Автореферат (1104272)
Текст из файла
На правах рукописиГончар Кирилл АлександровичОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА РАССЕИВАЮЩИХ СРЕД НАОСНОВЕ КРЕМНИЕВЫХ НАНОНИТЕЙСпециальность 01.04.05. ОптикаСпециальность 01.04.10. Физика полупроводниковАвторефератдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква - 2015Работа выполнена на кафедре общей физики и молекулярной электроникифизического факультета Федерального государственного бюджетного образовательногоучреждения высшего образования «Московский государственный университет имениМ.В.Ломоносова»Научные руководители:Тимошенко Виктор Юрьевич, доктор физико-математических наук, профессорГоловань Леонид Анатольевич, доктор физико-математических наук, доцентОфициальные оппоненты:Лощёнов Виктор Борисович, доктор физико-математических наук, профессор,Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАН, заведующий лабораториейСоколов Виктор Иванович, кандидат физико-математических наук, Институт проблемлазерных и информационных технологий РАН, заведующий лабораториейВедущая организация:Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшегообразования «Санкт-Петербургский национальный исследовательский университетинформационных технологий, механики и оптики»Защита диссертации состоится «____» ______________2015 года в ______ часов назаседании диссертационного совета Д 501.001.67 на физическом факультете Московскогогосударственного университета имени М.В.Ломоносова по адресу: 119991, г.
Москва,ГСП-1, Ленинские горы дом 1, строение 2, физический факультет, аудитория ЦФА.С диссертацией можно ознакомиться в Отделе диссертаций Научной библиотекиМГУ имени М.В.Ломоносова по адресу: 119192, г. Москва, Ломоносовский проспект,дом 27Автореферат разослан «____» ______________2015 года.Ученый секретарьДиссертационного совета Д 501.001.67к.ф.-м.н., доцентКоролев А.Ф.2Общая характеристика работыАктуальность работыАктуальность исследования наноструктур на основе кремния обусловленабольшим потенциалом их применения в микро- и оптоэлектронике, фотонике,сенсорике, других областях науки и техники. Известно, что физические свойстваполупроводниковых наноструктур зависят от их характерных размеров (размерныеэффекты), формы, расположения в пространстве и ближайшего окружения. Длякремниевых нанокристаллов нитевидной формы (нанонитей) с поперечными размерамименее 10 нм реализуется так называемый квантовый размерный эффект для носителейзаряда (электронов и дырок), который приводит к росту ширины запрещенной зоны исдвигу края оптического поглощения в высокоэнергетическую область.
Оптическиесвойства кремниевых наноструктур с бóльшими поперечными размерами будутсущественно зависеть от эффектов, связанных с пространственным распределениемлокальных электрических полей, и обуславливаться рассеянием света как отдельныминанообъектами, так и их ансамблями. Изучение таких эффектов в наноструктурах в видеансамблей кремниевых нанонитей (КНН) особенно актуально, поскольку они могутбыть легко интегрируемы с устройствами микроэлектроники и сенсорики, что приведёткак к улучшению характеристик последних, например, солнечных элементов,транзисторов и сенсоров, так и созданию принципиально новых устройств и материаловдля различных применений, включая биофотонику и медицину.В последнее время активно исследуются КНН, формируемые при металлстимулированном химическом травлении (МСХТ) кристаллического кремния (c-Si),которые имеют вид плотных ансамблей (массивов) нанонитей с характернымиразмерами поперечных сечений порядка 100 нм.
Благодаря высокому значениюпоказателяпреломленияc-Siиблизкомурасположениюнанонитей,такиенаноструктуры представляют большой интерес для исследования явления рассеяниясвета в широком спектральном диапазоне. Однако влияние условий приготовления КННна их структурные и оптические свойства изучено пока в недостаточной степени.Проведение таких исследований важно как для развития оптики рассеивающих сред, таки для сенсорных и биомедицинских применений КНН.3Цель диссертационной работы состояла в исследовании зависимости линейныхи нелинейных оптических свойств ансамблей кремниевых нанонитей, получаемыхметодом металл-стимулированного химического травления и обладающих сильнымрассеянием света в видимом и инфракрасном диапазонах спектра, от их структурныхсвойств.Для достижения указанной цели были решены следующие задачи:1.
Изучить зависимость спектров отражения и пропускания света в слояхкремниевых нанонитей от их длины.2. Измерить и проанализировать индикатрисы упругого рассеяния света в слояхкремниевых нанонитей различной длины.3. Выявить особенности спонтанного комбинационного рассеяния света,генерации третьей гармоники и когерентного антистоксова рассеяния света в ансамбляхкремниевых нанонитей в сравнении со случаем подложек кристаллического кремния,использованных для получения нанонитей.4. Определить время взаимодействия света с веществом в ансамблях кремниевыхнанонитей различной морфологии с помощью измерения кросс-корреляционнойфункции рассеянных фотонов.5.Исследоватьзависимостьфотолюминесцентныхсвойствкремниевыхнанонитей от их структурных характеристик и электронных свойств подложек.Научная новизна работы:1. Обнаружена немонотонная зависимость величины коэффициента полногоотражения света, включающего диффузную и зеркальную компоненты, слоёвкремниевых нанонитей от их длины.2.
Впервые установлено, что индикатриса упругого рассеяния света с длинойволны 1064 нм в ансамблях кремниевых нанонитей длиной более 2 мкм может бытьаппроксимирована законом Ламберта, а интенсивность света, рассеянного в заднююполусферу, растёт по логарифмическому закону при увеличении длины нанонитей.3. Обнаружено, что в слоях кремниевых нанонитей по сравнению с подложкамикристаллического кремния возрастает эффективность процессов преобразованиячастоты оптического излучения, таких как спонтанное комбинационное рассеяние света,когерентное антистоксово рассеяние света и генерация третьей гармоники.44.
Впервые проведены измерения кросс-корреляционных функций фотонов,рассеянных в массивах кремниевых нанонитей, в результате чего зарегистрированомногократное увеличение времени взаимодействия света с кремниевыми нанонитями посравнению с подложками кристаллического кремния.5. Впервые обнаружена немонотонная зависимость интенсивности межзоннойфотолюминесценции в области 1100-1200 нм в слоях кремниевых нанонитей от ихдлины.Практическая значимостьРезультаты, изложенные в диссертации, могут быть использованы для созданияновых фотонных устройств и сенсоров, основанных на кремнии. Так, увеличениеинтенсивности комбинационного рассеяния в структурах кремниевых нанонитей можетбыть использовано для создания сенсоров на активные молекулы; крайне низкое полноеотражение в видимом диапазоне спектра в слоях нанонитей может быть использовано вфотовольтаике для повышения эффективности солнечных батарей; наличие видимойфотолюминесценцииисследованныхкремниевыхнаноструктурможетбытьиспользовано в биомедицине для люминесцентной диагностики тканей и клеток.На защиту выносятся следующие основные результаты и положения:1.
Немонотонная зависимость коэффициента полного отражения света в областиот 400 до 1000 нм от длины кремниевых нанонитей объясняется перераспределениеминтенсивностей зеркальной и диффузной компонент отражения, при которомдиффузная компонента начинает доминировать для нанонитей длиной более 2 мкм.2. Логарифмическая зависимость интенсивностей комбинационного и упругогорассеяния слабо поглощаемого света от толщины слоя кремниевых нанонитейобъясняется ослаблением вкладов актов рассеяния вследствие ухода части излучения впереднюю полусферу.3.
Рост эффективности линейных и нелинейных оптических процессов,включающих спонтанное комбинационное рассеяние света, когерентное антистоксоворассеяние и генерацию третьей гармоники в ансамблях кремниевых нанонитей,объясняется увеличением времени взаимодействия света с веществом в результатемногократного отражения от стенок нанонитей.54. Увеличение интенсивности межзонной фотолюминесценции в спектральнойобласти 1100-1200 нм в слоях кремниевых нанонитей по сравнению с исходнымиподложками кристаллического кремния, связано с ростом эффективности поглощениявозбуждающего излучения в условиях его сильного рассеяния и низкой скоростиповерхностной безызлучательной рекомбинации в нанонитях.Апробация работыМатериалы,вошедшиевдиссертацию,неоднократнодокладывалисьнароссийских и международных конференциях: Конференция Ломоносов (Москва, Россия,2010), Волны (Звенигород, Россия, 2010), ICONO (Казань, Россия, 2010), ALT (Золотыепески,Болгария,2011),Полупроводники(НижнийНовгород,Россия,2011),Нанобиотехнологии: проблемы и перспективы (Белгород, Россия 2011), Волны(Звенигород, Россия, 2012), EMRS spring meeting (Страсбург, Франция, 2013), Оптика(Санкт-Петербург, Россия, 2013), PSST (Аликанте-Бенидорм, Испания, 2014), Волны(Можайск, Россия, 2014).Материалы диссертации опубликованы в 20 печатных работах, в том числе в 7статьях в рецензируемых журналахи 13 публикациях в сборниках трудовмеждународных и российских конференций.Личный вклад автора заключается в выборе объектов исследования, проведенииизмерений и интерпретации полученных результатов.
Содержание диссертации иосновные положения, выносимые на защиту, отражают персональный вклад автора вопубликованныеработы.Подготовкакпубликацииполученныхрезультатовпроводилась совместно с соавторами, причём вклад диссертанта был определяющим.Структура и объём диссертацииДиссертация состоит из введения, трёх глав, в первой из которых представленобзор литературы по теме диссертации, во второй изложена методика эксперимента, а втретьей приведены экспериментальные результаты и их обсуждение, заключения ибиблиографии.
Общий объём диссертации 120 страниц, из них 108 страниц текста,включающих 81 рисунок и 9 таблиц. Библиография содержит 164 наименования на 12страницах.6Содержание работыВо введении обоснована актуальность диссертационной работы, сформулированацель и аргументирована научная новизна исследований, показана практическая значимостьполученных результатов, изложены основные результаты и положения, выносимые назащиту, представлен список публикаций по теме диссертации.Первая глава представляет собой обзор литературы, в котором содержитсяинформация об оптических свойствах с-Si, отмечается, что данный полупроводникявляется непрямозонным с шириной запрещенной зоны 1,12 эВ, поэтому для длин волн > 1100 нм данный материал практически прозрачен, в то время как для света с < 800 нмкоэффициент поглощения превышает значение 1000 см-1 [1].
В обзоре рассмотреныразличные подходы к формированию КНН, среди которых особое внимание уделяетсяметоду МСХТ [2]. Далее излагаются основные подходы к описанию оптических свойствтвердотельных наноструктур и представлены литературные данные по оптическимсвойствам КНН. В частности, рассматриваются приближение эффективной среды [3],поглощение и упругое рассеяние света в случайно-неоднородных средах, комбинационноерассеяние света (КРС) и когерентное антистоксово рассеяние света (КАРС), эффектылокализации света и нелинейные оптические свойства, а также фотолюминесцентныесвойства наноструктур.
В конце главы приведены выводы из обзора литературы иобозначены нерешённые проблемы, связанные с исследованием оптических свойств КНН.В частности, отмечается, что недостаточно изучено влияние условий формирования идлины КНН на их оптические свойства; практически полностью отсутствуют работы поанализу особенностей нелинейно-оптических свойств КНН; недостаточно исследована рольрассеяния света в оптических свойствах массивов КНН. Решению отмеченных выше задачпосвящена основная часть диссертации.Во второй главе изложена методика эксперимента и описаны используемыеобразцы. Для получения ансамблей КНН были использованы одно- и двухступенчатыйметоды МСХТ; сформированные структуры исследовались с помощью следующихметодов: сканирующей электронной микроскопии (СЭМ), просвечивающей электронноймикроскопии(ПЭМ),инфракрасной(ИК)спектроскопии,измеренияспектровпоглощения, диффузного и зеркального отражения с помощью интегрирующей сферы,измерения индикатрис упругого рассеяния, спектров КРС и КАРС, измерения кросскорреляционной функции фотонов с использованием интерферометра Майкельсона с7подвижным зеркалом, генерации третьей гармоники (ТГ), измерения спектров и кинетикфотолюминесценции (ФЛ).В работе методом МСХТ были изготовлены серии образцов КНН на подложках с-Si,отличающиеся типом проводимости, удельным сопротивлением и кристаллографическойориентацией.
Характеристики
Тип файла PDF
PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.
Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
