Фотонные среды на основе нано- и микроструктурированного кремния, страница 2

Эффективность нелинейно-оптических преобразований можетбыть также повышена за счет проявления эффектов слабой локализации света вмезопористом кремнии. Другим способом изменения оптических свойствможет являться создание в процессе фемтосекундной лазерной абляциинаноструктур, где проявляются квантово-размерные эффекты.Личный вклад.

Все исследуемые образцы были изготовлены авторомдиссертационной работы лично. Роль диссертанта в экспериментальныхисследованиях и теоретическом анализе линейных и нелинейных оптическихсвойствполученныхнизкоразмерныхкремниевыхструктурявляетсяопределяющей.Апробация результатов работы.Материалы, вошедшие в диссертацию, опубликованы в работах [1−20] идокладывались на следующих конференциях: 12th International Laser PhysicsWorkshop“LPHYS’03”,Hamburg,Germany,2003;FifthItalian-RussianSymposium, Moscow, Russia, 2003; III Международная конференция молодыхученыхиспециалистов“Оптика-2003”,Санкт-Петербург,2003;4-thInternational Conference “Porous Semiconductors-Science and Techology”, Cullera– Valencia, Spain, 2004; Cовещание “Нанофотоника-2004”, Нижний Новгород,2004; ALT 04 Conference “Advanced Laser Techologies”, Rome and Frascati, Italy,2004; 13th International Laser Physics Workshop “LPHYS’04”, Trieste, Italy, 2004;Международная конференции “Фундаментальные проблемы оптики – 2004”,Санкт-Петербург, 2004; Научная конференция “Ломоносовские чтения – 2005”,секция физики, физический факультет МГУ им.

М.В. Ломоносова, 2005;International Conference on Coherent and Nonlinear Optics / Lasers, Applications,and Techologies “ICONO/LAT – 2005”, St. Petersburg, Russia, 2005; Conference on7Lasers and Electro-Optics/Quantum Electronics and Laser Science Conference andPhotonic Applications, Systems and Technologies “CLEO/QELS and PhAST–2005”, Baltimore, USA, 2005; International Conference Functional Materials “ICFM– 2005”, Partenit, Crimea, Ukraine, 2005; IV Международная конференциямолодых ученых и специалистов “Оптика – 2005”, Санкт-Петербург, 2005.Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пятиглав, заключения, списка публикаций автора и списка цитируемой литературыиз 150 наименований.

Общий объем работы составляет 122 страницымашинописного текста, включая 51 рисунок и 3 таблицы.В руководстве настоящей диссертационной работой принимал участиедоцент Головань Леонид Анатольевич.СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо введении обоснована актуальность выбранной темы диссертации,поставлены задачи исследований, дан анализ научной новизны полученныхрезультатов и их практической ценности.Первая глава является обзором литературы. В разделе 1.1 содержитсяинформацияоструктурныхсвойствахПК,получаемогометодомэлектрохимического травления. В разделе 1.2 обсуждаются оптическиесвойства ПК, применимость моделей эффективной среды для их описания идвулучепреломление формы, обусловленное анизотропным ростом пор впроцессе электрохимического травления. Раздел 1.3 посвящен описаниюнелинейно-оптических процессов второго и третьего порядков в ПК и путямувеличения эффективности генерации оптических гармоник в средах на егооснове. В разделе 1.4 излагаются аспекты взаимодействия сверхкороткихлазерных импульсов с поверхностями твердых тел и проблемы формированияпериодических микроструктур при фемтосекундном лазерном облучении(ФЛО).

В конце главы (раздел 1.5) сделаны выводы из обзора литературы исформулированы задачи исследования.Во второй главе дано описание используемых образцов и изложенаметодика эксперимента.8В разделе 2.1 изложена методика изготовления слоев анизотропного ПК,заключающаяся в электрохимическом травлении монокристаллических пластинр++-Si:B с ориентацией поверхности (110). Использование таких подложек идоминирующий рост пор в кристаллографических направлениях <100> впроцессе электрохимического травления обусловило большую величинудвулучепреломления ( ∆n ≤ 0.2 ) в получаемых образцах.

При этом размер порсоставил от 10 до 50 нм, что позволило классифицировать исследуемыеобразцы ПК как мезопористые.В разделе 2.2 описывается установка для формирования низкоразмерныхструктур на поверхности кремния методом ФЛО. В установке использоваласьфемтосекундная лазерная система с задающим генератором на кристаллефорстерит:Cr4+ и регенеративным усилителем. На выходе из системы импульсыимели линейную поляризацию, длительность 80 фс и энергию до 250 мкДж причастоте повторения 10 Гц.

Облучение кремниевых поверхностей происходилонавоздухеприкомнатнойтемпературеинормальномпадениисфокусированного лазерного луча на кремниевую мишень. Структурныесвойства облученных поверхностей изучались на растровом электронноммикроскопе Cambridge Instruments S 240 и на сканирующем зондовоммикроскопе NT-MDT Solver PRO.Методика измерения спектров пропускания и отражения слоев ПК ирасчета по ним показателей преломления обыкновенной и необыкновеннойволн (кристаллографические направления [001] и[1 1 0]соответственно)излагается в разделе 2.3. Спектральные измерения в видимом и ближнем ИКдиапазоне от 0,47 до 1,6 мкм осуществлялись с помощью лампы накаливания,монохроматора,кремниевогоилигерманиевогофотодиодовиавтоматизированной системы регистрации.

Для измерения ИК спектров вдиапазоне от 1,6 до 12 мкм использовались Фурье-спектрометры Perkin ElmerSpectrum RX I FT-IR или Bruker IFS 66v/S.В разделе 2.4 описываются фемтосекундная и наносекундная установкидля ГТГ. В первой из них в качестве источника излучения накачки применялась9тажефемтосекунднаялазернаясистема,чтоидляформированиянизкоразмерных структур на поверхности кремния при ФЛО. В наносекунднойустановке использовалась лазерная система, состоящая из задающего YAG:Nd3+генератора, генерирующего импульсы длительностью 12 нс с частотой 20 Гц,преобразователя излучения 1.06 мкм в третью гармонику и параметрическогогенератора света, позволяющего плавно перестраивать длину холостой волны,использовавшейся в наших экспериментах в качестве волны накачки, вспектральном диапазоне от 1 до 2.1 мкм.Описание установок для измерения ФЛ и спектров КР дано в разделе 2.5.В качестве источников возбуждающего излучения для измерения спектров ФЛиспользовался непрерывный аргоновый лазер, для измерения кинетик −импульсный азотный лазер.

Измерение спектров КР света кремниевыхповерхностей,облученныхфемтосекунднымилазернымиимпульсами,производилось на рамановском микроскопе Renishaw 2000 с He-Ne лазером.В третьей главе анализируются линейные оптические свойствамезопористого кремния и применимость модели эффективной среды вэлектростатическомприближенииБруггеманадляихописания.Обосновывается необходимость учитывать размеры и форму нанокристаллов ипордлялучшегоописанияповедениядисперсионныхзависимостейпоказателей преломления ПК. Предлагается соответствующая модель.В разделе 3.1 приводятся полученные из спектров пропускания данныепо двулучепреломлению исследуемых слоев ПК (см.

табл. 1). Все образцыобладают свойствами отрицательного одноосного кристалла с нормальнойдисперсией. Типичные дисперсионные кривые представлены на рисунке 1.10Таблица 1 Удельные сопротивления подложек ρ, плотности токов травленияj, толщины слоев d, величины двулучепреломления ∆n=no-ne, факторыстатической деполяризации необыкновенной волны Le, пористости p дляисследуемых образцов ПК.Образец ρ, мОм·смj, мА/см2d, мкм∆n (λ=2 мкм)Lep, %A325220.0660.36443B350200.0910.37153C375210.1010.37559D3100180.1390.39564E150200.1550.40162Рис. 1 Дисперсионные зависимостиобыкновенной и необыкновенной волнпленки ПК (образец D) Пунктиромпоказана аппроксимация в рамкахэлектростатического приближенияБруггеманапоформуле(1),сплошными линиями – с учетомдинамических поправок ( R = 12 нм).2.1no , ne2.0no1.91.81.71.6ne1λ , мкм234Кривые были аппроксимированы по обобщенной формуле Бруггемана,врамках которой диэлектрическая проницаемость ПК рассчитывается вэлектростатическом приближении с представлением нанокристаллов кремния ипор в виде эллипсоидов вращения:(1 − p)ε eff , kε eff , kε eff ,k+p=1ε eff , k + (1 − ε eff , k ) Lk+ (ε Si − ε eff , k ) Lk(1),где индекс k указывает направление поляризации электромагнитной волны, p –пористостьобразца,Lk–фактордеполяризации,определяющийсяэксцентриситетом эллипсоида, ε eff и ε Si – диэлектрические проницаемости ПКи КК соответственно.11Как видно из рисунка 1, экспериментальные дисперсионные зависимостив ИК области (λ = 1..10 мкм) находятся в хорошем согласиисаппроксимирующими их по модели Бруггемана кривыми, однако в видимомдиапазоне наблюдается заметное расхождение между ними.