Содержание к диссертации
Введение
1. Микроструктурированные материалы 11
1.1 Микроструктурированные материалы в современной науке и технике 11
1.2 Методы создания тонких пленок 15
1.3 Импульсное лазерное осаждение тонких пленок 17
1.3.1 Материалы для получения пленок методом ИЛО . . . 17
1.3.2 Лазерные источники для ИЛО 18
1.4 Халькогенидные стеклообразные тонкие пленки 21
1.5 Фотоиндуцированные изменения в тонкопленочных структурах ХГС 23
1.6 Кристаллические плепки ІлІЧЬОз 27
1.7 Выводы 31
2 Экспериментальные установки 33
2.1 Экспериментальная установка по импульсному лазерному осаждению 33
2.1.1 Оптическая схема установки по импульсному лазерному осаждению 33
2.1.2 Вакуумная схема установки по импульсному лазерному осаждению 35
2.2 Методы и оборудование по исследованию структуры 36
2.2.1 Комбинационное рассеяние света 36
2.2.2 Рентгеновская дифрактометрия 41
2.3 Методы и оборудование по исследованию оптических свойств 42
2.3.1 Спектроскопия поглощения и отражения 42
2.3.2 Измерение показателя преломления 44
2.4 Выводы 48
3. Импульсное лазерное осаждение стеклообразных пленок 50
3.1 Исследование свойств мишени состава 15(Ga2S3) - 85(GeS2) для импульсного лазерного осаждения 50
3.2 Импульсное лазерное осаждение стеклообразных халькоге-
нидных пленок 52
3.2.1 Образование дефектов в пленках при импульсном лазерном осаждении 53
3.2.2 Исследование структуры халькогенидных стеклообразных пленок 57
3.2.3 Оптические свойства халькогенидных пленок 61
3.2.4 Фотоиндуцированные изменения в пленках ХГС ... 64
3.3 Выводы 70
4. Импульсное лазерное осаждение кристаллических пленок 72
4.1 Исследование свойств мишени состава для импульс ного лазерного осаждения 72
4.2 Импульсное лазерное осаждение LiNbOg:Fe тонких пленок . 75
4.2.1 Напыление на аморфную SiC>2 подложку 75
4.2.2 Напыление на Si (111) подложку 77
4.3 Выводы 84
Основные результаты и выводы 85
Литература 91
- Микроструктурированные материалы в современной науке и технике
- Экспериментальная установка по импульсному лазерному осаждению
- Исследование свойств мишени состава 15(Ga2S3) - 85(GeS2) для импульсного лазерного осаждения
- Исследование свойств мишени состава для импульс ного лазерного осаждения
Введение к работе
Актуальность темы
Микроструктурированные оптические материалы представляют собой широкий класс оптических диэлектриков и полупроводников, стекол и кристаллов, на основе которых построена элементная база интегральной оптики. Хорошо изучены и широко применяются в интегральной оптике планарные волноводы, разветвители, источники оптического излучения (планарные лазеры), усилители, линзы и т.д. Все большую популярность обретают оптические планарные микрочипы, на основе которых создаются датчики изменения давления, селективного обнаружения элементов в атмосфере. Интересным и многообещающим представляется развитие химических и биологических микро-лабораторий на основе планарных интегральных оптических схем.
В последние годы одними из наиболее интересных и важных областей знания в области физики, химии, биологии и медицины являются нанотехнологии, открывающие принципиально новые возможности применения известных и, казалось бы, уже давно хорошо изученных веществ. Связующим звеном, объединяющим макромир и наночастицы, выступают микроструктурированные материалы, в которые и осуществляется интеграция наноразмерных источников оптического излучения, нано-детекторов, нано-сенсоров.
Микроструктурированные материалы широко используются в современной науке и технике. Поэтому актуальными задачами на сегодняшний день являются как разработка новых видов оптических стекол и кристаллов, так и разработка и усовершенствование методов создания и новых, и достаточно хорошо изученных микроструктурированных материалов. Среди различных типов микроструктурированных материалов широкое применение в исследовательских работах получили тонкие пленки. Одним из наиболее привлекательных методов создания тонких пленок
представляется импульсное лазерное осаждение (ИЛО). Метод широко известен и достаточно хорошо изучен, чтобы рекомендовать его для создания сложных многокомпонентных многослойных тонкопленочных структур. Однако, учитывая широкие возможности управления процессом напыления пленок, а так же многообразие оптических материалов, необходим систематический подход к вопросу о создании различных микроструктурированных материалов методом импульсного лазерного осаждения.
Цель и задачи диссертационной работы
Целью настоящей диссертационной работы являлось развитие метода создания многокомпонентных микроструктурированных стеклообразных и кристаллических оптических материалов методом импульсного лазерного осаждения. Исследование оптических свойств полученных стеклообразных и кристаллических пленок.
В соответствии с указанной целью исследования поставлены следующие задачи:
Развить метод импульсного лазерного осаждения для создания многокомпонентных стеклообразных тонких пленок.
На основе полученного метода создать тонко пленочные структуры системы Ga-Ge-S и исследовать их оптические свойства.
Развить метод импульсного лазерного осаждения для создания многокомпонентных кристаллических тонких пленок.
На основе полученного метода создать тонко пленочные структуры на основе кристалла LiNbCbiFe и исследовать их оптические свойства.
Научная новизна
1. В диссертации впервые получены стеклообразные пленки системы Ga-Ge-S, химический состав которых идентичен составу мишени,
высокого оптического качества методом импульсного лазерного осаждения.
Показано, что при облучении стеклообразных халькогенидных пленок состава 15(Ga2S3)-85(GeS2) лазерным излучением в атмосфере кислорода происходит их окисление.
Впервые продемонстрирована возможность создания многокомпонентных ориентированных поликристаллических пленок состава LiNbCbiFe высокого оптического качества методом импульсного лазерного осаждения.
Практическая ценность
В настоящей работе развиты методы создания
микроструктурированных стеклообразных и кристаллических материалов импульсным лазерным осаждением. Предложено два типа материалов для оптической записи информации.
Защищаемые положения
Усовершенствован метод импульсного лазерного осаждения тонких пленок, что позволило решить проблемы неоднородности потока вещества, полученного в результате абляции, и формирования микроскопических капель вследствие взрывного характера лазерного испарения.
Получены тонкие пленки полупроводникового халькогенидного стекла системы Ga-Ge-S, химический состав которых идентичен составу мишени, методом импульсного лазерного осаждения.
Обнаружен эффект модификации структуры и изменения оптических свойств полученных стеклообразных пленок под воздействием лазерного излучения при нормальных атмосферных условиях. Показано, что в результате модификации структуры сульфидная
матрица стекла становится оксидно-сульфидной, показатель преломления уменьшается на 0.3, положение края оптического поглощения смещается в сторону УФ длин волн на 100 нм. 4. Показана возможность использования метода импульсного лазерного осаждения для формирования ориентированных поликристаллических оксидных пленок на основе LiNbCbiFe.
Апробация работы
Результаты работы докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях:
На международной конференции «First International Conference on Laser Optics for Young Scientists» (Санкт-Петербург, Россия, 2000 г.);
всероссийской конференции «2 всероссийская молодежная конференция по физике полупроводников и полупроводниковой опто-и наноэлектронике» (Санкт-Петербург, Россия, 2000 г.);
всероссийской конференции «7 Всероссийская научная конференция студентов-физиков» (Санкт-Петербург, Россия, 2001 г.);
международной конференции «International Conference for Young Scientists and Engineers IQEC/LAT-YS» (Москва, Россия, 2002 г.);
международной конференции «13 international symposium on non-oxide glasses and new optical glasses» (Пардубице, Чешская Республика, 2002
г.);
международной конференции «Tulip Graduate School Modern Developments in Spectroscopy» (Нурдвайг, Голландия, 2003 г.);
международной конференции «2 International Conference on Laser Optics for Young Scientists» (Санкт-Петербург, Россия, 2003 г.);
международной конференции «Third Russian-French Laser Symposium» (Москва, Россия, 2003 г.);
международной конференции «The 5th Italian-Russian Laser Symposium» (Санкт-Петербург, Россия, 2003 г.);
международной конференции «First Russian-French Laser Physics Workshop for Young Science» (Санкт-Петербург, Россия, 2004 г.);
международной конференции «3d International Symposium on Ultrafast Intense Laser Science» (Палермо, Италия, 2004 г.);
международной конференции «ICONO/LAT School for Young Scientists» (Санкт-Петербург, Россия, 2005 г.).
По теме диссертации опубликованы 5 статей и 12 тезисов докладов.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных результатов и выводов и списка литературы из 140 наименований. Общий объем диссертации 102 страницы машинописного текста, включая 43 рисунка и 9 таблиц.
Микроструктурированные материалы в современной науке и технике
В настоящее время интегральная оптика является одним из широко и полно изученных направлений в современной технике. Разработаны и реализованы все элементные аналоги полупроводниковых интегральных микросхем. Это проводники: оптические микро-волноводы; элементы управления сигналом: ключи, переключатели, соединители, разветвители; оптическая память; оптический процессор и др. Базируется все это многообразие элементов интегральной оптики на оптических микроструктурированных материалах, которые представляют собой одно-, двух- и трехмерные структуры микронного и субмикронного размера.
Оптические технологии могут быть применены в процессе создания электронных систем с целью интеграции оптической связи и получения гибридных микрочигюв /1/. В последние несколько лет широкий резонанс в научных кругах получила новая ветвь высоких технологий - нанотехно-логия. Уникальные свойства наноматериалов и микроструктурированных материалов стало толчком к развитию нового направления под названием "плазмоника"
Экспериментальная установка по импульсному лазерному осаждению
Оптическая схема представлена на Рис. 2.2. Особенностью представленной схемы является возможность напыления тонких пленок на нагретую подложку с использованием лазерного нагрева. Главным преимуществом оптического нагрева является отсутствие механического контакта между нагревательным элементом и подложкой, что значительно упрощает задачу вращения подложки, если такая задача ставится. Выбор источника лазерного излучения для нагрева подложки основывается на оптических свойствах подложки для достижения эффективного поглощения оптического излучения и, как следствие, эффективного нагрева. В представленной работе для лазерного нагрева монокристаллических кремниевых подложек использовался АИГ:неодим лазер с длиной волны генерации 1064 нм (режим генерации - непрерывный, мощность оптического излучения 0 - 32 Вт).
В качестве базового генератора для лазерной абляции в установке использовался импульсный Хе-С1 эксимерный лазер (длина волны излучения 308 нм, длительность импульса 20 не, энергия импульса 10-15 мДж).
Лазерное излучение при помощи кварцевой линзы фокусируется на поверхность мишени. При мощности импульса, превышающей порог абляции материала мишени, возникает поток испаренного вещества нормально к поверхности мишени. Угол падения лазерного луча по отношению к поверхности мишени составляет 45.
Исследование свойств мишени состава 15(Ga2S3) - 85(GeS2) для импульсного лазерного осаждения
Основные параметры стекол состава 15(Ga2Ss) - 85(GeS2): оптическая область прозрачности 450 — 12000 нм, показатель преломления равен 2, максимальная энергия фоногюв 450 см-1 /А1-А9/.
Структура стекол состава 15(Ga2Ss) - 85(GeS2) относительно хорошо изучена. Основными структурными единицами являются тетраэдры GeS4 и GaS4, которые через связи S-S формирует 3D решетку. Атомные массы Ga и Ge близки и на спектрах комбинационного рассеяния линии, соответствующие колебаниям этих атомов, не разрешаются. Поэтому, для простоты изложения, в дальнейшем будут описываться только колебания атомов Ge, считая что для атомов Ga результаты аналогичны.
Спектр КРС халькогенидного стекла состава 15(Ga2S3) - 85(GeSa) представлен на Рис. 3.1. Спектр включает четыре основные линии, соответствующие четырем основным колебаниям тетраэдра GeS Pnc. 3.2). Самый высокоинтеисивный пик 360 см соответствует симметричным колебани ям тетраэдральных структурных еденид (Рис. 3.2 а). Три другие линии с максимумами 135, 410 и 170 см -1 связаны соответственно с симметричны ми деформационными (Рис. 3.2 б), антисимметричными растягивающими (Рис. 3.2 в) и антисимметричными деформационными (Рис. 3.2 г) колеба ниями /109/.
Исследование свойств мишени состава для импульс ного лазерного осаждения
На основе монокристаллов ниобата лития, легированного железом, создаются элементы для голографической записи информации. Развитие метода ИЛО для получения пленок LiNKVFe позволит получить новый фоточувствительный материал для интегральной оптики. Для получения кристаллических микроструктурированных материалов методом импульсного лазерного напыления в настоящей работе использовались монокристаллы LiNbCVFe конгруэнтного состава. Концентрация легирующего элемента Fe составляет 0.1 % мол.
