Диссертация (1104273), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Обнаружено, что в слоях кремниевых нанонитей по сравнению с подложкамикристаллического кремния возрастает эффективность процессов преобразования частотыоптического излучения, таких как спонтанное комбинационное рассеяние света, когерентноеантистоксово рассеяние света и генерация третьей гармоники.4.
Впервые проведены измерения кросс-корреляционных функций фотонов, рассеянныхв массивах кремниевых нанонитей, в результате чего зарегистрировано многократноеувеличение времени взаимодействия света с кремниевыми нанонитями по сравнению сподложками кристаллического кремния.5.Впервыеобнаруженанемонотоннаязависимостьинтенсивностимежзоннойфотолюминесценции в области 1100-1200 нм в слоях кремниевых нанонитей от их длины.Практическая значимостьРезультаты, изложенные в диссертации, могут быть использованы для создания новыхфотонных устройств и сенсоров, основанных на кремнии. Так, увеличение интенсивностикомбинационного рассеяния в структурах кремниевых нанонитей может быть использовано для6создания сенсоров на активные молекулы; крайне низкое полное отражение в видимомдиапазоне спектра в слоях нанонитей может быть использовано в фотовольтаике дляповышения эффективности солнечных батарей; наличие видимой фотолюминесценцииисследованных кремниевых наноструктур может быть использовано в биомедицине длялюминесцентной диагностики тканей и клеток.На защиту выносятся следующие основные результаты и положения:1.
Немонотонная зависимость коэффициента полного отражения света в области от 400до 1000 нм от длины кремниевых нанонитей объясняется перераспределением интенсивностейзеркальной и диффузной компонент отражения, при котором диффузная компонента начинаетдоминировать для нанонитей длиной более 2 мкм.2. Логарифмическая зависимость интенсивностей комбинационного и упругогорассеяния слабо поглощаемого света от толщины слоя кремниевых нанонитей объясняетсяослаблением вкладов актов рассеяния вследствие ухода части излучения в переднююполусферу.3.
Рост эффективности линейных и нелинейных оптических процессов, включающихспонтанное комбинационное рассеяние света, когерентное антистоксово рассеяние и генерациютретьей гармоники в ансамблях кремниевых нанонитей, объясняется увеличением временивзаимодействия света с веществом в результате многократного отражения от стенок нанонитей.4. Увеличение интенсивности межзонной фотолюминесценции в спектральной области1100-1200 нм в слоях кремниевых нанонитей по сравнению с исходными подложкамикристаллического кремния, связано с ростом эффективности поглощения возбуждающегоизлучениявусловияхегосильногорассеянияинизкойскоростиповерхностнойбезызлучательной рекомбинации в нанонитях.Апробация работы.Материалы, вошедшие в диссертацию, неоднократно докладывались на российских имеждународных конференциях: Конференция Ломоносов (Москва, Россия, 2010), Волны(Звенигород, Россия, 2010), ICONO (Казань, Россия, 2010), ALT (Золотые пески, Болгария,2011), Полупроводники (Нижний Новгород, Россия, 2011), Нанобиотехнологии: проблемы иперспективы (Белгород, Россия 2011), Волны (Звенигород, Россия, 2012), EMRS spring meeting(Страсбург, Франция, 2013), Оптика (Санкт-Петербург, Россия, 2013), PSST (АликантеБенидорм, Испания, 2014), Волны (Можайск, Россия, 2014).Материалы диссертации опубликованы в 20 печатных работах, в том числе в 7 статьях врецензируемых журналах и 13 публикациях в сборниках трудов международных и российских7конференций.
Представленные в диссертации результаты достаточно полно отражены вследующих статьях:1.Гончар К. А., Головань Л. А., Тимошенко В. Ю., Сиваков В. А., Кристиансен С.Эффекты локализации света при фотолюминесценции и комбинационном рассеянии вкремниевых наноструктурах // Известия РАН. Серия физическая. 2010. Т. 74, № 12.С. 1782-1784.2.Timoshenko V. Yu., Gonchar K.
A., Golovan L. A., Efimova A. I., Sivakov V. A.,Dellith A., Christiansen S. H. Photoluminescence and Raman scattering in arrays of siliconnanowires // J. Nanoelectronics and Optoelectronics. 2011. Vol. 6, no 4. Pp. 519–524.3.Golovan L. A., Gonchar K. A., Osminkina L.
A., Timoshenko V. Yu., Petrov G. I.,Yakovlev V. V. Coherent anti-Stokes Raman scattering in silicon nanowire ensembles // Laser Phys.Lett. 2012. Vol. 9, no 2. Pp. 145-150.4.Osminkina L. A., Gonchar K. A., Marshov V. S., Bunkov K. V., Petrov D. V.,Golovan L. A., Sivakov V. A., Timoshenko V. Yu. Optical properties of silicon nanowire arraysformed by metal-assisted chemical etching: evidences for light localization effect // NanoscaleResearch Letters. 2012. Vol.
7. P. 524.5.Gonchar K. A., Osminkina L. A., Galkin R. A., Gongalsky M. B., Marshov V. S.,Timoshenko V. Yu., Kulmas M. N., Solovyev V. V., Kudryavtsev A. A., Sivakov V. A. Growth,structure and optical properties of silicon nanowires formed by metal-assisted chemical etching //J. Nanoelectronics and Optoelectronics. 2012. Vol. 7, no. 6. Pp. 602-606.6.Буньков К. В., Головань Л. А., Гончар К.
А., Тимошенко В. Ю., Кашкаров П. К.,Kulmas M., Sivakov V. Зависимость эффективности комбинационного рассеяния света вансамблях кремниевых нанонитей от длины волны возбуждения // ФТП. 2013. Т. 47, №3.С. 329-333.7.Гончар К. А., Осминкина Л. А., Сиваков В., Лысенко В., Тимошенко В. Ю.Оптические свойства нитевидных наноструктур, полученных металл-стимулированнымхимическим травлением пластин слабо легированного кристаллического кремния // ФТП. 2014.Т. 48, №12. С. 70-75.Личный вклад автора заключается в выборе объектов исследования, проведенииизмерений и интерпретации полученных результатов.
Содержание диссертации и основныеположения, выносимые на защиту, отражают персональный вклад автора в опубликованныеработы. Подготовка к публикации полученных результатов проводилась совместно ссоавторами, причём вклад диссертанта был определяющим.8Структура и объём диссертацииДиссертация состоит из введения, трёх глав, в первой из которых представлен обзорлитературы по теме диссертации, во второй представлены методики экспериментов, а в третьейпредставлены экспериментальные результаты, заключения и библиографии.
Общий объёмдиссертации 120 страниц, из них 108 страниц текста, включающих 81 рисунок и 9 таблиц.Библиография содержит 164 наименования на 12 страницах.91. Оптические свойства кремниевых нанонитей (обзор литературы)1.1. Функция диэлектрической проницаемости и оптические свойства кремнияВ последние годы наблюдается устойчивый интерес к изучению кремниевыхнаноструктур, в том числе нанонитей с диаметром 100-200 нм, которые могут найти самоеширокое применение в оптоэлектронике, фотонике, фотовольтаике и сенсорике [1-7].Преимуществами кремниевых технологий являются большое распространение материала, егонетоксичность, а также наличие большой промышленной инфраструктуры, что можетобъяснить низкую стоимость производства/обработки и большие масштабы производства.Ансамбли КНН обладают оптическими свойствами, в значительной степени отличными отсвойств объемного кристаллического кремния (c-Si).
Это связано с тем, что поперечныеразмеры нанонитей, как правило, меньше или сравнимы, чем длина волны видимого света.Из-за этого в кремниевых наноструктурах может наблюдаться сильное рассеяние света за счётбольшого значения диэлектрической проницаемости кремния. Стоит напомнить основныеоптические свойства c-Si. У нелегированного c-Si при комнатной температуре в области нижекрая запрещённой зоны (Eg0 = 1,12 эВ) действительная часть диэлектрическая проницаемостьε ≈ 11,7, а мнимая часть близка к нулю (рис. 1.1) [8].
При этом при увеличении энергии иприближении к прямому межзонному переходу в c-Si (E0 = 3.4 эВ) значение диэлектрическойпроницаемости возрастает и достигает значений приблизительно равных 45 и 28 длядействительной и мнимой части, соответственно.E0Eg0Рис. 1.1. (а) Действительная (синяя кривая) и мнимая (красная кривая) части диэлектрическойпроницаемость c-Si при комнатной температуре[8].У показателя преломления значение действительной части ниже края запрещённой зоныn ≈ 3,42, а мнимая часть близка к нулю (рис. 1.2а) [9]. При этом при приближении к прямому10межзонному переходу в c-Si значения показателя преломления увеличивается до 7 и 5 длядействительной и мнимой части, соответственно.Спектры отражения c-Si в диапазоне 200-1000 нм представлен на рис.
1.2б [9].Отражение от кремния составляет ~30% и начинает возрастать при приближении к прямомумежзонному переходу в c-Si, которому соответствуют пики на длинах волн 280 и 370 нм.E0(а)Eg0(б)E0Рис. 1.2. (а) Действительная (синяя кривая) и мнимая (красная кривая) части коэффициентаотражения c-Si при комнатной температуре, (б) коэффициент отражения c-Si [9].Что касается поглощения, то при энергиях меньше края запрещённой зоны (длина волны(λ) > 1100 нм) коэффициент поглощения α < 1 см-1 и весь свет поглощается в слое толщиной L >1 см, а так как толщина пластин c-Si составляет около 300-500 мкм, то этот слой можно считатьпрозрачным для света с λ > 1100 нм. С уменьшением длины волны (λ < 1100 нм) α начинаетувеличиваться, и свет поглощается в слое меньшей толщины. Так, к примеру, свет с λ = 1000 нмпоглощается в слое c-Si толщиной 100 мкм, а свет с λ = 400 нм поглощается в слое c-Si11толщиной 10 нм.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
