Автореферат (1097498), страница 3
Текст из файла (страница 3)
При обсуждении структурных особенностей ПК подчеркивается преимущественная ориентация его пор вдолькристаллографических осей h100i [2], а также рост упорядоченности порс увеличением уровня легирования исходного кристалла кремния [3].Для преодоления такого недостатка ПК, как непрозрачность в видимой области спектра, ограничивающего его применение в оптике, вработе предлагается использовать окисленный пористый кремний, получаемый в результате термической обработки ПК.
Приводятся сведенияо режиме такой обработки, позволяющей формировать слои ОПК оптического качества, прозрачные в видимом спектральном диапазоне.Пористый фосфид галлия формировался при электрохимическом травлении пластин кристаллического фосфида галлия в плавиковой или серной кислотах, размеры пор при этом составляли сотни нанометров. Распространение пор в GaP происходит, как правило, вдоль выделенныхкристаллографических направлений h111i.Слои ПОА изготовлялись методом электрохимического травленияподложек из фольги алюминия в различных кислотах.
Получающийся пористый слой представляет собой набор гексагональных оксидных10ячеек, по центру которых проходит полый канал [4]. Расстояние между порами линейно увеличивается с повышением напряжения. Диаметрпор определяется скоростью химического растворения оксида алюминия, которая зависит от используемого электролита. В зависимости отвходящей в состав электролита кислоты и ее концентрации диаметр порварьируется в широких пределах: от 0,01 - 0,03 мкм для серной кислотыдо 0,1 - 0,5 мкм для винной кислоты. После получения слой ПОА обычно отделялся от подложки растворением последней в растворе 0,05МCuCl2 :HCl (50%).В данной главе также сообщается о методах изготовления кремниевых фотонно-кристаллических структур: многослойных периодическихструктур, образованных чередующимися слоями ПК различной пористости, и щелевых кремниевых структур, представляющие собой чередующиеся слои монокристаллического кремния и щелей с характернымитолщинами порядка нескольких микрометров.Таким образом, в диссертационной работе найдены режимы электрохимического формирования пористых полупроводников и диэлектриков(ПК, ОПК, ПФГ, ПОА), обладающих такими структурными параметрами (пористость, размер и ориентация пор), при которых наилучшимобразом проявляется влияние факторов локального поля.Во второй главе изложены результаты исследования линейных оптических свойств пористых полупроводников и диэлектриков: двулучепреломления в пористых слоях и локализации света в мезопористом фосфиде галлия.Для описания оптических свойств микро- и мезопористых материалов применяется приближение эффективной среды [5].
В рамках данногоприближения нанокомпозитные системы можно рассматривать как однородные с точки зрения оптики среды. Условием применимости данногоприближения является малость размеров неоднородностей по сравнениюс длиной волны оптического излучения. Дан обзор основных электростатических моделей эффективной среды и их обобщений, описывающихслучаи анизотропных нанокомпозитных сред.В работе приведены экспериментальные схемы, использованные дляизмерения в инфракрасной (ИК) и видимой областях спектра оптических параметров пористых полупроводников и диэлектриков: величинпоказателей преломления и двулучепреломления. Приводятся экспериментальные данные о двулучепреломлении формы [6] пористых полупроводников и диэлектриков. В частности показано, что при использовании в качестве подложки сильнолегированного кремния (p++ -Si, удель11ное сопротивление ρ = 1 – 5 мОм·см) вследствие преимущественной ориентации пор вдоль кристаллографического направления h100i мезопористый слой, сформированный на поверхности с ориентацией поверхности (110), будет проявлять свойства отрицательного одноосного кристалла, оптическая ось которого совпадает с кристаллографическим направлением [001].
Напротив, мезопористый кремний, сформированныйна p++ -Si с ориентацией поверхности (100), обладает свойствами положительного кристалла. Использование кристаллического кремния с ориентацией поверхности (110), но с меньшим уровнем легирования (p+ -Si,ρ = 20 − 100 мОм · см) приводит к тому, что в данном случае оптическаяось, хотя и лежит в плоскости поверхности, совпадает с кристаллографическим направлением [110], а величина двулучепреломления зависитот пористости немонотонно.
Данные эффекты вызваны менее упорядоченным расположением пор в ПК, изготовленном на p+ -Si.Величина двулучепреломления существенным образом зависит от пористости, значение которой определяется в том числе плотностью токатравления. Как видно изрис. 1, увеличение пористости сопровождается умень2,0n,шением эффективных показателей преломления дляn1,6обыкновенной и необыкновенной волн и увеличением величины двулучепре1,2ломления ∆n = no − ne ,где no и ne – показате1000,20ли преломления для обыкp, %nновенной и необыкновенной0,1580волн соответственно, которая для высокопористых0,10слоев достигала 0,24 в ИК60области при средней величине показателя преломле306090120150ния (no + ne )/2 = 1,3./j,Отметим, что это значеРис. 1. Зависимости а) показателей преломление ∆n превышает анало- ния мезопористого кремния для обыкновенной игичную величину для та- необыкновенной волн (◦ и • соответственно) и б)кого естественного двулуче- величины двулучепреломления (¥), а также порипреломляющего кристалла, стости p (M) от плотности тока травления j.eo212как исландский шпат (∆n = 0, 15).Измеренная экспериментально дисперсия показателей преломлениядля мезопористого кремния позволила провести сравнение с результатами моделирования, выполненного в рамках обобщенной статическоймодели Бруггемана [7, 8], в которой поры с диэлектрической проницаемостью ε1 и кремниевые нанокристаллы с диэлектрической проницаемостью ε2 считаются эллипсоидами вращения.
В этом случае компонентытензора эффективной диэлектрической восприимчивости нанокомпозитной среды εef f, ii находятся из уравнения:pε1 − εef f, iiε2 − εef f, ii+ (1 − p)=0,εef f, ii + Li (ε1 − εef f, ii )εef f, ii + Li (ε2 − εef f, ii )(2)где p – пористость, Li – фактор деполяризации, определяемый отношением ξ = a/b длин полярной a и экваториальной b полуосей эллипсоида,а индекс i нумерует декартову координату. Для полей, направленныхвдоль оси вращения эллипсоида и перпендикулярно ей, величины факторов деполяризации даются выражениями:Ã!p21arcsin( 1 − ξ )pL|| =1−ξ,(3)1 − ξ21 − ξ2¢1¡L⊥ =1 − L||(4)2соответственно. Как следствие, различным направлениям поля будут соответствовать различные величины эффективной диэлектрической проницаемости, что позволяет учесть анизотропию в рамках модели эффективной среды.Сравнение расcчитанных по модели (2) величин показателей преломления с экспериментально найденными показывает, что данная модельдает хорошее описание оптических свойств анизотропных слоев ПК вближнем и среднем ИК диапазонах (см.
рис. 2). Однако данное приближение неприменимо для длин волн видимого диапазона. Это связано сприближением длины волны к размеру нанокристалла и, следовательно,с выходом из области применимости электростатической модели эффективной среды. Более точный анализ требует учета влияния так называемой динамической деполяризации [9], т.
е. размера нанокристалла иконечного времени распространения электромагнитной волны в нем, что13в конечном итоге дает вместо (2) следующее уравнение:εef f¡¢+pεef f, ii + (ε1 − εef f, ii ) Li − Di k12 b2 − i 92 k13 b3 ξεef f, ii¡¢ = 1,+(1 − p)εef f, ii + (ε2 − εef f, ii ) Li − Di k22 b2 − i 29 k23 b3 ξ(5)где индекс i указывает направление поляризации поля, b – длина эква√ториальной полуоси эллипсоида вращения, k1 = 2π/λ и k2 = 2π ε2 /λмодули волновых векторов для вакуума и кремния соответственно, λ –длина волны в вакууме, а"#µ¶221ξξξD|| (ξ) =+p1−arccos ξ ,(6)24 1−ξ1 − ξ21 − ξ2"#¶ ³pµ´ξ21ξξ2lnD⊥ (ξ) =+p1− 2ξ 2 − 1 + ξ − (7)24 ξ2 − 1ξ−1ξ −1факторы динамической деполяризации для поля, направленного вдольоси вращения эллипсоида (6) и перпендикулярно ей (7).
Как видно изрис. 2, учет динамической деполяризации позволяет, оставаясь в рамкахмодели эффективной среды, обеспечить лучшую аппроксимацию экспериментально полученных величин показателей преломления.no, ne 2,12,0no1,91,81,7ne1,60,51234,Рис. 2. Дисперсионные зависимости обыкновенной и необыкновенной волн для двулучепреломляющей пленки мезопористого кремния. Штриховые линии – результатаппроксимации в рамках электростатического приближения Бруггемана, сплошныелинии — с учетом динамических поправок (5) - (7).14Термическое окислеλ,1.6 1.310.7ние двулучепреломляющего ПК приводит к R 1.0E || [001]E ⊥ [001]формированию прозрач0.8ных в видимом диапа0.6зоне пленок, также обладающих двулучепрелом0.4лением, хотя его вели0.2чина на порядок мень0.0ше, чем в исходных сло6000110001600021000-1ях ПК.
По данным струкν, cтурных измерений окисленный ПК представля- Рис. 3. Спектры отражения многослойной периодиет собой аморфную сре- ческой структуры на основе анизотропного пористоду, и наблюдаемая опти- го кремния при различных поляризациях излучения.R – коэффициент отражения, ν – волновое число.ческая анизотропия является анизотропией формы. Величина двулучепреломления ОПК возрастает с увеличением пористости.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
