Фотонные среды на основе нано- и микроструктурированного кремния (1105154)

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

Текст из файла

На правах рукописиЗаботнов Станислав ВасильевичФОТОННЫЕ СРЕДЫ НА ОСНОВЕ НАНО- ИМИКРОСТРУКТУРИРОВАННОГО КРЕМНИЯСпециальность 01.04.21 − лазерная физикаАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква – 2006Работа выполнена на физическом факультете Московского государственногоуниверситета им. М.В. ЛомоносоваНаучный руководитель:доктор физико-математических наук,профессор Кашкаров Павел КонстантиновичОфициальные оппоненты:доктор физико-математических наук,профессор Емельянов Владимир Ильич;кандидат физико-математических наукИванов Анатолий АлександровичВедущая организация:Институт общей физикиим. А.М. Прохорова РАНЗащита состоится “” мая 2006 года в _____часов на заседаниидиссертационного совета Д 501.001.31 в Московском государственномуниверситете им.

М.В. Ломоносова по адресу: 119992 ГСП-2 Москва,Ленинские горы, МГУ им. М.В. Ломоносова, корпус нелинейной оптики,аудитория им. С.А. АхмановаС диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультетаМГУ им. М.В. Ломоносова.Автореферат разослан “____” апреля 2006 годаУченый секретарьдиссертационного совета Д 501.001.31кандидат физико-математических наукдоцентТ.М. Ильинова2ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальностьтемыпредставленныхисследованийобусловленашироким применением кремниевых нано- и микроструктур в современныхоптоэлектронных технологиях.

Монокристаллический кремний (КК) являетсяосновным материалом современной микроэлектроники. Массовое содержаниекремния в земной коре составляет 29.5%, что обуславливает безусловнуюэкономическую выгоду его промышленного использования. В настоящее времяпрекрасно развиты технологические методы обработки кремния. Однакостремительнопроисходящаяминиатюризациякомпонентсовременныхинтегральных схем и оптических систем требует нахождения новых путейформирования низкоразмерных кремниевых структур, что в свою очередьстимулирует многочисленные научные исследования в этой области.В частности, электронные и оптические свойства монокристаллическогокремния могут быть изменены в результате электрохимического травления,посредством которого формируется пористый кремний (ПК) – среда, состоящаяиз нанокристаллов и пор размером от единиц до сотен нанометров.

К числупреимуществ данного метода следует отнести быстроту и контролируемостьпроцесса,атакжеегоэлектрохимическогоневысокуютравлениястоимость.чувствителенкПомимоэтогометодкристаллографическойориентации поверхности и уровню легирования кремниевой подложки, чтопозволяетуправлятьпространственнымрасположениемиразмерамикремниевых нанокристаллов и пор и создавать среды, в которых могут бытьдостигнуты большая величина искусственной оптической анизотропии и (или)усиление локального поля в наночастицах. Эти механизмы могут бытьиспользованы для создания новых фотонных сред, позволяющих управлятьполяризациейсвета,атакжекомпактныхнелинейно-оптическихпреобразователей частоты.Еще одним способом нано- и микроструктурирования кремния являетсяоблучение его поверхности лазерными импульсами.

При этом наиболеепредпочтительнымявляетсяобработка3фемтосекунднымизлучением.Благодаря высокой энергии в импульсе длительностью меньшей временитермализации носителей заряда вещества реализуется процесс абляциивещества с переходом в плазму и газообразную фазу, минуя жидкий расплав. Врезультате такого процесса становится возможной обработка поверхности смикронной и даже субмикронной точностью и минимальным термическимразрушением материала. При этом оптические свойства поверхности такжемогут быть существенно изменены.

Однако детали данного явления внастоящее время недостаточно освещены в литературе.Цель работы – получение и исследование новых фотонных сред наоснове кремниевых нано- и микроструктур: реализация наиболее эффективногопреобразования энергии лазерного излучения в третью оптическую гармоникув слоях анизотропного мезопористого кремния; оптическая и нелинейнооптическая диагностика поверхности кремния, облученной фемтосекунднымилазерными импульсами.В работе были поставлены следующие задачи:1.Провестикомплексноеисследованиеоптическихсвойствслоевдвулучепреломляющего пористого кремния.

Учесть влияние пористости,формы и размеров нанокристаллов и пор на проявление эффектовлокального поля в исследуемых структурах.2.Методомгенерациитретьейнелинейно-оптическуюоптическойдиагностикуобъемагармоникиосуществитьдвулучепреломляющегопористого кремния. Провести по экспериментальным данным анализструктуры тензора нелинейной восприимчивости третьего порядка.3.Реализовать режимы эффективного преобразования лазерного излучения втретью гармонику в анизотропно наноструктурированном мезопористомкремнии в условиях фазового согласования и локализации света.4.Исследоватьструктуруоблученнойфемтосекунднымилазернымиимпульсами кремниевой поверхности и описать оптический и нелинейнооптический отклик от нее.4Для решения поставленных задач был применен комплекс различныхметодов исследования, включающий измерение спектров пропускания иотражения света в тонких пленках, генерацию третьей оптической гармоники(ГТГ),растровуюспектроскопиюэлектроннуюикомбинационногоатомно-силовуюрассеяниямикроскопию,(КР)света,фотолюминесценцентную (ФЛ) спектроскопию.Достоверность полученных результатов обеспечена применениемнаборавзаимно-дополняющихэкспериментальныхметодик,детальнымрассмотрением физических явлений и процессов, определяющих линейные инелинейные оптические свойства исследуемых низкоразмерных сред.

Взначительной степени достоверность полученных результатов определяетсяхорошим согласием между результатами расчетов и многочисленнымиэкспериментами.Автор защищает:1.Новые экспериментальные данные о влиянии размеров нанокристаллов ипор ПК на его линейные и нелинейные оптические свойства и их анализ врамках приближения эффективной среды с учетом электродинамическихпоправок на локальные поля в исследуемых наноструктурах.2.Вывод о модификации тензора нелинейной восприимчивости третьегопорядка в двулучепреломляющих слоях ПК с ориентацией поверхности(100).3.Экспериментальнуювозможностьсинхроннойгенерациитретьейоптической гармоники в ПК с сильным двулучепреломлением формы.4.Экспериментально зарегистрированное увеличение интенсивности сигналатретьей оптической гармоники из мезопористого кремния более чем напорядок по сравнению с монокристаллическим кремнием вследствиепроявления эффектов слабой локализации света.5.Новые данные о формировании нано- и микроструктур на поверхностикремния при ее облучении фемтосекундными лазерными импульсами.56.Вывод о доминирующем влиянии локальных полей в кремниевыхповерхностных структурах, полученных при фемтосекундном облучении,на сигнал третьей гармоники от них.Научная новизна результатов, полученных в диссертации:1.Рассчитаныдинамическиепоправкиналокальноеполедлямезоскопических структур с анизотропией формы.

С помощью моделиэффективной среды в рамках электродинамического приближения описаноповедениедисперсионныхзависимостейанизотропныхобразцовнаноструктурированного кремния различной пористости.2.ПроведенанализструктурывосприимчивостиЭкспериментальнотензораанизотропновпроцессенелинейнойкубичнойнаноструктурированногоГТГзарегистрированоПК.изменениесоотношения компонент тензора по сравнению с соответствующимикомпонентами для КК.3.Реализован режим фазовосогласованной ГТГ в слоях анизотропного ПК.4.Зарегистрировано увеличение интенсивности сигнала третьей гармоники ввысокопористых слоях ПК более чем на порядок по сравнению с КК. Ростэффективности ГТГ обусловлен эффектами слабой локализации света вмезоскопических порах и нанокристаллах кремния.5.На поверхности кремния в процессе облучения фемтосекунднымилазерными импульсами большой интенсивности помимо поверхностныхрешеток,обусловленныхинтерференциейпадающейирассеяннойэлектромагнитных волн, впервые получены наноагломераты высотой от1 нм до 20 нм.

Зарегистрирован вклад поверхностных наноструктур всигналы КР и ФЛ.6.Методом ГТГ осуществлена диагностика in-situ процесса образованияповерхностных кремниевых решеток, возникающих при облучениифемтосекундными лазерными импульсами. Зарегистрировано влияниераспределения локальных полей в решетке на нелинейно-оптическийотклик облученной поверхности.6Практическая ценность работы состоит в разработке принциповформирования новых сред для фотоники и нелинейной оптики и исследованииих оптических свойств. Слои ПК с большой искусственной оптическойанизотропией могут быть использованы в качестве компактных фазовыхпластин и преобразователей частоты при выполнении в них условий фазовогосинхронизма.

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.

Список файлов диссертации