Диссертация (1090147), страница 16

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 16)

Это соединение двух полупроводников с разной ширинойзапрещенной зоны, с помощью которого создают пространственныеограничения для носителей заряда. Для полупроводниковых материалов онаимеет величину порядка 10 −1 эВ . Эта разница также важна для созданияпространственных ограничений с помощью изотопов исходного вещества,которая имеет для кремния порядок 10 −1 мэВ . Несмотря на то, что разница вширине запрещенных зон для случая изотопов на три порядка меньше, чем уразных полупроводников, для формирования квантовых структур этогозначения оказывается достаточно (см. главу 4). Поэтому из сочетания разных103изотопов одного и того же вещества можно получить «гомопереходы»,создающие пространственные ограничения для носителей заряда.

Такиеограничения можно создать из сочетания легких и тяжелых изотопов,например, кристаллического кремния путем нейтронного облучения. Так, нарис.3.13представленыразличныесхемыоблученияоднородной(изотопически чистой) заготовки кремния потоком нейтронов ϕ [14]. Более«плотные» структурные элементы, например, слои сверхрешетки создаютсяпутем облучения нейтронами соответствующих областей для повышенияконцентрации, например, изотопа кремния29Si или30Si (что зависит отвремени облучения) по сравнению с исходным содержанием в других частяхзаготовки.Рисунок 3.13 . Варианты схем облучения заготовки для получениянаноструктур104Этот метод, как уже отмечалось выше, позволит создавать новыематериалы с высоким качеством,без дефектов и «шероховатостей» в«гомопереходах».

Высокая разрешающая способность нейтронного потокапозволит получить многослойные наноструктуры с шириной каждого слоя,соизмеримой с постоянной кристаллической решетки.Эффективность ядерной технологииПод эффективностью ядерной технологии (в том числе метода НТЛ)понимается глубины облучения для создания требуемых геометрическихразмеров и повышения процентного содержания более тяжелых изотопов длясоздания необходимой разницы, например, в коэффициентах преломленияструктурных элементов фотонно-кристаллического волокна ФКВ.Так, используя формулу (3.8) и (3.9), можно определить разницу ∆L ,которая связана с величиной однородности нейтронов по энергии.

Следуетсравнить два значения L , вычисленные в первом случае для энергиинейтронов E , во втором случае -( E + ∆Е н ) эВ .Результаты вычисленийизображены на рис.3.14. Современные монохроматоры могут иметьдостаточно высокое разрешение по энергии нейтронов, например, менее∆Е н  10 −10 эВполучим,[91]. После подстановки в соответствующие формулычто величина ∆L , определяющая погрешность изготовлениягеометрических размеров низкоразмерных структур с помощью нейтронногооблучения, составит значение менее 7нм для ∆Е н ≤ 10 −10 эВ .

Эта цифрапозволяет назвать новую технологию изотопической нанотехнологией. Еслиповысить величину разрешения по энергии, то соответственно увеличится иточность изготовления низкоразмерных структур.105Рисунок 3.14. Зависимость погрешности изготовления по глубинепоглощениянейтронов ∆L = f ( ∆Е н ) от разрешающей способности по энергии нейтроновЭффективность облучения потоком тепловых нейтронов можнопоказать на примере изменения коэффициента преломления облученныхобластей заготовки при изготовлении оптического волокна (за счетповышения концентрации тяжелых изотопов).

Такой расчет относительногокоэффициента преломления ∆n облученной и необлученной областейзаготовки можно осуществить с помощью формулы Лорентц-Лоренца [97].Вполне достаточным можно считать увеличение концентрации тяжелыхизотопов по формуле (3.6) в 10 −3 N i раз. Это обеспечит относительнуюразницукоэффициентовпреломления,равную∆n = 0,007[94-96].Теоретически разница между показателями преломления сердцевины иоболочкиволокна,необходимаядлясоблюденияэффектаполноговнутреннего отражения, может быть сколь угодно малой [97]. Практическивсе зависит от свойств источника света, а именно, угларасходимостилазерного излучения, который для различных лазеров колеблется от 0,1 до 6градусов [98].106В качестве примера оценим изменения показателя преломленияоблученных участков заготовки ФКВ, если количество тяжелых изотоповповысится по формуле (3.4.) на величинувоспользуемсяформулойN i1 = N 0 j = 10 −3 ⋅ K ⋅ K i .Лоренц-Лорентца[94-97],Для этогохарактеризующеймолекулярную рефракцию, а именно:n 2 − 1 4π=Ka , (3.10)3n2 + 2где K = N 0 - число атомов вещества (естественого кремния) в 1см 3 ,a - величина поляризуемости молекулы вещества,n - коэффициент (показатель) преломления вещества.Выражение уравнения Лоренц-Лорентца для диоксида кремния n =1,44имеет вид:aa1,44 2 − 1 4π=Ka 28 ( К 28 ⋅ 1 ( К 29 ⋅ 29 ( К 30 30 ), (3.11)23a 28a 281,44 ( 2где a 28 − величина поляризуемости изотопа28Si ,∆ a = a 29 / a 28 = σ п 29 / σ п 28 =0,28барн/0,08барн=3,5[90];∆ а 1 = а30 / а 28 = σ п 30 / σ п 28 =0,11барн/0,08барн=1,375;К 28 = 0,9218 - естественная концентрация изотопа28Si в стекле,К 29 = 0,0471 - естественная концентрация изотопа29Si в стекле,К 30 = 0,0312 - естественная концентрация изотопа30Si в стекле.Коэффициенты ∆а и ∆а 1 показывают относительное изменениевеличин поляризуемости различных изотопов кремния.

Известно, чтозначение а прямо пропорционально размерам молекул вещества, сеченияпоглощения σ п прямо пропорциональны размерам ядер изотопов кремния107[94-96]. С ростом числа нейтронов в ядре изотопа размер ядра увеличивается.Степень этого увеличения характеризуют коэффициенты ∆а и ∆а 1 .После преобразования уравнения (3.11) получим:0,26355=1,12877 ⋅ B , (3.12)гдеB=4π0,26355Ka 28 == 0,2333131,12877-постоянныйкоэффициентвуравнении молекулярной рефракции (3.10).Для составления аналогичного уравнения для облученных областейзаготовки необходимо подсчитать:1)количество изотопов28Si , перешедших в результате ядерной29Si , перешедших в результате ядерной30Si , перешедших в результате ядернойреакции в изотопы 29 Si ;2)количество изотоповреакции в изотопы 30 Si ;3)количество изотоповреакции в изотопы 31 Si .После облучения нейтронами заготовки уравнение Лоренц-Лорентцапримет вид:n x2 − 1= B{[ K 28 − K 28 K 1 ] ( [ K 28 K 1 ( K 29 (1 − K 1 )] ⋅ ∆a ( [ K 29 K 1 ( K 30 (1 − K 1 )] ⋅ ∆a 1 } , (3.13)2nx ( 2где К 1 = 10 −3 - коэффициент, характеризующий степень переходаодного изотопа в другой;n x - показатель преломления света после облучения нейтронами.Послеподстановкизначенийсоответствующихполучим:n x2 − 1= 0,23331 ⋅ 1,13171 .

(3.14)n x2 + 2Отсюда, n x = 1,4487 ≈ 1,45.коэффициентов,108Относительная разница в показателях преломления ∆n облученных инеоблученных частей заготовки составит:∆n =Полученнаяn x − 1,44 1,45 − 1,44==0,007.nx1,45величинаотносительнойразницыпоказателейпреломления света достаточна для реализации физических свойств ФКВ [96].Следует отметить, что увеличение концентрации тяжелых изотопов врезультатеоблученияпотокомнейтроновповышаетвеличину∆n .Необходимая точность в достижении требуемого значения относительногокоэффициента преломления ФКВ может быть обеспечена за счет высокойразрешающей способности источника нейтронов по энергии ∆Е н ≤ 10 −9 эВ .На рис.3.15а представлена кривая зависимости показателя преломлениякремния от коэффициента К 1 , характеризующего повышение концентрацииболее тяжелого изотопа Si 29 .Рисунок 3.15а.

Зависимость показателя преломлениякремния от коэффициента К 1109Как видно из рисунка, заметное увеличение показателя преломлениякремния наступает при условии, когда каждый тысячный изотоп28Siпереходит в 29 Si .На рис. 3.15б изображена зависимость показателя преломлениядиоксида кремния от коэффициента К 1 .Рисунок 3.15б. Зависимость показателя преломления диоксида кремния откоэффициента К 1Из рисунка видно, что заметное повышение показателя преломлениятак же, как и на рис.

3.15а, происходит при К 1 ≥ 10 −3 .3.5 Выводы по главе1. Качество современных базовых элементов ВОСП во многом зависитотфлуктуацийгеометрическихразмеровфункциональныхсред(наноструктур) и определяется разрешающей способностью технологии ихизготовления, которая зависит от дифракционных искажений.1102. Дифракционные искажения зависят от длины волны используемогоизлучения. Наименьшую длину волны имеют тепловые нейтроны, чтопозволяет сделать вывод о большой перспективе ядерных технологий ивозможности получения наноструктур с точностью порядка 1нм.3.Предложенныйновыйтехнологическийспособизготовлениянаноструктур методом облучения заготовки тепловыми нейтронами обладаетнаименьшими дифракционными искажениями по сравнению с другимитехнологиями.Полученныевработепараметрыпотоканейтронов,допустимая величина отклонений геометрических размеров в процессеизготовлениянаноструктуризкремния,коэффициентыпреломленияоблученных слоев, а также схемы облучения подтверждают физикотехническую и промышленную значимость новой технологии.4.

Разработанная методика проектирования технологии изготовленияизотопических наноструктур облучением тепловыми нейтронами позволилапровести оптимизацию физико-технических решений и установить значенияважнейших показателей. Так, отклонения размеров в процессе изготовлениямогутсоставлятьвеличинуменее7нм.Приэтомотносительныйкоэффициент преломления равен 0,007 для условий, при которых каждыйтысячный изотоп28Siпереходит в более тяжелый изотоп 29 Si . Размерыоблучаемого пятна должны соответствовать размерам формируемых слоевструктур.

Характеристики

Список файлов диссертации