространстве и ближайшего окружения. Для кремниевых нанокристаллов нитевидной формы (нанонитей) с поперечными размерами менее 10 нм реализуется так называемый квантовый размерный эффект для носителей заряда (электронов и дырок), который приводит к росту ширины запрещенной зоны и сдвигу края оптического поглощения в высокоэнергетическую область.

Оптические свойства кремниевых наноструктур с ббльшими поперечными размерами будут существенно зависеть от эффектов, связанных с пространственным распределением локальных электрических полей, и обуславливаться рассеянием света как отдельными нанообъектами, так и их ансамблями. Изучение таких эффектов в наноструктурах в виде ансамблей кремниевых нанонитей актуально, поскольку они могут быть легко интегрируемы с устройствами микроэлектроники, что приведет как к улучшению характеристик последних, например солнечных элементов„транзисторов и сенсоров, так и созданию принципиально новых устройств и материалов для различных применений, включая биофотонику и медицину.

Одним из наиболее активно исследуемых видов кремниевых нанонитей являются структуры, получаемые металл-стимулированным химическим травлением, которые имеют вид плотных ансамблей (массивов) нанонитей с характерными размерами поперечных сечений порядка 100 нм. Благодаря высокому значению показателя преломления кремния и близкому расположению нанонитей, такие наноструктуры представляют большой интерес для исследования явления рассеяния света в широком спектральном диапазоне. Однако влияние условий приготовления кремниевых нанонитей на их структурные и оптические свойства изучено пока в недостаточной степени.

Проведение таких исследований важно как для развития оптики рассеивающих сред, так и для сенсорных и биомедицинских применений кремниевых нанонитей. Цель диссертационной работы состояла в исследовании зависимости линейных и нелинейных оптических свойств ансамблей кремниевых нанонитей, получаемых методом металл-стимулированного химического травления и обладающих сильным рассеянием света в видимом 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 кремниевых нанонитей от их длины. 2. Измерить и проанализировать индикатрисы упругого рассеяния света в слоях кремниевых нанонитей различной длины.

3. Выявить особенности спонтанного комбинационного рассеяния света, генерации третьей гармоники и когерентного антистоксова рассеяния света в ансамблях кремниевых нанонитей в сравнении со случаем подложек кристаллического кремния, использованных для получения нанонитей. 4. Определить время взаимодействия света с веществом в ансамблях кремниевых нанонитей различной морфологии с помощью измерения кросс-корреляционной функции рассеянных фотонов. 5. Исследовать зависимость фотолюминесцентных свойств кремниевых нанонитей от их структурных характеристик и электронных свойств подложек. Основные результаты, полученные в работе, состоят в следующем: 1.

Для слоев кремниевых нанонитей с длиной порядка и более 1 мкм в спектральной области от 400 до 1000 нм наблюдаются низкие значения коэффициента полного отражения порядка 1'А, что объясняется рассеянием света в условиях его сильного поглощения. В ближнем инфракрасном диапазоне 1000 — 1500 нм наблюдается повышение диффузного отражения, что указывает на усиление взаимодействия света с веществом в результате сильного рассеяния в области слабого поглощения. В среднем инфракрасном диапазоне спектра (2,5 — 50 мкм) слои кремниевых нанонитей могут быть рассмотрены как эффективные оптические среды, показатель преломления которых определяется их пористостью. 2, Установлено, что индикатрисы упругого рассеяния света с длиной волны 1064 нм в ансамблях кремниевых нанонитей длиной более 2 мкм хорошо описываются законом Ламберта, а интенсивность рассеянного назад сигнала растет по логарифмическому закону с увеличением длины нанонитей.

3. Установлено, что интенсивность спонтанного комбинационного рассеяния света и когерентного антистоксового рассеяния света может многократно возрастать в ансамблях кремниевых панонитей вследствие эффектов сильного рассеяния возбуждающего света. Рост интенсивности комбинационного рассеяния зависит от морфологии кремниевых нанонитей, их длины и длины волны возбуждающего света. Для длины волны возбуждающего света 1064 нм наблюдается логарифмическая зависимость интенсивности комбинационного рассеяния от длины нанонитей.