Фотонные среды на основе нано- и микроструктурированного кремния

На правах рукописиЗаботнов Станислав ВасильевичФОТОННЫЕ СРЕДЫ НА ОСНОВЕ НАНО- ИМИКРОСТРУКТУРИРОВАННОГО КРЕМНИЯСпециальность 01.04.21 − лазерная физикаАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква – 2006Работа выполнена на физическом факультете Московского государственногоуниверситета им. М.В. ЛомоносоваНаучный руководитель:доктор физико-математических наук,профессор Кашкаров Павел КонстантиновичОфициальные оппоненты:доктор физико-математических наук,профессор Емельянов Владимир Ильич;кандидат физико-математических наукИванов Анатолий АлександровичВедущая организация:Институт общей физикиим. А.М. Прохорова РАНЗащита состоится “” мая 2006 года в _____часов на заседаниидиссертационного совета Д 501.001.31 в Московском государственномуниверситете им.

М.В. Ломоносова по адресу: 119992 ГСП-2 Москва,Ленинские горы, МГУ им. М.В. Ломоносова, корпус нелинейной оптики,аудитория им. С.А. АхмановаС диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультетаМГУ им. М.В. Ломоносова.Автореферат разослан “____” апреля 2006 годаУченый секретарьдиссертационного совета Д 501.001.31кандидат физико-математических наукдоцентТ.М. Ильинова2ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальностьтемыпредставленныхисследованийобусловленашироким применением кремниевых нано- и микроструктур в современныхоптоэлектронных технологиях.

Монокристаллический кремний (КК) являетсяосновным материалом современной микроэлектроники. Массовое содержаниекремния в земной коре составляет 29.5%, что обуславливает безусловнуюэкономическую выгоду его промышленного использования. В настоящее времяпрекрасно развиты технологические методы обработки кремния. Однакостремительнопроисходящаяминиатюризациякомпонентсовременныхинтегральных схем и оптических систем требует нахождения новых путейформирования низкоразмерных кремниевых структур, что в свою очередьстимулирует многочисленные научные исследования в этой области.В частности, электронные и оптические свойства монокристаллическогокремния могут быть изменены в результате электрохимического травления,посредством которого формируется пористый кремний (ПК) – среда, состоящаяиз нанокристаллов и пор размером от единиц до сотен нанометров.

К числупреимуществ данного метода следует отнести быстроту и контролируемостьпроцесса,атакжеегоэлектрохимическогоневысокуютравлениястоимость.чувствителенкПомимоэтогометодкристаллографическойориентации поверхности и уровню легирования кремниевой подложки, чтопозволяетуправлятьпространственнымрасположениемиразмерамикремниевых нанокристаллов и пор и создавать среды, в которых могут бытьдостигнуты большая величина искусственной оптической анизотропии и (или)усиление локального поля в наночастицах. Эти механизмы могут бытьиспользованы для создания новых фотонных сред, позволяющих управлятьполяризациейсвета,атакжекомпактныхнелинейно-оптическихпреобразователей частоты.Еще одним способом нано- и микроструктурирования кремния являетсяоблучение его поверхности лазерными импульсами.

При этом наиболеепредпочтительнымявляетсяобработка3фемтосекунднымизлучением.Благодаря высокой энергии в импульсе длительностью меньшей временитермализации носителей заряда вещества реализуется процесс абляциивещества с переходом в плазму и газообразную фазу, минуя жидкий расплав. Врезультате такого процесса становится возможной обработка поверхности смикронной и даже субмикронной точностью и минимальным термическимразрушением материала. При этом оптические свойства поверхности такжемогут быть существенно изменены.

Однако детали данного явления внастоящее время недостаточно освещены в литературе.Цель работы – получение и исследование новых фотонных сред наоснове кремниевых нано- и микроструктур: реализация наиболее эффективногопреобразования энергии лазерного излучения в третью оптическую гармоникув слоях анизотропного мезопористого кремния; оптическая и нелинейнооптическая диагностика поверхности кремния, облученной фемтосекунднымилазерными импульсами.В работе были поставлены следующие задачи:1.Провестикомплексноеисследованиеоптическихсвойствслоевдвулучепреломляющего пористого кремния.

Учесть влияние пористости,формы и размеров нанокристаллов и пор на проявление эффектовлокального поля в исследуемых структурах.2.Методомгенерациитретьейнелинейно-оптическуюоптическойдиагностикуобъемагармоникиосуществитьдвулучепреломляющегопористого кремния. Провести по экспериментальным данным анализструктуры тензора нелинейной восприимчивости третьего порядка.3.Реализовать режимы эффективного преобразования лазерного излучения втретью гармонику в анизотропно наноструктурированном мезопористомкремнии в условиях фазового согласования и локализации света.4.Исследоватьструктуруоблученнойфемтосекунднымилазернымиимпульсами кремниевой поверхности и описать оптический и нелинейнооптический отклик от нее.4Для решения поставленных задач был применен комплекс различныхметодов исследования, включающий измерение спектров пропускания иотражения света в тонких пленках, генерацию третьей оптической гармоники(ГТГ),растровуюспектроскопиюэлектроннуюикомбинационногоатомно-силовуюрассеяниямикроскопию,(КР)света,фотолюминесценцентную (ФЛ) спектроскопию.Достоверность полученных результатов обеспечена применениемнаборавзаимно-дополняющихэкспериментальныхметодик,детальнымрассмотрением физических явлений и процессов, определяющих линейные инелинейные оптические свойства исследуемых низкоразмерных сред.

Взначительной степени достоверность полученных результатов определяетсяхорошим согласием между результатами расчетов и многочисленнымиэкспериментами.Автор защищает:1.Новые экспериментальные данные о влиянии размеров нанокристаллов ипор ПК на его линейные и нелинейные оптические свойства и их анализ врамках приближения эффективной среды с учетом электродинамическихпоправок на локальные поля в исследуемых наноструктурах.2.Вывод о модификации тензора нелинейной восприимчивости третьегопорядка в двулучепреломляющих слоях ПК с ориентацией поверхности(100).3.Экспериментальнуювозможностьсинхроннойгенерациитретьейоптической гармоники в ПК с сильным двулучепреломлением формы.4.Экспериментально зарегистрированное увеличение интенсивности сигналатретьей оптической гармоники из мезопористого кремния более чем напорядок по сравнению с монокристаллическим кремнием вследствиепроявления эффектов слабой локализации света.5.Новые данные о формировании нано- и микроструктур на поверхностикремния при ее облучении фемтосекундными лазерными импульсами.56.Вывод о доминирующем влиянии локальных полей в кремниевыхповерхностных структурах, полученных при фемтосекундном облучении,на сигнал третьей гармоники от них.Научная новизна результатов, полученных в диссертации:1.Рассчитаныдинамическиепоправкиналокальноеполедлямезоскопических структур с анизотропией формы.

С помощью моделиэффективной среды в рамках электродинамического приближения описаноповедениедисперсионныхзависимостейанизотропныхобразцовнаноструктурированного кремния различной пористости.2.ПроведенанализструктурывосприимчивостиЭкспериментальнотензораанизотропновпроцессенелинейнойкубичнойнаноструктурированногоГТГзарегистрированоПК.изменениесоотношения компонент тензора по сравнению с соответствующимикомпонентами для КК.3.Реализован режим фазовосогласованной ГТГ в слоях анизотропного ПК.4.Зарегистрировано увеличение интенсивности сигнала третьей гармоники ввысокопористых слоях ПК более чем на порядок по сравнению с КК. Ростэффективности ГТГ обусловлен эффектами слабой локализации света вмезоскопических порах и нанокристаллах кремния.5.На поверхности кремния в процессе облучения фемтосекунднымилазерными импульсами большой интенсивности помимо поверхностныхрешеток,обусловленныхинтерференциейпадающейирассеяннойэлектромагнитных волн, впервые получены наноагломераты высотой от1 нм до 20 нм.

Зарегистрирован вклад поверхностных наноструктур всигналы КР и ФЛ.6.Методом ГТГ осуществлена диагностика in-situ процесса образованияповерхностных кремниевых решеток, возникающих при облучениифемтосекундными лазерными импульсами. Зарегистрировано влияниераспределения локальных полей в решетке на нелинейно-оптическийотклик облученной поверхности.6Практическая ценность работы состоит в разработке принциповформирования новых сред для фотоники и нелинейной оптики и исследованииих оптических свойств. Слои ПК с большой искусственной оптическойанизотропией могут быть использованы в качестве компактных фазовыхпластин и преобразователей частоты при выполнении в них условий фазовогосинхронизма.