Исследование оптических свойств одномерных и двумерных кремниевых нано- и микроструктур (1103203), страница 3

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

Текст из файла (страница 3)

Слои ПК рассматривают­электрических диполей. Структура ся как однородные слои веществ с эффектив­для теоретического анализа показа­ ными показателями преломления 1 и 2 .на на рис. 7. Затем представлены результаты моделирования усиления сигна­ла КРС в одномерном ФК на основе ПК при возбуждении светом с волновымчислом 8000 – 13000 см−1 . На рис. 8 приведены результаты расчета интенсив­ностей стоксовой компоненты КРС ФК структуры, образованной = 21парой слоев ПК с толщинами 1 = 100 нм и 2 = 130 нм и эффективнымипоказателями преломления 1 = 2.36 и 2 = 1.91 и однородного слоя ПКс толщиной, равной толщине модельной структуры и показателем прелом­ления = 2.36, как функций волнового числа возбуждающего света.

Функ­15ция интенсивности КРС для ФК структуры, в отличие от однородного слоя,не является периодической, а имеет локальные максимумы на 9500 см−1 и11700 см−1 (максимумы A и D на рис. 8). Рост интенсивности стоксовой ком­поненты КРС на указанных волновых числах для ФК структуры по сравне­нию с однородным слоем использовался как количественная мера эффектаусиления сигнала КРС в ФК структурах. Для объяснения этого эффекта бы­ли рассчитаны спектр эффективности возбуждения (среднее значение квад­рата амплитуды электрического поля возбуждающего излучения) и спектрэффективности выхода рассеянного излучения (интенсивность КРС для слу­чая, когда амплитуда колебаний электрических диполей не зависит от полявозбуждающего излучения), что представлено на рис. 9.

Видно, что максиму­мы А и B, расположенные на краях ФЗЗ, возникают вследствие резонансногопроникновения возбуждающего поля вглубь структуры. Спектр эффективно­сти выхода излучения КРС смещен по сравнению со спектром отражения наРис 8. Интенсивности стоксовой компоненты КРС модельной структуры, изображеннойна рис. 7 (сплошная линия) и однородной структуры с толщиной, равной толщине модель­ной структуры, и некоторым эффективным показателем преломления (штриховая линия)как функции волнового числа возбуждающего излучения. Спектр отражения модельнойструктуры приведен пунктирной линией.16520 см−1 в сторону больших волновых чисел, что равно максимальной часто­те оптического фонона в кристаллическом кремнии. Максимумы C и D обу­словлены резонансным выходом рассеянного излучения из структуры.

Распо­ложение максимумов A – D спектров эффективности возбуждения и выходапо отношению к ФЗЗ позволяет объяснить особенности зависимости, приве­денные на рис. 8. Действительно, в максимумах A и D волновые вектора нивозбуждающего, ни рассеянного излучений не попадают в ФЗЗ. Более того,для максимума А возбуждающее излучение резонансно проникает вглубь об­разца, а для максимума D рассеянное излучение резонансно выходит наружу.Этим и объясняется резкое увеличение сигнала КРС в максимумах A и D.Расчет интенсивности антистоксовой компоненты КРС, показал, что эф­фект ее усиления также существует.

Поскольку волновое число рассматри­ваемой компоненты на 520 см−1 больше волнового числа возбуждения, то ло­кальные максимумы А и С зависимости интенсивности антистоксовой компо­ненты КРС от волнового числа возбуждения находятся на высокочастотномкрае ФЗЗ, а B и D — на низкочастотном.Рис 9. Спектр эффективности возбуждения (сплошная линия), спектр эффективностивыхода излучения КРС (штриховая линия) и спектр отражения модельной структуры,изображенной на рис. 7 (пунктирная линия).17В пятой главе представлены результаты теоретического и эксперимен­тального исследования влияния интерференционных эффектов на интенсив­ность фотолюминесценции (ФЛ) слоев с кремниевыми нанокристаллами (nc­Si).

В первом пункте приведены литературные данные, обосновывающие ак­туальность исследования оптических свойств nc-Si и демонстрирующие воз­можность интерференционного усиления интенсивности их ФЛ. Затем опи­сана методика приготовления образцов с nc-Si3 .

Приготовление трехслойныхтонких пленок с nc-Si (рис. 10) осуществлялось методом плазмохимическогоосаждения из газовой фазы на подложке кристаллического кремния -типас ориентацией поверхности (100) [9]. Размер нанокристаллов был оценен изданных просвечивающей электронной микроскопии и составил 9.0±1.8 нм.Было изготовлено две серии об­разцов, содержащих слой с нано­кристаллами кремния в матрице ок­синитрида кремния (SRON). СерияА характеризовалась изменяющейсятолщиной буферного слоя от 0 до200 нм, при этом толщины слоя с nc­Si и покровного слоя были одинако­вы для всех образцов данной серии иРис 10. Схематическое изображение структу­ равны 20 и 30 нм соответственно. Вры образцов со слоем нанокристаллов крем­ образцах серии Б постоянными оста­ния (SRON).вались толщины буферного и покров­ного слоев, равные 25 и 20 нм соответственно, толщина слоя с nc-Si изменя­лась от 4 до 250 нм (см.

рис. 10).3Образцы с кремниевыми нанокристаллами были приготовлены Д. М. Жигуновым в лабораторииМ. Захариас (Университет Альберта Людвига, г. Фрайбург, Германия).18Приготовленные образцы с nc-Si демон­стрировали ФЛ с максимумом на длине вол­ны 890 – 940 нм при возбуждении излучени­ем с длиной волн = 325 – 633 нм. Экспе­риментально полученные и рассчитанные ме­тодом осциллирующих диполей зависимостиинтенсивности ФЛ от толщины буферного иизлучающего слоев приведены на рис.

11.Для выявления вклада эффективностивозбуждения на результирующую интенсив­ность ФЛ, был рассчитан средний по слою сnc-Si квадрат амплитуды силы электрическо­го поля возбуждающего света как функциятолщины буферного слоя (пунктирная ли­ния, рис. 12). Для выявления вклада эффек­тивности выхода ФЛ из образца были рассчи­таны интенсивности ФЛ образцов для слу­чая постоянной амплитуды осцилляций элек­трических диполей (тонкая линия, рис. 12).Указанные зависимости являются периоди­ческими вследствие возникновения Фабри­Перо резонансов в многослойной структу­ре.

Из сравнения между функциями интен­сивности ФЛ и эффективности возбуждения(рис. 12) видно, что расстояние между дву­ Рис 11. Рассчитанные (линии) и экс­мя ближайшими пиками на зависимости ин­ периментальные (точки) интенсив­тенсивности ФЛ от толщины буферного слоя ности ФЛ образцов с nc-Si для серийопределяется Фабри-Перо резонансами, воз­ А (а) и Б (б) при различных длинахволн возбуждающего света .19Рис 12. Функция эффективности возбуждения (пунктирная линия) и эффективности вы­хода ФЛ (тонкая линия) образцов с nc-Si. Интенсивность ФЛ образцов с nc-Si (толстаялиния).

= 325 нм.никающими при распространении возбуждающего излучения по структуре.С другой стороны, функция выхода ФЛ, период которой определяется дли­ной волны ФЛ, является огибающей к функции интенсивности ФЛ, что иобуславливает различие амплитуд первого и второго ее пиков. Зависимости,приведенные на рис. 12, позволили определить количественную меру вкладовинтерференций возбуждающего и ФЛ излучений на наблюдаемое значениеинтенсивности ФЛ в максимуме. В частности, вклады интерференционныхусилений возбуждающего и ФЛ излучений при = 325 нм равны 23% и76% соответственно.

С ростом длины волны возбуждающего излучения вкладинтерференции ФЛ уменьшается.Таким образом, используемый подход позволил для различных значе­ний длин волн возбуждения рассчитать значения толщин излучающего и бу­ферного слоев, обеспечивающих максимальное значение интенсивности ФЛструктур с нанокристаллами кремния.20Заключение и основные выводыВ работе изучены оптические свойства периодических одномерных и дву­мерных кремниевых нано- и микроструктур и получены следующие основныевыводы:1.

В результате экспериментального и теоретического исследования спек­тров отражения в среднем ИК диапазоне ( = 4 – 20 мкм) щелевыхкремниевых структур, состоящих из чередующихся кремниевых слоеви пустот (щелей) с периодом = 4 – 6 мкм при падении излучения понормали к щелевому слою установлено, что использование метода мат­рицы рассеяния с учетом потерь на рассеяние света путем введениямнимой части показателя преломления позволяет хорошо описать ос­новные особенности экспериментальных спектров и получить значенияэффективных показателей преломления для различных направленийполяризации падающего света.2.

Методом матрицы рассеяния были рассчитаны спектры отражения ипропускания образцов двумерного фотонного кристалла, представля­ющего собой массив параллельных воздушных цилиндров в кремнии,при распространении света в направлении, перпендикулярном осям ци­линдров, при различных отношениях радиуса цилиндров к периоду фо­тонно-кристаллической решетки. Обнаружено, что спектры отражениясодержат локальные минимумы в области фотонной запрещенной зо­ны, связанные с границами исследуемых структур и являющимися по­верхностными фотонными модами. Рассчитанные спектры отраженияи пропускания находятся в хорошем согласии с полученными экспери­ментальными данными.213.

Характеристики

Список файлов диссертации