Диссертация (1103201), страница 12
Текст из файла (страница 12)
д.).Если рассматривать тонкие пленки, которые могут наноситься на самыеразные поверхности, то они могут быть разделены на: однослойные, двухслойные, многослойные, покрытия с переменным показателем преломления.75Изготовлениеоднослойныхпокрытийограничиваетсясвойстваминаносимого материала. Так, например, показатель отражения от стекла ипрозрачного пластика составляет n~1.5. При этом толщина пленки в четвертьдлины волны должна обладать показателем преломления n~1.22. К сожалению,материалы, которые имеют показатель преломления менее 1.22, встречаютсядостаточно редко. MgF2 имеет показатель преломления 1.38, при нанесении егона стекло отражение от поверхности уменьшается с 4.26 до 1.5%.Двухслойные покрытия, которые имеют толщину четверть волны,позволяют еще больше уменьшить отражение от поверхности.
Созданиесложных многослойных покрытий позволяет добиться того, что определеннаядлина волны будет поглощаться в определенном слое.Наиболее интересным видом покрытий являются покрытия с переменнымпоказателем преломления. В таком покрытии показатель преломления плавноменяется от значения показателя преломления воздуха до значения показателяпреломления образца, что позволяет избежать резкой границы на разделевоздух/образец. За счет того, что показатель преломления не испытываетрезкого изменения на границе, отражение существенно уменьшается. Впервыепокрытия такого типа изучались Якобссоном в 1960 г [ 79]. Схемы такихповерхностей изображены на рисунке 4.1.Рисунок 4.1 Схема различных поверхностей.Из схемы видно, что такие поверхности могут быть описаны модельюМаксвелла-Гарнетта с эффективным показателем преломления.Проблема создания тонкого покрытия, эффективно поглощающего ИК и76видимое излучение, особенно остро возникла в последнее время в связи сразработкой болометров на одностенных [80] и многостенных [81] углеродныхнанотрубках, а также на двух слоях графена [82].
Нанотрубки и графен, в томчисле многослойный, имеют достаточно маленький коэффициент отражения,практически не зависящий от длины волны излучения [83]. Увеличениеколичества слоев графена, приводит к резкому возрастанию коэффициентаотражения [84].В настоящее время для создания антиотражающих покрытий используетсяряд материалов. Обычно для подавления отражения света используется чернаякраска (в том числе и с различными добавками), но основной недостатоксостоит в том, что данное покрытие поглощает только 90% падающегоизлучения.Принизкихтемпературахтакиепокрытиястановитсясеребристыми.На основе кремния выполняется множество электронных устройств, средикоторых солнечные элементы, болометры и т. д.
Иногда для созданияантиотражающих покрытий производят структурирование кремния при помощиплазменных методов [85]. Обычно структурирование кремния происходит внесколько этапов. Первоначально на образец наносится резист, например,металл или диэлектрик, затем на поверхность напыленного слоя наносят слойполимера. После данной процедуры при помощи оптической или электроннойлитографии на поверхности образца создается определенный рисунок. Наследующем этапе образец помещается в вакуумную CCP или ICP камеру дляпоследующего травления кремния.В работе [85] для получения структур с заданной формой использоваликремний n-типа ориентации (100).
На образце производили описанную вышепроцедуру и его помещали в плазменный реактор в смесь газов SiH 4/CH4/H2/Ar.После структурирования были получены кремниевые столбы диаметром ~ 100нм, и высотой ~1 мкм рис. 4.1 а). При этом, для диапазона длин волн от 0.2 до 2мкм, было достигнуто значение полного отражения ~ 1%. Поглощение образцов77в том же диапазоне составляет ~ 60%. Отражение от неструктурированнойповерхности кремния составляет ~ 50%.
В работе было показано, чтоструктурированиеповерхностикремнияприводитксущественномууменьшению отражения в диапазоне длин волн от 0.2 до 2 мкм. В работе былопроведено теоретическое моделирование изменения показателя преломления сглубиной. По результатам моделирования было показано, что такое низкоеотражение достигается за счет плавного изменения показателя преломления.В другой работе [86] было исследовано поглощение кремниевых столбов вдиапазоне от 400 до 800 нм рис.
4.2 б). Для создания образцов использоваласьболее сложная процедура. Сначала на кремневую подложку, с нанесеннымслоем ITO (оксид индия олова), была нанесена пленка a-Si:H. Для нанесенияданного материала использовался реактор с горячей нитью, после чего спомощьюметодаЛэнгмюра-Блоджетабылисформированыхорошоупакованные частицы двуокиси кремния.
После данной процедуры образцыпомещались в камеру реактивного ионного травления. Скорость травлениядвуокиси кремния в таком процессе значительно ниже скорости травления aSi:H. Такая процедура позволяет получать кремниевые конусы толщиной 300нм и длиной 600 нм. Диаметр кончика вершины конусов составлял 20 нм(рис.4.2 б). В результате такой процедуры поглощение структур в указанномдиапазоне достигало значения 97.8 %, которое уменьшается при увеличенииугла падения.78Рисунок 4.2 а)-б) кремниевые структуры и отражение от структур, полученных плазменнымиметодам [85,86], кремниевые структуры полученные электрохимическим и химическимметодом [67,88].Плазменная технология структурирования кремния может быть замещенафотоэлектрохимическим рис.4.2 в) [67,87] или химическим [88] травлением см.рис.
4.2 г). При этом также существует первая стадия нанесения резиста наобразец.Было обнаружено, что массив вертикально ориентированных углеродныхнанотрубок имеет рекордно высокую эффективность поглощения излучения вшироком диапазоне длин волн [89, 90]. При этом нанотрубки располагаютсяперпендикулярно поверхности рис. 4.3. Небольшие расстояния междусоседними нанотрубками приводят к тому, что излучение проходит междуними, испытывает множественное переотражение и не выходит из данныхструктур. В НАСА (NASA Goddard Space Flight Center) на основе многостенныхнанотрубок было разработано новое «черное покрытие», которое поглощает до99% падающего излучения в УФ, ИК и видимом диапазоне длин волн. Ученыесообщили, что они увеличили поглощение материала в 50 раз.
Углеродныенанотрубки были успешно синтезированы на различных поверхностях:79кремнии, нитриде кремния, титане, нержавеющей стали. Структуры быливыращены при помощи стандартной технологии роста с использованием железав качестве катализатора [91].В работе [90] были синтезированы углеродные нанотрубки при помощихимического осаждения из газовой фазы. Температура синтеза была ~750 ºС.Длина многостенных углеродных нанотрубок составляла несколько сотенмикрон рис. 4.3 а)-в). Измерение оптических характеристик таких структурпроизводили в широком диапазоне длин волн от 0.2 до 200 мкм. При этомотражение и прохождение электромагнитного излучения через многостенныенанотрубки длиной 400 мкм составляло ~ 0.02%, что говорит о том, чтобольшая часть излучения поглощается структурами.
В работе также произвелиизмерение излучательной способности структур, и она составила более 98%.Увеличение поверхностной плотности структур приводит к увеличениюизлучательной способности. Таким образом, многостенные нанотрубки посвоим характеристикам близки к абсолютно черному телу.Преимуществом нанотрубок является то, что в зависимости от диапазонадлин волн мощность поглощения может варьироваться от 10 до 100 раз.
В УФ ивидимом диапазоне данные структуры поглощают до 99.5% падающегоизлучения, в дальнем ИК происходит падение поглощения до 98%. Такимобразом, данные структуры активно поглощают излучение и хорошо отводяттепло.Однакокоэффициентпоглощенияориентированныхуглеродныхнанотрубок сильно зависит от поляризации излучения рис. 4.3 г) [81,92] и онибоятся попадания влаги. Попадание влаги приводит к поломке таких структур,а как следствие, к сильному изменению оптических характеристик структур.Кроме того, для роста нанотрубок используется катализатор, которыйпрактически невозможно удалить с их поверхности без разрушения структур.80Рисунок 4.3 а)-в) Фотографии, СЭМ сними и коэффициенты отражения поглощениянанотрубок [90], г) поляризационная зависимость углеродных нанотрубок [92].Вработе[92]былопроизведеноисследованиеполяризационнойзависимости углеродных нанотрубок.
В таких структурах при паденииизлучения s — поляризации преобладает поглощение за счет неколлинеарныхдиполей, перпендикулярных оси нанотрубок. При падении p — поляризациипреобладает поглощение диполей, лежащих в одной плоскости с нанотрубками.Особенно интересны два пика при 4.5 и 5.25 эВ. Пик 4.5 эВ связывают с π плазмоном, тогда как пик 5.2 эВ наблюдается в образцах содержащих аморфныйуглерод и определяется формой структур.В последнее время большое внимание уделяется графену. Среди всехаллотропных форм углерода, графен стоит отдельно в связи с его уникальнымисвойствами.Многиеполученныеэкспериментальныехарактеристикипревосходят характеристики других материалов и достигли теоретическихпределов: подвижность электронов при комнатной температуре 2.5 * 105 см В-1с-1 [93] (теоретический предел 2.5 * 105 см В-1 с-1), модуль Юнга 1 ТПа и81внутренняя прочность 130 ГПа [94], очень большая термическая проводимость(более 3000 Вт мК-1), полная непроницаемость для любых газов, способностьвыдерживать чрезвычайно высокие плотности тока (в миллион раз выше, чемдля меди).
Еще важное свойство графена, что он может быть химическифункциональным [95].Помимоперечисленныхсвойств,графенобладаетуникальнымиоптическими свойствами [83, 84]. В работе [83] впервые были изученыоптические свойства графена. Показано, что оптические свойства свободноподвешенногографенаопределяютсяпостояннойтонкойструктурыα=e2/ħc≈1/137, где e — заряд электрона, ħ — постоянная планка, c — скоростьсвета.
Несмотря на то, что графен толщиной всего один атом, каждый слойграфена поглощает Πα≈2.3% в диапазоне 400-800 нм, где Π≈3.14. При этомотражение от одного слоя графена <0.1%. Но с увеличением слоев графенауменьшается прохождение и увеличивается отражение электромагнитногоизлучения [94].Данные результаты представлены для графена полученного методомотделенияотвысокоориентированногографита.Появляетсямножествонаучных работ, в которых графен получают с помощью различных CVDметодов. В CVD графене присутствует множество дефектов, которые должныоказывать существенное влияние на отражение и поглощение материала.Углеродныенаностенкисостоятизграфеновыхлистов,которыерасполагаются практически вертикально на поверхности подложки. За счеттого, что углеродные наностенки состоят из графеновых слоев и обладаютуникальной формой, данный материал представляет особый интерес в качествепокрытия для различных приборов.
Уже было продемонстрировано, чтоуглеродные наностенки могут быть использованы в качестве рабочего элементаболометра [96], работающего при комнатной температуре, но при этом не былопроведено исследования оптических свойств такого материала.В работе [96] углеродные наностенки были выращены с помощь СВЧ82плазмы на кремниевой подложке. После чего к пленке были сделаны контакты сиспользованием серебряной пасты, измерения температуры производили сиспользованием Cr-Al термопары.
Все измерения проводились при комнатнойтемпературе. При этом наблюдается гистерезис в изменение сопротивления оттемпературы ~ 11%/К. Данное значение существенно превосходят болометры,выполненные на основе нанотрубок и других углеродных материалов.Еще одним свойством углеродных наностенок, которое достаточно плохоизучено, является зависимость сопротивления от температуры [ 97]. Притемпературах меньше 20 К происходит значительное изменение сопротивления.Более детальное изучение зависимости сопротивления от температуры поможетв понимании применения углеродных наностенок в микроэлектронике, вчастности, в болометрах. В зависимости от этих характеристик данные пленкимогут быть либо поглощающим элементом, либо непосредственно резистивнымэлементом болометра. В работе [98] впервые проведено измерение термическихсвойств углеродных наностенок. Было достигнуто значение теплопроводностиуглеродных наностенок 300 Вт м2 К-1, при тепловом сопротивлении 3.6*10-8 Км2Вт-1.Сувеличениемтолщиныпленкиувеличиваетсятепловоесопротивление.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
