Диссертация (1104273), страница 12
Текст из файла (страница 12)
В спектре сволновыми числами ниже 5000 см-1 (λ > 2 мкм) КНН могут рассматриваться как эффективнаясреда, так как диаметр нанонитей (d) варьируется в пределах 50-200 нм, расстояние между КНН(D) варьируется в пределах 100-500 нм, из-за чего d,D < λ, поэтому по интерференционнымосцилляциям отражения можно найти эффективный показатель преломления:где L - длина КНН,эффективный- расстояние между двумя соседними пиками в волновых числах. Знаяпоказательпреломления,можнонайтиэффективнуюдиэлектрическуюпроницаемость среды, и по формуле Бруггемана (1.3) рассчитать пористость слоёв КНН(см.
раздел 1.3.1). Однако в отличие от ПК, где подсчётпо интерференционным пикамявляется более точным из-за большего числа интерференционных максимумов, для КННвозможны значительны погрешности в данном методе определения пористости. Таким образомдля различных КНН была рассчитана пористость, которая составила 50-80% для разных серийобразцов, что соответствует фактору заполнения кремнием 20-50%.
Отметим, что эта60пористость включает в себя вклад как пористости самого массива КНН, так и пористого слоя наповерхности нанонитей. Значения пористости для серий E и F приведены в таблице 3.1. Длясравнения в таблице 3.1 приведены значения пористости, полученные в разделе 2.1 ипредставленные в таблице 2.6. Видно, что данные, полученные обоими методами, совпадают впределах погрешности. Для некоторых образцов также были предприняты попытки оценитьпористость гравиметрическим методом (см. раздел 1.2.3), однако этот метод применим длябольшой толщины слоя КНН, а также даёт большую погрешность измерений из-за трудностей сочисткой поверхности от КНН.Табл.
3.1. Величины neff и пористости КНН серий E и F, рассчитанные из периодаинтерференции по формулам (3.1) и (1.3), а также значения пористости, полученные из анализаизображений СЭМ (см. раздел 2.1).Номер серииneffПористость, %Пористость поданным СЭМ, %Е11,3±0,170±1075±10Е21,3±0,170±1075±10Е31,5±0,160±1070±10Е41,9±0,150±1070±10Е51,85±0,0550±560±10F1,15±0,0580±580±10Спектры зеркального отражения и пропускания образцов КНН серии Е1 с длиной1,5 мкм с частицами серебра и без них и исходной подложки c-Si представлены на рис.
3.2.Спектр зеркального отражения кремниевой подложки (рис 3.2а) хорошо известен исоответствует обычному спектру отражения двухсторонне полированной пластины c-Si, где вобласти сильного поглощения коэффициент отражения составляет около 30-40%, а в областипрозрачности (λ > 1 мкм) коэффициент отражения составляет 50% из-за вклада второй стороныпластины кремния. Как видно из рис. 3.2, спектры зеркального отражения и пропусканияансамблей КНН сильно модифицируются по сравнению с подложкой c-Si. Отметим, чтоспектры образцов с серебром и без серебра заметно отличаются. Так, при удалении частицсеребра можно видеть уменьшение отражения (рис.
3.2а) и увеличение пропускания (рис. 3.2б)в интервале 2000 - 4000 см-1. Это связано с наличием серебряных частиц на границе КННподложка c-Si, у которых зеркальное отражение и поглощение света выше, чем у кремния, из-зачего затрудняется проникновение света в подложку c-Si. Как можно видеть из спектровзеркального отражения и пропускания, кремниевые нанонити очень слабо пропускают иотражают свет в ближнем ИК диапазоне спектра, что может говорить о сильном рассеяниисвета в ансамблях КНН.61Коэффициент пропускания, %Коэффициент зеркальногоотражения, %100805Длина волны, мкм2,51,671,2510,8c-SiКНН + AgКННL = 1,5 мкм6040(а)20020001009080540006000800010000Волновое число, см-1Длина волны, мкм2,51,671,251120000,8c-SiКНН + AgКННL = 1,5 мкм7060504030(б)2010020004000600080001000012000-1Волновое число, смРис.
3.2. Спектры зеркального отражения образцов КНН серии Е1 с частицами серебра(штриховая линия) и без частиц серебра (пунктирная линия) и исходной пластины c-Si(сплошная линия); (б) спектры пропускания образцов КНН серии Е1 с частицами серебра(штриховая линия) и без частиц серебра (пунктирная линия) и исходной пластины c-Si(сплошная линия).Также были сняты спектры зеркального отражения (рис. 3.3а) и пропускания (рис. 3.3б)образца КНН серии F, приготовленного одноступенчатым методом. Из рисунков видно, чтоКНН, приготовленные одноступенчатым методом, по своим характеристикам схожи с КНН,полученных обычным двухступенчатым методом. Более низкие значения зеркальногоотраженияипропусканияансамблейКННснаночастицамисеребра,полученныходноступенчатым методом МСХТ (рис. 3.3), по сравнению двухступенчатым методом МСХТ62(рис. 3.2), можно объяснить большой толщиной слоя серебряных наночастиц на поверхностиКНН, полученных одноступенчатым методом МСХТ (см.
раздел 2.1).Коэффициент пропускания, %Коэффициент зеркальногоотражения, %560Длина волны, мкм2,51,671,2510,8КНН + AgКННL = 1,7 мкм5040(а)302010020004000600080001000012000-1705Волновое число, смДлина волны, мкм2,51,671,2510,8КНН + AgКНН605040(б)3020L = 1,7 мкм10020004000600080001000012000Волновые числа, см-1Рис. 3.3. (а) Спектры зеркального отражения КНН серии F с частицами серебра (сплошнаялиния) и без частиц серебра (штриховая линия); (б) спектры пропускания КНН серии F счастицами серебра (сплошная линия) и без частиц серебра (штриховая линия).Спектры зеркального отражения и пропускания образцов КНН серии Е2 различнойдлины представлены на рис.
3.4. При увеличении длины нанонитей происходит уменьшениеотражения и пропускания структур в ближнем и среднем ИК диапазонах. При этом значениякоэффициентов зеркального отражения и пропускания при росте длины КНН в областиλ > 1 мкм падает до 0,5-1% во всё большей спектральной области, доходя до дальнего ИКдиапазона спектра, а в области λ < 1 мкм составляет 0,1%. Из этого можно сделать вывод, чтопри увеличении длины КНН структура становится сильно рассеивающей.6350Коэффициент пропускания, %Коэффициент зеркальногоотражения, %40Длина волны, мкм2,51,671,25(а)10,8L = 2 мкмL = 3мкмL = 5 мкмL = 7 мкмL = 14 мкмL = 24 мкмL = 40 мкмL = 63 мкм30201000100200050400060008000Волновое число, см-1Длина волны, мкм2,51,671,25(б)80100001120000,8L = 2 мкмL = 3мкмL = 5 мкмL = 7 мкмL = 14 мкмL = 24 мкмL = 40 мкмL = 63 мкм6040200020004000600080001000012000-1Волновое число, смРис.
3.4. (а) Спектры зеркального отражения КНН серии Е2 в ближнем и среднем ИКдиапазонах спектра; (б) спектры пропускания КНН серии Е2 в ближнем и среднем ИКдиапазонах спектра.Таким образом, так как исследуемые образцы КНН, как было показано в разделе 2.1,имеют диаметр нанонитей (d) в пределах 50-200 нм, расстояние между КНН (D) в пределах100-500 нм, а длина (L) может варьироваться от сотен нанометров до нескольких десятковмикрометров, то в разных диапазонах спектра КНН будут проявлять различные свойства. Так, всреднем ИК диапазоне, когда d, D < λ, то КНН можно рассматривать как эффективную среду снекоторым neff (см. раздел 1.3.1), однако при приближении к λ = 1 мкм может наблюдатьсяслабая локализация света, так как d, D ~ λ и, тем самым, поскольку кремний ещё слабопоглощает в этой области, то k·lFP ~ 1 (см.
раздел 1.3.4).643.1.2. Спектры полного отражения (диффузного и зеркального) и поглощения кремниевыхнанонитей в видимом и ближнем инфракрасном диапазонахИзмерение спектров полного отражения, которое включает в себя как диффузную, так изеркальную компоненты, с помощью интегрирующей сферы в видимом и ближнем ИКдиапазонах исходной пластины c-Si и ансамблей КНН серии Е1 с частицами серебра и без нихпредставлены на рис.
3.5.10090Коэффициент полногоотражения, %c-SiКНН + AgКНН4803702601500404005006007003020L = 1,5 мкм100400600800100012001400Длина волны, нмРис. 3.5. Спектры полного отражения в видимом и ближнем ИК диапазонах образцов КННсерии Е1 с частицами серебра (штриховая линия) и без частиц серебра (пунктирная линия) иисходной пластины c-Si (сплошная линия). На вставке представлена увеличенная область ввидимой области спектра.Хорошо видно, что уменьшение зеркального отражения в ближней ИК области, котороебыло продемонстрировано в разделе 3.1.1, для КНН наблюдается и в видимом диапазонеспектра для полного отражения.
При этом в видимом диапазоне коэффициент полногоотражения для КНН составляет всего несколько процентов, а для некоторых образцов дажеменьше 1%. Для сравнения отметим, что коэффициент отражения исходной подложки c-Si ввидимой области спектра составляет около 40%. Зависимость полного отражения для исходнойподложки c-Si совпадает с данными, представленными на рис. 1.2б. Ансамбли КНН в видимомдиапазоне спектра выглядят как "чёрный кремний". Крайне низкое полное отражениеансамблей КНН может быть объяснено сильным рассеянием и поглощением света в видимой65области спектра в слоях КНН, что может приводить к частичной локализации света внанонитях. При этом у образца КНН с серебром при увеличении длины волны наблюдаетсяболее ранний подъём коэффициента отражения в видимом диапазоне спектра за счёт лучшейотражательной способности (вставка на рис. 3.5).
Однако в ближнем ИК диапазоне полноеотражение слабее, что может быть связано с большим поглощением и меньшим рассеянием унитей, покрытых частицами серебра. Причём сильное рассеяние проявляется и в ближнем ИКдиапазоне спектра, где полное отражение от ансамблей КНН без частиц серебра сильнее, чемдля исходной пластины c-Si.На рис. 3.6 представлен спектр полного отражения в видимом и ближнем ИК диапазоне,полученный с использованием интегрирующей сферы, образца КНН серии F, приготовленногоодноступенчатым методом, с удалёнными частицами серебра.
Видно, что в видимом диапазонеспектра полное отражение столь же мало, как и для КНН, приготовленных обычнымдвухступенчатым методом.8Коэффициент полногоотражения, %7L = 1,7 мкм6543210400600800Длина волны, нмРис. 3.6. Спектр полного отражения в видимом диапазоне образца КНН серии F с удалённымичастицами серебра.На рис. 3.7 представлены спектры полного отражения КНН серии Е2 различной длины ввидимом и ближнем ИК диапазонах спектры.66100c-SiL = 175 нмL = 200 нмL = 400 нмL = 500 нм8070отражения, %Коэффициент полного906050403020(а)100400600800100012001400Длина волны, нм1814отражения, %Коэффициент полного1612108L = 2 мкмL = 3мкмL = 5 мкмL = 7 мкмL = 14 мкмL = 24 мкмL = 40 мкмL = 63 мкм64(б)20400600800Длина волны, нмРис.
3.7. Спектры полного отражения исходной пластины c-Si и образцов КНН серии Е2 с(а) L < 1 мкм, (б) L > 1 мкм.Из рисунка 3.7а, на котором представлены спектры полного отражения КНН с длинойКНН до 1 мкм в сравнении с исходной подложкой c-Si, видно, что по мере роста длины КННкоэффициент полного отражения в области от 400 до 800 нм начинает падать с 40% у исходнойподложки с-Si до нескольких процентов у нитей длиной 0,5 мкм. Однако, как следует изрис. 3.7б,придальнейшемувеличениидлинынанонитей,происходитувеличениекоэффициента полного отражения, что говорит о том, что локализация света ослабляется придальнейшем увеличении длины КНН. Следует отметить, что при малой длине КНН на длинахволн 280 и 370 нм наблюдаются пики отражения, связанные с прямыми межзоннымипереходами в c-Si (вертикальные пунктирные линии на рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
