Влияние структурных характеристик пористых полупроводников и диэлектриков на их оптические свойства
На правах рукописи
Головань Леонид Анатольевич ВЛИЯНИЕ СТРУКТУРНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПОРИСТЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВ И ДИЭЛЕКТРИКОВ НА ИХ ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА Специальность: 01.04.21 лазерная физика
Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физико–математических наук
Москва 2008
Работа выполнена на физическом факультете Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова
Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор Емельянов Владимир Ильич доктор физико-математических наук, член-корреспондент РАН, профессор Конов Виталий Иванович доктор физико-математических наук Фёдоров Анатолий Валентинович
Ведущая организация: Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН
Защита состоится 17 апреля 2008 г. в 16.00 час. на заседании диссертационного совета Д 501.001.31 при Московском государственном университете им. М.В. Ломоносова по адресу: 119991 ГСП-1 Москва, Ленинские горы, МГУ им. М.В. Ломоносова, физический факультет, Корпус нелинейной оптики, аудитория им. С.А. Ахманова.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического фа культета МГУ им. М.В. Ломоносова.
Автореферат разослан " " 2008 г.
Ученый секретарь диссертационного совета Д 501.001.31 Т.М. Ильинова
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Возрастающие потребности в передаче дан ных требуют создания новых приборов и устройств, позволяющих в ши роком спектральном диапазоне осуществлять быстрое переключение и изменять частоту сигнала. Дальнейшее развитие таких систем в основ ном определяется возможностью генерировать, переключать и детек тировать оптический сигнал, используя нелинейно-оптические процес сы. С другой стороны, современные телекоммуникационные технологии требуют миниатюризации устройств для управления распространени ем изучения. Однако большинство имеющихся на сегодня нелинейно оптических кристаллов обладают либо сравнительно малой нелиней ной восприимчивостью, но при этом в них возможна большая длина нелинейно-оптического взаимодействия, например за счёт фазового со гласования процесса, либо, наоборот, при большой нелинейной воспри имчивости длина взаимодействия очень мала и зачастую ограничена несколькими длинами волн. В связи с этим встает необходимость в раз витии новых подходов, которые приведут к формированию новых искус ственных материалов на основе наноструктур, позволяющих сочетать высокую нелинейную восприимчивость с большой длиной взаимодей ствия.
Получение и исследование новых материалов с требуемыми структур ными и оптическими свойствами представляет собой актуальную зада чу современной лазерной физики, решаемую методами нанотехнологии.
Для этого тем или иным способом проводится сборка“ нанокристаллов ” или нанокластеров, электронные и оптические свойства которых опреде ляются их размером и формой. Оптические свойства ансамбля наноча стиц будут определяться не только взаимодействием между атомами, но и взаимным расположением нанокластеров, а также их объемной долей.
Важным примером таких сред являются пористые полупроводниковые и диэлектрические материалы, образующиеся в результате процесса элек трохимического травления. Они представляют собой нанокомпозитные среды, образованные пустотами в объеме (порами) и оставшимися после удаления части материала нанокристаллами полупроводника или нано кластерами диэлектрика.
Все вышесказанное объясняет необходимость детального изучения оптических свойств пористых полупроводников и диэлектриков. Ука занные материалы, как свидетельствуют результаты недавних иссле дований, могут обладать высокой эффективной нелинейной восприим чивостью и позволяют осуществить фазовое согласование нелинейно оптических процессов. Широкое применение могут найти и линейные оптические свойства пористых сред, например двулучепреломление фор мы. Надо отметить, что важным достоинством устройств на основе по ристых полупроводников является возможность легко интегрировать их с существующими полупроводниковыми оптическими и электронными элементами.
С фундаментальной точки зрения пористые полупроводники и ди электрики, структурные параметры которых можно варьировать в ши роких пределах, меняя режимы их изготовления, являются хороши ми модельными объектами для изучения электродинамики нанокомпо зитных сред, в частности исследования влияния таких факторов как квантово-размерный эффект, адсорбция молекул и эффекты локального поля на оптические свойства наносистем. В рамках настоящей работы основное внимание уделяется проявлениям эффектов локальных полей и исследованию возможностей управления с их помощью фотонными свойствами пористых полупроводников и диэлектриков.
Цели диссертационной работы заключались в следующем:
установить взаимосвязь микроструктуры пористых полупроводни ков и диэлектриков с их оптическими свойствами;
исследовать нелинейно-оптические процессы второго и третьего по рядка в пористых полупроводниках и диэлектриках с различными структурными характеристиками.
Для достижения этих целей были поставлены и решались следующие конкретные задачи:
1) разработка методов формирования пористых полупроводников и диэлектриков, а также структур на их основе;
2) изучение влияния структуры пористых полупроводников на их ли нейные оптические свойства, в частности на величины эффективно го показателя преломления и двулучепреломления для оптически однородных сред и длину свободного пробега фотона для рассеива ющих сред;
3) развитие теоретического подхода, позволяющего описать двулуче преломление формы в пористых полупроводниках и диэлектриках;
4) исследования возможности увеличения длин нелинейно-оптических взаимодействий за счёт достижения фазового синхронизма в пори стых полупроводниках с двулучепреломлением формы;
5) определение модификации тензора эффективной нелинейной вос приимчивости пористых полупроводников и диэлектриков и уста новление связи компонент тензора со структурными параметрами пористых слоев;
6) изучение особенностей трех- и четырехволновых взаимодействий в многослойных периодических структурах на основе пористых полу проводников;
7) исследование нелинейно-оптических процессов в оптически неодно родных пористых полупроводниках, обладающих сильным рассея нием света.
В настоящей работе в качестве объектов исследования рассмат риваются такие полупроводниковые материалы, как пористый кремний (ПК) и пористый фосфид галлия (ПФГ), а также диэлектрические сре ды, такие, как окисленный пористый кремний (ОПК) и пористый оксид алюминия (ПОА). Данные материалы составляют бльшую часть пори o стых сред, представляющих интерес для фотоники. Важно отметить, что они допускают варьирование как структурных, так и оптических пара метров в широких пределах. Так, в зависимости от материала и условий формирования размеры пор и нанокластеров составляют от единиц на нометров до долей микрометра.
Для решения поставленных задач использовались разнообразные экс периментальные и теоретические методы. Образцы пористых ма териалов и структур на их основе формировались посредством хими ческого и электрохимического травления. Исследование структурных свойств полученных объектов проводилось методами просвечивающей и растровой электронной микроскопии, атомно-силовой микроскопии, рентгеновской дифракции. Оптические свойства изготовленных слоев пористых материалов изучались методами спектроскопии видимого и инфракрасного диапазонов, генерации второй и третьей оптических гар моник, когерентного антистоксова рассеяния света. Эксперименты вы полнялись с использованием наносекундных и пикосекундных лазерных систем на основе кристаллов Nd:YAG, Nd:YVO4, фемтосекундной ла зерной системы на основе кристалла Cr:форстерита, параметрическо го генератора света и волоконно-оптического генератора континуума.
Для описания оптических свойств пористых материалов использовались теоретические модели, основанные как на статическом, так и на дина мическом приближениях эффективной среды. Выполненный в работе теоретический анализ нелинейно-оптических процессов основан на ре шении волнового уравнения с нелинейным источником в приближении медленно меняющихся амплитуд.
Достоверность и обоснованность полученных в работе резуль татов определяется использованием комплекса как структурных, так и оптических экспериментальных методов исследования, а также сопостав лением данных эксперимента с выводами теоретического рассмотрения и численного моделирования изучаемых процессов.
Научная новизна работы заключается в получении фундаменталь ной информации о взаимосвязи структурных свойств пористых полу проводников и диэлектриков, их линейных и нелинейных оптических свойств, а также в разработке физических моделей для их описания.
1. Впервые в широком спектральном диапазоне проведено детальное исследование явления двулучепреломления формы в пористых по лупроводниках и диэлектриках.
2. Предложена новая модель для описания эффективной диэлектри ческой проницаемости пористых полупроводников и диэлектриков, учитывающая анизотропию формы пор и нанокластеров вещества, а также их размеры и эффект динамической деполяризации.
3. Впервые продемонстрирована возможность фазового согласования процессов генерации второй и третьей оптических гармоник в пори стых полупроводниках, обладающих двулучепреломлением формы, и изучено влияние заполнения пор прозрачными диэлектрическими средами на эффективность данных процессов.
4. Впервые экспериментально и теоретически проведен анализ струк туры тензора нелинейной кубической восприимчивости двулучепре ломляющего ПК, зарегистрирован рост сигнала третьей гармоники в высокопористых слоях ПК более, чем на порядок по сравнению с кристаллическим кремнием, и показана неприменимость электро статической модели эффективной среды для описания нелинейно оптических свойств мезопористых полупроводников.
5. Впервые детально исследовано усиление эффективности генерации второй и третьей гармоник и суммарной частоты в ПФГ, в том чис ле в зависимости от длины волны, пористости и длины свободного пробега фотона в пористом слое;
полученные результаты связаны с эффектами локализации света в пористой среде.
Практическая значимость исследования. Полученные в диссер тации результаты открывают возможности для развития новых методов преобразования частот и управления распространением лазерного излу чения на основе нелинейно-оптических явлений в пористых полупровод никах и диэлектриках. В частности, могут быть использованы:
1) фазовые пластинки, созданные на основе двулучепреломляющих по ристых полупроводников и диэлектриков, позволяющие интегриро вание с устройствами фотоники на основе кремния;
2) брэгговские зеркала и оптические фильтры на основе пористых по лупроводников и диэлектриков, которые могут работать в качестве сенсоров и в качестве спектрально- и поляризационно-селективных элементов;
3) двулучепреломляющие слои пористых полупроводников и диэлек триков, применяемые как матрицы для внедрения наночастиц ма териалов, обладающих высокой нелинейной восприимчивостью, или молекул с высокой гиперполяризуемостью, что позволит сформиро вать компактную по размерам нанокомпозитную среду для нелинейно оптического преобразования частоты с высокой эффективностью;
4) эффективные преобразователи частоты на основе мезо- и макропо ристых полупроводников.
Выполненные исследования поддержаны проектами Российского фон да фундаментальных исследований (проекты №№ 02-02-17259, 04-02 08083, 05-02-17035, 06-02-16960 и 07-02-96406), программами Министер ства образования и науки РФ, грантами Американского фонда научных исследований и разработок (Civilian Research and Development Foundation) (гранты RP2-2275 и RE2-2369). Часть работ проведена при поддержке Национального научного фонда США (National Science Foundation).
Научные положения и научные результаты, выносимые на защиту.
1) Обнаруженное явление двулучепреломления формы в пористых по лупроводниках и диэлектриках, обусловленное упорядоченным рас положением пор в пористом слое, и физическая модель, описываю щая данное явление в пористых полупроводниках и диэлектриках.
2) Обнаруженное фазовое согласование процессов генерации второй и третьей гармоник в ПК и ОПК и найденная возможность управлять им, заполняя поры диэлектрическими жидкостями.
3) Теоретически и экспериментально продемонстрированная модифи кация тензора эффективной кубической восприимчивости оптиче ски анизотропных ПК и ОПК по сравнению с кристаллическим кремнием и аморфным оксидом кремния.
4) Теоретическая модель для описания процессов генерации второй и третьей гармоник в пористых полупроводниках и диэлектриках, учитывающая модификацию тензора эффективной нелинейной вос приимчивости.
5) Обнаруженный рост эффективности процессов генерации второй и третьей оптических гармоник в мезопористом кремнии как по срав нению с микропористым, так и с кристаллическим кремнием.
6) Обнаруженное влияние эффекта слабой локализации света в ПФГ на эффективность нелинейно-оптических процессов.
Личный вклад автора в проведенное исследование. Личный вклад автора заключается в выборе объекта исследований, формули ровке цели и постановке задач работы, в том числе: формулировке ос новных идей развитых теоретических подходов и участии в реализации вычислений;
разработке методик формирования и определения опти ческих параметров пористых полупроводников и диэлектриков;
прове дении всех экспериментальных работ по измерению оптических харак теристик сформированных структур;
планировании и проведении всех нелинейно-оптических экспериментов, выполненных в ходе настоящей работы;
руководству или координации работ, включающих в себя исполь зование различных (прежде всего структурных) методик исследований, а также в анализе и обобщении полученных результатов.
Апробация работы проведена в ходе выступлений на российских и международных научных конференциях и симпозиумах, в том числе: E MRS Spring Meeting (Страсбург, 1993, 1999), II, IV и V итало-российских симпозиумах по сверхбыстрым процессам ITARUS (Москва, 1999, 2003, С.-Петербург, 2001), международных симпозиумах "Наноструктуры: фи зика и технология"(С.-Петербург, 1999, 2001), международных конфе ренциях "Advanced Laser Technology"(Потенца, 1999, Констанца, 2001, Рим – Фраскатти, 2004), II-V международных конференциях "Porous Semiconductors – Science and Technology"(Мадрид, 2000, Teнерифe, 2002, Кульера Валенсия, 2004, Ситжес Барселона, 2006), IX, X, XII, XIII, XIV международных симпозиумах по лазерной физике LPHYS (Бор до, 2000, Москва, 2001, 2003, Триест, 2004, Киото, 2005), международ ных конференциях по когерентной и нелинейной оптике ICONO (Минск, 2001, С.-Петербург, 2005, Минск, 2007), I российской конференции моло дых ученых по физическому материаловедению (Калуга, 2001), III меж дународной конференции по физике низкоразмерных структур PLDS- (Черноголовка, 2001), международной конференции молодых учёных и инженеров "Optics’01"(С.-Петербург, 2001), международной конферен ции по квантовой электронике (IQEC) (Москва, 2002), IX международ ной конференции по нелинейной оптике жидких и фоторефрактивных кристаллов (Алушта, 2002), международных конференциях по физике, химии и приложениям наноструктур Nanomeeting (Минск, 2003, 2007), IV Национальной конференции по применению рентгеновского, синхро тронного излучений, нейтронов и электронов для исследования матери алов РСНЭ-2003 (Москва 2003);
X конференции по комплексным средам и материалам Bianisotropics 2004 (Гент, 2004), совещании "Нанофото ника - 2004"(Н. Новгород, 2004), II и III международных конференци ях по матераловедению и физике конденсированного состояния (Киши нев, 2004, 2006), XX российской конференции по электронной микро скопии ЭМ’2004 (Черноголовка, 2004), X международной конференции "Физика диэлектриков"(С.-Петербург, 2004), международной конферен ции "Фундаментальные проблемы оптики - 2004"(С.-Петербург, 2004), конференциях по лазерам и электрооптике / конференции по кванто вой электронике и лазерной науке CLEO/QELS (Балтимор, 2005, 2007) и CLEO/Europe - IQEC (Мюнхен, 2007), международной конференции по функциональным материалам ICFM (Партенит, 2005, 2007), Ломоно совских чтениях (Москва, 2002, 2004, 2006).
Публикация результатов работы. Материалы диссертации опуб ликованы в 103 работах. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 35 статьях в ведущих рецензируемых журналах, из ко торых 27 статей (т.е. более 75% основных работ диссертанта) в жур налах, определенных Высшей аттестационной комиссией Минобрнауки РФ для публикации научных результатов диссертаций.
Структура и объем работы. В соответствии с поставленными це лями исследования, характером и объемом проведенной работы, диссер тация содержит введение, пять глав, заключение и список литературы.
Общий объем диссертации составляет 251 страницу машинописного тек ста, содержащие текст работы, 111 рисунков, 7 таблиц, список использо ванных источников на 26 страницах, содержащий 223 наименования.
КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформу лированы цели и конкретные задачи исследования, показана научная новизна и практическая значимость полученных результатов, изложены основные положения работы, выносимые на защиту.
Первая глава диссертации посвящена разработке методов формиро вания таких пористых полупроводников и диэлектриков, как ПК, ОПК, ПФГ, ПОА. На основании как анализа литературных данных, так и ори гинальных результатов, в работе предложены методы изготовления ука занных пористых материалов, а также фотонно-кристаллические струк тур на их основе. Дано определение пористости p = 1 /0, (1) где и 0 плотности пористого слоя и исходного материала соот ветственно. Изучены зависимости структурных параметров (пористости, размеров пор и нанокластеров, формы пор) от режимов травления и осо бенностей исходных материалов. Так, для ПК возможно формирование пор диаметром от 1 до 100 нм, для ПФГ от 50 до 1000 нм, для ПОА от до 500 нм. Используется следующая классификация пористых сред по размеру пор [1]: 1) микропористые – диаметр пор менее 2 нм, 2) мезопо ристые – диаметр пор свыше 2 нм, но менее 50 нм и 3) макропористые – диаметр пор свыше 50 нм.
Для формирования пористых сред применялся главным образом ме тод электрохимического травления кристаллических полупроводников и алюминиевой фольги. Для изготовления ПК использовались пластины кристаллического кремния, легированные бором, а в качестве электроли та применялись спиртовые растворы плавиковой кислоты. Размеры пор и остающихся после травления нанокристаллов кремния варьировались в пределах от единиц до сотен нанометров в зависимости от плотно сти тока травления, концентрации плавиковой кислоты в электролите и уровня легирования пластины. При обсуждении структурных особенно стей ПК подчеркивается преимущественная ориентация его пор вдоль кристаллографических осей 100 [2], а также рост упорядоченности пор с увеличением уровня легирования исходного кристалла кремния [3].
Для преодоления такого недостатка ПК, как непрозрачность в ви димой области спектра, ограничивающего его применение в оптике, в работе предлагается использовать окисленный пористый кремний, полу чаемый в результате термической обработки ПК. Приводятся сведения о режиме такой обработки, позволяющей формировать слои ОПК опти ческого качества, прозрачные в видимом спектральном диапазоне.
Пористый фосфид галлия формировался при электрохимическом трав лении пластин кристаллического фосфида галлия в плавиковой или сер ной кислотах, размеры пор при этом составляли сотни нанометров. Рас пространение пор в GaP происходит, как правило, вдоль выделенных кристаллографических направлений 111.
Слои ПОА изготовлялись методом электрохимического травления подложек из фольги алюминия в различных кислотах. Получающий ся пористый слой представляет собой набор гексагональных оксидных ячеек, по центру которых проходит полый канал [4]. Расстояние меж ду порами линейно увеличивается с повышением напряжения. Диаметр пор определяется скоростью химического растворения оксида алюми ния, которая зависит от используемого электролита. В зависимости от входящей в состав электролита кислоты и ее концентрации диаметр пор варьируется в широких пределах: от 0,01 - 0,03 мкм для серной кислоты до 0,1 - 0,5 мкм для винной кислоты. После получения слой ПОА обыч но отделялся от подложки растворением последней в растворе 0,05М CuCl2 :HCl (50%).
В данной главе также сообщается о методах изготовления кремние вых фотонно-кристаллических структур: многослойных периодических структур, образованных чередующимися слоями ПК различной пористо сти, и щелевых кремниевых структур, представляющие собой череду ющиеся слои монокристаллического кремния и щелей с характерными толщинами порядка нескольких микрометров.
Таким образом, в диссертационной работе найдены режимы электро химического формирования пористых полупроводников и диэлектриков (ПК, ОПК, ПФГ, ПОА), обладающих такими структурными парамет рами (пористость, размер и ориентация пор), при которых наилучшим образом проявляется влияние факторов локального поля.
Во второй главе изложены результаты исследования линейных оп тических свойств пористых полупроводников и диэлектриков: двулуче преломления в пористых слоях и локализации света в мезопористом фос фиде галлия.
Для описания оптических свойств микро- и мезопористых материа лов применяется приближение эффективной среды [5]. В рамках данного приближения нанокомпозитные системы можно рассматривать как од нородные с точки зрения оптики среды. Условием применимости данного приближения является малость размеров неоднородностей по сравнению с длиной волны оптического излучения. Дан обзор основных электроста тических моделей эффективной среды и их обобщений, описывающих случаи анизотропных нанокомпозитных сред.
В работе приведены экспериментальные схемы, использованные для измерения в инфракрасной (ИК) и видимой областях спектра оптиче ских параметров пористых полупроводников и диэлектриков: величин показателей преломления и двулучепреломления. Приводятся экспери ментальные данные о двулучепреломлении формы [6] пористых полу проводников и диэлектриков. В частности показано, что при использо вании в качестве подложки сильнолегированного кремния (p++ -Si, удель ное сопротивление = 1 – 5 мОм·см) вследствие преимущественной ори ентации пор вдоль кристаллографического направления 100 мезопо ристый слой, сформированный на поверхности с ориентацией поверх ности (110), будет проявлять свойства отрицательного одноосного кри сталла, оптическая ось которого совпадает с кристаллографическим на правлением [001]. Напротив, мезопористый кремний, сформированный на p++ -Si с ориентацией поверхности (100), обладает свойствами поло жительного кристалла. Использование кристаллического кремния с ори ентацией поверхности (110), но с меньшим уровнем легирования (p+ -Si, = 20 100 мОм · см) приводит к тому, что в данном случае оптическая ось, хотя и лежит в плоскости поверхности, совпадает с кристаллогра фическим направлением [110], а величина двулучепреломления зависит от пористости немонотонно. Данные эффекты вызваны менее упорядо ченным расположением пор в ПК, изготовленном на p+ -Si.
Величина двулучепреломления существенным образом зависит от по ристости, значение которой определяется в том числе плотностью тока травления. Как видно из рис. 1, увеличение пористо сти сопровождается умень- 2, шением эффективных по- n, e казателей преломления для n o обыкновенной и необыкно- 1, венной волн и увеличени ем величины двулучепре 1, ломления n = no ne, где no и ne – показате- 0, ли преломления для обык- p, % n новенной и необыкновенной волн соответственно, кото- 0, рая для высокопористых слоев достигала 0,24 в ИК 0, области при средней вели чине показателя преломле- 30 60 90 120 ния (no + ne )/2 = 1,3. / j, Отметим, что это значе Рис. 1. Зависимости а) показателей преломле ние n превышает анало- ния мезопористого кремния для обыкновенной и гичную величину для та- необыкновенной волн ( и • соответственно) и б) кого естественного двулуче- величины двулучепреломления ( ), а также пори преломляющего кристалла, стости p ( ) от плотности тока травления j.
как исландский шпат (n = 0, 15).
Измеренная экспериментально дисперсия показателей преломления для мезопористого кремния позволила провести сравнение с результа тами моделирования, выполненного в рамках обобщенной статической модели Бруггемана [7, 8], в которой поры с диэлектрической проницае мостью 1 и кремниевые нанокристаллы с диэлектрической проницаемо стью 2 считаются эллипсоидами вращения. В этом случае компоненты тензора эффективной диэлектрической восприимчивости нанокомпозит ной среды ef f, ii находятся из уравнения:
1 ef f, ii 2 ef f, ii p + (1 p) =0, (2) ef f, ii + Li (1 ef f, ii ) ef f, ii + Li (2 ef f, ii ) где p – пористость, Li – фактор деполяризации, определяемый отноше нием = a/b длин полярной a и экваториальной b полуосей эллипсоида, а индекс i нумерует декартову координату. Для полей, направленных вдоль оси вращения эллипсоида и перпендикулярно ей, величины фак торов деполяризации даются выражениями:
1 2) 1 arcsin( L|| = 1, (3) 1 2 1 L = 1 L|| (4) соответственно. Как следствие, различным направлениям поля будут со ответствовать различные величины эффективной диэлектрической про ницаемости, что позволяет учесть анизотропию в рамках модели эффек тивной среды.
Сравнение расcчитанных по модели (2) величин показателей прелом ления с экспериментально найденными показывает, что данная модель дает хорошее описание оптических свойств анизотропных слоев ПК в ближнем и среднем ИК диапазонах (см. рис. 2). Однако данное прибли жение неприменимо для длин волн видимого диапазона. Это связано с приближением длины волны к размеру нанокристалла и, следовательно, с выходом из области применимости электростатической модели эффек тивной среды. Более точный анализ требует учета влияния так назы ваемой динамической деполяризации [9], т. е. размера нанокристалла и конечного времени распространения электромагнитной волны в нем, что в конечном итоге дает вместо (2) следующее уравнение:
ef f p + ef f, ii + (1 ef f, ii ) Li Di k1 b2 i 9 k1 b ef f, ii +(1 p) = 1, (5) ef f, ii + (2 ef f, ii ) Li Di k2 b2 i 2 k2 b 2 где индекс i указывает направление поляризации поля, b – длина эква ториальной полуоси эллипсоида вращения, k1 = 2/ и k2 = 2 2 / модули волновых векторов для вакуума и кремния соответственно, – длина волны в вакууме, а 2 1 D|| () = + 1 arccos, (6) 4 1 2 1 1 2 1 2 1 + D () = + 1 2 ln (7) 4 2 1 2 факторы динамической деполяризации для поля, направленного вдоль оси вращения эллипсоида (6) и перпендикулярно ей (7). Как видно из рис. 2, учет динамической деполяризации позволяет, оставаясь в рамках модели эффективной среды, обеспечить лучшую аппроксимацию экспе риментально полученных величин показателей преломления.
no, ne 2, 2, no 1, 1, ne 1, 1, 1 2 3 0,, Рис. 2. Дисперсионные зависимости обыкновенной и необыкновенной волн для дву лучепреломляющей пленки мезопористого кремния. Штриховые линии – результат аппроксимации в рамках электростатического приближения Бруггемана, сплошные линии с учетом динамических поправок (5) - (7).
Термическое окисле-, ние двулучепреломляю- 1.6 1.3 1 0. щего ПК приводит к R 1.0 E || [001] формированию прозрач- E [001] 0. ных в видимом диапа 0. зоне пленок, также обла дающих двулучепрелом- 0. лением, хотя его вели 0. чина на порядок мень ше, чем в исходных сло- 0. 6000 11000 16000 ях ПК. По данным струк- -, c турных измерений окис ленный ПК представля- Рис. 3. Спектры отражения многослойной периоди ет собой аморфную сре- ческой структуры на основе анизотропного пористо ду, и наблюдаемая опти- го кремния при различных поляризациях излучения.
R – коэффициент отражения, – волновое число.
ческая анизотропия явля ется анизотропией формы. Величина двулучепреломления ОПК возрас тает с увеличением пористости. Максимальная величина двулучепре ломления ОПК достигается для образца с наибольшей пористостью и составляет n = 0,025, что более чем в два раза превышает оптическую анизотропию кристаллического кварца. Продемонстрировано также дву лучепреломление формы в пористом фосфиде галлия и пористом оксиде алюминия.
Измерены спектры пропускания/отражения многослойных периоди ческих структур, изготовленных на основе ПК и ОПК, на основании полученных данных определены дисперсионные характеристики много слойных структур (величины групповой скорости и дисперсии второго порядка). Используя двулучепреломляющие слои ПК, мы можем сфор мировать одномерный фотонный кристалл, у которого положения фо тонных запрещенных зон зависят от поляризации (рис. 3).
Важную часть работы составляет изучение распространения лазер ного излучения в макропористом фосфиде галлия. Пористый фосфид галлия отличается высокой величиной показателя преломления (3,1 на длине волны 1,2 мкм), прозрачностью в видимом диапазоне, поры и на нокристаллы в ПФГ имеют размер в сотни нанометров. Все это делает ПФГ одним из самых привлекательных материалов для изучения про цессов рассеяния и локализации света.
Образцы ПФГ обладали значительным рассеянием в видимом диапа зоне. Измеренные зависимости интенсивности рассеянного света от дли Таблица 1. Величины пористости и свойства образцов ПФГ, использованных в экс периментах по оптическому гетеродинированию.
№ Пори- Толщина Эффективный Коэффициент Время Длина kl стость показатель диффузии жизни свободного преломления фотона пробега 1 12 % 28 мкм 3.11 139 мкм/пс 5,6 пс 4.3 мкм 67. 2 22 % 28 мкм 2.87 111 мкм/пс 7,0 пс 3.1 мкм 44. 3 55 % 16 мкм 2.08 31 мкм/пс 8,2 пс 0.6 мкм 6. ны волны указывают на нерелеевский характер рассеяния. Динамика рассеяния света в слоях ПФГ была исследована с использованием схемы оптического гетеродинирования на базе сканирующего интерферометра Майкельсона и фемтосекундной лазерной системы (лаборатория сверх сильных световых полей кафедры общей физики и волновых процессов физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова). Определённые ве личины коэффициента диффузии фотона в рассеивающей среде, длины свободного пробега и времени жизни фотона в пористом слое для образ цов ПФГ разной пористости приведены в таблице 1. Как видно из нее, рост пористости приводит к падению длины свободного пробега фотонов и увеличению времени жизни фотона в пористом слое, т.е. происходит усиление роли локализации света с ростом пористости. Вместе с тем, c увеличением пористости, режим сильной локализации [10], критерием которого является выполнение условия kl 1, где k – волновой вектор, а l – длина свободного пробега фотона, очевидно не достигается.
Для щелевых кремниевых структур была измерена величина двулу чепреломления, которая составила n = 0,77 в дальнем инфракрасном диапазоне. Локализация падающего излучения в кремниевые стенка та кой структуры, которые играют роль плоских волноводов приводит к увеличению эффективного объёма его взаимодействия излучения с ве ществом. Это приводит к рост эффективности процесса комбинационно го рассеяния света в щелевых кремниевых структурах в несколько раз по сравнению с кристаллическим кремнием.
Третья глава диссертации посвящена исследованию возможностей достижения фазового синхронизма в пористых полупроводниках и ди электриках. В ней рассматриваются процессы генерации второй и тре тьей гармоник (ВГ, ТГ) лазерного излучения в ПК и генерации ТГ в ОПК. Данные материалы выбраны потому, что обладают сравнитель но большой величиной двулучепреломления, а расположение оптиче ской оси в плоскости образца обеспечивает наиболее удобную геометрию эксперимента. Теоретический анализ фазового согласования указанных нелинейно-оптических процессов был основан на развитой модели эф фективной среды. В экспериментах, частично выполненных в лабора тории фотоники и нелинейной спектроскопии кафедры общей физики и волновых процессов физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова и в лаборатории фемтосекундных лазеров Университета штата Вискон син – Милуоки (США), применялись пико- и фемтосекундные лазеры на Nd:YAG и Cr:форстерите, частоты излучения накачки которых не попа дали в область фундаментального поглощения исследуемых материалов, плотности энергии лазерных импульсов не превышали 1 Дж/см2.
Была продемонстрирована зависимость сигнала ВГ от угла падения излучения на слой ПК (мейкеровские биения). В выполненных расчетах определены условия достижения фазового согласования в слоях ПК и ОПК, результаты которых нашли свое подтверждение в экспериментах.
Установлено, что двулучепреломление в мезопористом кремнии слиш ком велико для осуществления синхронной генерации ВГ, однако запол нение пор диэлектрическими жидкостями, понижающее анизотропию, позволяет добиться фазового согласования при повороте образца вокруг оси, перпендикулярной его оптической оси. Факт достижения фазового синхронизма подтверждается ростом сигнала ВГ при заполнении пор, зависимостью сигнала ВГ от угла падения излучения на образец и изме нением его поляризационных зависимостей (рис. 4). Величина двулуче преломления ПК и ОПК оказывается столь велика, что позволяет осуще ствить фазовое согласование генерации ТГ. На возможность реализации фазового синхронизма в геометрии ooee указывает теоретический ана лиз этого процесса с помощью укороченных волновых уравнений, учиты вающих модификацию тен зора кубической нелиней- I, SH..
ной восприимчивости (см.
ниже). В эксперименте фа зовое согласование достига- лось при перестройке дли- 0, ны холостой волны па :
раметрического генерато- 0, ра света. В образцах ПК -60 -40 -20 0 20 40 с большим двулучепре-,.
ломлением удается добить- Рис. 4. Зависимости сигнала ВГ от угла падения ся фазового синхронизма в излучения на образец ПК с пористостью 65%. По ры заполнены воздухом ( ), этанолом ( ) и гли указанной выше геометрии церином ( ). Поляризации волны основной часто (рис. 5) при накачке на дли- ты и ВГ соответствуют взаимодействию (оо-е).
нe волны 1,635 мкм. В то I TH, ooe-e же время для иных геометрий ooo-o.
взаимодействия фазовый син eee-e.
хронизм в исследуемом диапа зоне длин волн накачки не до стигался.
Для двулучепреломляюще го ОПК фазовый синхронизм 1,0 1,2 1,4 1,6 1, достигается при длине волны, накачки 1,1 мкм также при Рис. 5. Зависимости cигнала ТГ от длины вол ны накачки в различных геометриях взаимодей- взаимодействии типа ooe e.
Достижение режима синхрон ствия для пленки ПК.
ной генерации ТГ при накачке на данных длинах волн в исследуемых материалах подтверждается изменением вида ориентационных зависи мостей ТГ. Для ОПК при изменении длины волны накачки от 1,9 мкм до 1,1 мкм наблюдается рост сигнала ТГ в пять раз в том случае, когда ТГ I, 1, поляризована параллельно TH поляризации излучения на.
качки, и на два порядка, ко.
гда ТГ поляризована пер пендикулярно поляризации x 0. 1. излучения накачки (рис. 6).
Отметим, что в аморф ном материале, формирую щем ОПК, ТГ должна быть поляризована лишь парал 1. x лельно поляризации излу чения на основной часто те, однако двулучепрелом ление ОПК и фазовое со гласование в нем приводят 0 90 180 270 0 90 180 270 к генерации ТГ, поляри,.
Рис. 6. Ориентационные зависимости сигнала ТГ зованной перпендикулярно в ОПК для различных длин волн излучения на поляризации накачки. Кро основной частоте. Угол 0 соответствует поляри- ме того, в пользу достиже зации накачки вдоль кристаллографической оси ния фазового синхронизма [001]. Сплошные линии – рассчитанные ориента в ПК свидетельствует и за ционные зависимости.
висимость сигнала ТГ от толщины образца. Для обоих материалов ре зультаты расчетов и экспериментальные данные демонстрируют хорошее соответствие.
В четвертой главе рассматривается модификация нелинейной вос приимчивости при переходе от объемных полупроводников и диэлектри ков к пористым.
Вводится понятие эффективной нелинейной восприимчивости, при водятся сведения о свойствах нелинейно-оптической восприимчивости кристаллического кремния. Анализ свойств симметрии слоев ПК и ОПК, принимающий во внимание кристалличность кремниевых остатков, по казывает, что данные материалы обладают свойствами кристаллов групп (3) (3) 4/mmm и /mm и, следовательно, обладают пятью (ef f, 1111, ef f, 3333, (3) (3) (3) (3) (3) (3) ef f, 1122, ef f, 1133 и ef f, 3311 ) и тремя (ef f, 1122, ef f, 1133 и ef f, 3333 ) неза висимыми ненулевыми компонентами соответственно. Напомним, что тензор кубической восприимчивости (3) (3;
,, ) кристаллического (3) (3) кремния имеет две независимых компоненты: 1111 и 1122, а аморфный оксид кремния, из которого состоит ОПК, одну независимую компо (3) (3) ненту 1111 = 3 1122.
C использованием приближения эффективной среды проведены оцен ки величин кубической восприимчивости пористого кремния. В том слу чае, когда нанокомпозитная среда образована частицами с одинаковой формой, рассеяние света на которых пренебрежимо мало, и лишь один из компонентов этой среды обладает нелинейно-оптическим откликом, эффективная кубическая восприимчивость будет иметь вид [5]:
(3) (3) ef f, ijkl = f Li ()ijkl (;
1, 2, 3 )Lj (1 )Lk (2 )Ll (3 ), (8) где f – объёмная доля (фактор заполнения) компонента нанокомпозит ной среды, обладающего оптической нелинейностью, а Li = (1 + Li (1, ii 2, ii )/2, ii )1 (9) фактор локального поля. В результате этих оценок мы получаем те же независимые компоненты тензора (3) (3;
,, ), что и в результате анализа свойств симметрии. Выполненные в рамках этого приближе ния расчеты предсказывают, что двулучепреломляющий мезопористый кремний должен обладать существенно меньшей величиной кубической восприимчивости, чем кристаллический кремний;
с ростом пористости (3) ее величина должна только падать, а различие компонент ef f, 3333 и (3) ef f, 1111, совпадающих для кристаллического кремния, должно дости гать двух порядков для высокопористых образцов.
Таблица 2. Плотности токов травления, пористость и значения r, измеренные экс периментально в экспериментах по генерации ТГ в геометрии на прохождение“ и ” рассчитанные по модели Бруггемана.
Образец Плотность тока Пористость Соотношение r, Соотношение r, травления определённое в рассчитанное по эксперименте модели Бруггемана с-Si 2, 35 ± 0, A 25 мА/см 43 % 2, 55 ± 0.15 3, 50 мА/см B 53 % 3, 0 ± 0, 2 4, 100 мА/см D 64 % 3, 3 ± 0, 2 7, Эти выводы были проверены в серии экспериментов по генерации ВГ и ТГ в ПК различной степени пористости и размера пор и нанокриста лов. Как свидетельствуют результаты этих экспериментов, существен (3) ное уменьшении величины ef f по сравнению с кристаллическим крем нием происходит только в микропористом кремнии. Мезопористый же кремний отличается ростом эффективности генерации ВГ и ТГ на по рядок (см. рис. 7). Кроме того, при общем росте сигнала ориентацион ные зависимости сигналов ВГ и ТГ в ПК обладают менее выраженными максимумами и минимумами, чем в кристаллическом кремнии. Опре деленные из анализа экспериментальных данных отношения компонент r = (1111 + 31122 )/3333 лишь качественно совпадают с результатами моделирования (см. табл. 2).
В то же время ре 120 60 зультаты эксперимен I, TH тов по генерации ТГ.
.
в ОПК, нанокласте ры которого отличают ся меньшим показате 180 лем преломления, сви детельствуют о хоро c-Si 210 шем согласии с моде p= 43 % 10 p лью эффективной сре = 53 % p= 59 % 240 300 p ды.
= 64 % 270 p= 70 % Для объяснения по Рис. 7. Ориентационные зависимости сигнала ТГ, гене- лученных результатов рируемой при отражении от поверхностей кристалли- выдвинута гипотеза о ческого и мезопористого кремния различной пористо- том, что причиной ло сти. ТГ поляризована параллельно поляризации накач- кального возрастания ки. Угол 0 соответствует направлению оптической оси поля является слабая [001].
локализация света в результате рассеяния на наночастицах и порах и многократной интерференции рассеянного излучения как на основной частоте, так и на частотах гармоник. В неоднородной среде локальное поле E в точке r можно представить в виде:
E(r) = [1 + (r)]Ea, (10) а его средний куб, которому будет пропорциональна нелинейная поля ризация:
E3 = [1 + 3 (r)2 ]E3. (11) a Здесь Ea – среднее поле в среде, а (r) – его относительная вариация;
очевидно, (r) = 0. В образцах с бльшим размером пор и нанокри o сталлов неоднородность поля возрастает, что и объясняет увеличение сигнала ТГ в мезопористом кремнии. В числе причин такого возрас тания неоднородности поля можно назвать, например, интерференцию волн, рассеиваемых наночастицами. Микропористый же кремний, напро тив, является материалом, который, благодаря тому, что размеры пор и нанокристаллов составляют единицы нанометров, хорошо описывается в рамках электростатического приближения эффективной среды.
Длина оптической волны намного превосходит характерный размер пор и нанокристаллов и в мезопористом кремнии. Отметим, однако, что длина волны ТГ излучения лазера на Nd:YAG в кремнии состав ляет /3n(3) 0, 1 мкм, а характерный размер пор и нанокристаллов 0,05...0,1 мкм, т.е. эти две величины становятся сравнимы. Можно также дать оценку длины упругого рассеяния l, опираясь на выражение для случая релеевского рассеяния на сферах радиусом a. Для длины волны = 1,064 мкм и радиуса сферы a = 0,05 мкм величина l оказывается равной 0,8 мкм, что также сравнимо с длиной волны.
Таким образом, возрастание величин локального поля в некоторых точках можно, по-видимому, связать с рассеянием на наночастицах и порах и многократной интерференцией рассеянного излучения как на основной частоте, так и на частотах гармоник. Иными словами, мы име ем дело с эффектами слабой локализации света. Это также объясняет отсутствие подобных эффектов в ОПК, нанокластеры которого облада ют меньшим показателем преломления. Отметим также, что роль этого процесса в генерации гармоник будет отчасти ограничена поглощением как излучения на основной частоте, так и гармоник.
Детальному исследованию особенностей нелинейно-оптических взаи модействий в неоднородных средах и, в частности, влияния эффектов локализации света на эффективность этих процессов посвящена пятая глава диссертации.
К числу таких сред относятся многослойные периодические струк туры. В проведенных экспериментах использовались многослойные пе риодические структуры, образованные 12 парами чередующихся слоев микропористого кремния с пористостями 70% и 80% и показателями пре ломления n1 1, 4 и n2 1, 2 соответственно. Установлено, что проис ходит значительное увеличение эффективности процесса генерации ВГ по сравнению как с кристаллическим кремнием, так и с одним слоем ПК. Как видно из рис. 8, эффективность генерации ВГ существенным образом зависит от I, угла падения излу- SH 1,5 A чения на структу-. B C ру, причем наиболь-.
1, ший сигнал достига ется для структуры с фотонной запрещен- 0, ной зоной, приходя щейся на длину вол ны ВГ. Изменение 0, сигнала ВГ при ва- 0 10 20 30 40 50 60 риации угла падения,.
связано с изменени- Рис. 8. Зависимости сигнала ВГ от угла падения излуче ем эффективного пе- ния для многослойных периодических структур c различ ным периодом. Толщины слоев низкой и высокой пористо риода структуры, ко- стей составили d1 = 87 нм, d2 = 95 нм для структуры A, торый, в свою оче- d1 = 111 нм, d2 = 137 нм для структуры B, d1 = 178 нм, редь, обусловливает d2 = 150 нм для структуры C.
ее закон дисперсии и возможность достижения в такой структуре фа зового синхронизма.
Дополнительные возможности достижения эффективного фазового согласования в одномерных фотонно-кристаллических структурах от крываются при использовании слоев ПК, обладающих двулучепрелом лением. Особый интерес представляют случаи, когда фотонные запре щенные зоны возникают на основной частоте или частоте гармоники.
При этом становится возможным сочетать фазовое согласование, обу словленное как двулучепреломлением слоёв, так и самой структурой, и усиление поля в многослойной структуре.
Установлено, что эффективность генерации ВГ и ТГ существенным образом зависит от положения фотонной запрещенной зоны: запрет на распространение излучения на основной частоте или частоте гармоники приводит к подавлению процесса генерации гармоник. В многослойных I, I, TH TH 1. 1. 120 120.
..
.
0.75 0. T hi rd ha r m o ni c s i g na l (A r b. U ni ts ) T h ir d ha r m o ni c s ig na l (Ar b. U n its ) 150 30 150 0.50 0. 0.25 0. 0.00 180 0 0.00 180 0.25 0. 0.50 0. 210 330 210 0. 0. 240 240 1. 1. Рис. 9. Изменения ориентационных зависимостей сигнала ТГ для многослойной пе риодической структуры на основе ПК: а) частота излучения накачки не попадает в фотонную запрещенную зону, б) частота излучения накачки попадает в фотонную запрещенную зону.
структурах, сформированных из анизотропных слоев ПК, это проявля ется как модификация ориентационных зависимостей сигналов гармоник (рис. 9).
Важную часть данной главы составляет изучение влияния эффекта слабой локализации света на нелинейно-оптический отклик нанострук турированных сред. Эксперименты были выполнены на слоях ПФГ, об ладающего сильным рассеянием. Эффективность данных процессов су щественно зависит от длины волны накачки. Как показали эксперимен ты с использованием параметрического генератора света (1,0 – 2,1 мкм, 3 нс) (рис. 10), для длин волн свыше 1,5 мкм сигнал ВГ в ПФГ уступает сигналу ВГ в кри сталлическом GaP, I, SH GaP что, по крайней ме- GaP.
ре качественно, со-.
гласуется с пред ставлениями при ближения эффек 0, тивной среды. В то же время для мень ших длин волн ге нерация ВГ в ПФГ 0, оказывается более эффективной, чем 1,0 1,2 1,4 1, в кристаллическом, GaP, причем сиг- Рис. 10. Зависимости сигнала ВГ в кристаллическом и пори нал ВГ возрастает с стом фосфиде галлия от длины волны излучения накачки.
, I SF, I SF GaP 120 12 I SF.. GaP I.
SF 10. 8 0, 180 6 0, 4 0, 540 570, SF 0 240 540 560 580 600 GaP a, SF Рис. 11. а) Зависимость сигнала СЧ для кристаллического GaP и ПФГ от длины волны суммарной частоты SF. На врезке приведено отношение сигналов суммар ной частоты для ПФГ и кристаллического GaP, б) поляризационные зависимости сигнала на длинах волн CЧ 545 и 557 нм для кристаллического GaP ( ) и ПФГ ( ) при вращении направления поляризации излучения с длиной волны 1,064 мкм.
Излучение континуума поляризовано вдоль оси [110].
уменьшением длины волны накачки. Измерения ориентационной зависи мости сигнала ВГ свидетельствуют о полной деполяризации последней.
Аналогичные результаты были получены и для процесса генерации суммарной частоты (СЧ) (рис. 11). В последнем случае был использован пикосекундный лазер на Nd:YVO4 (1,064 мкм, 4 пс). По выходе из лазера излучение разделялось и частично направлялось в оптическое волокно, легированное GeO2, для генерации в нем широкополосного континуума (1,1 - 1,35 мкм), а частично отводилось в линию задержки и затем исполь зовалось для генерации ВГ, СЧ и когерентного антистоксова рассеяния света (КАРС).
Вместе с тем, как было установлено в экспериментах по КАРС, эф фективность этого процесса в ПФГ падает по сравнению с кристалличе ским фосфидом галлия.
Анализ полученных результатов позволяет выявить ту роль, которую фазовое рассогласование играет при когерентных нелинейно-оптических процессах в неупорядоченных средах. Действительно, КАРС отличается очень малой длиной когерентности, которая на порядок ниже типичного размера нанокристалла в ПФГ (рис. 12а). Следовательно, в ПФГ нельзя ожидать усиления эффективности этого процесса, поскольку нелиней ные волны, генерируемые в одном нанокристалле, будут обладать малой амплитудой и случайной фазой из-за малой длины когерентности. На против, для генераций ВГ и СЧ длина когерентности в несколько раз превосходит размер на, l нокристаллов, что де- coh лает возможным уси ление этих сигналов.
Тем не менее, зависи 0, мость сигналов ВГ и суммарной частоты, ге a нерируемых одной на ночастицей, от дли- 0, ISH,, ны волны достаточно L = 0. ISF,, слабая и сама по се- бе не может объяснить.
наблюдавшегося роста.
L = 0. сигнала ВГ с умень шением длины волны L = 0. (рис. 12б). Поэтому, анализируя получен- 1,05 1,10 1,15 1,20 1,25 1,30 1, ные результаты, необ ходимо учесть длину взаимодействия и чис- Рис. 12. а) Длины когерентности для процессов генера ции ВГ, СЧ и КАРС в GaP в зависимости от длины вол ло наночастиц, участ- ны излучения континуума. Штриховкой отмечен типич вующих в нелинейно- ный размер нанокристаллов в ПФГ. б) Интенсивности оптическом процессе в ВГ (ISH, 1 ) и СЧ (ISF, 1 ), генерируемых в одном нанокри ПФГ. С уменьшением сталле GaP, для различных размеров нанокристалла L как функция длины волны излучения континуума.
длины волны эффек тивность рассеяния света возрастает, что, в свою очередь, увеличивает время жизни фотона в слое ПФГ и его среднюю длину пути в пористой среде.
Для описания нелинейно-оптических процессов в оптически неодно родной среде часто используется подход, восходящий к работам по гене рации ВГ в порошках [11], который иногда называют случайным фазо вым квазисогласованием [12]. В его рамках нелинейно-оптический сиг нал от такой среды как целого может сводиться к сумме нелинейно оптических сигналов от ее отдельных элементов, в нашем случае полу проводниковых нанокристаллов, при этом зависимость величины сигна ла от длины взаимодействия будет линейной. В данной работе получена зависимость величины сигнала ВГ от времени жизни фотонов в пори стом слое, измеренного методом оптического гетеродинирования. Как видно из рис. 13а, сигнал ВГ ISH растет с увеличением. Оценив длину, 30 p=55% I SH.
.
p=22% 15 p=12% GaP 6, 9 0,0 0,3 0,6 0,9, 1, 0 3 L int Рис. 13. Зависимость сигнала ВГ от времени жизни фотона в пористом слое (а) и длины взаимодействия (б).
взаимодействия Lint = c /n, получим зависимость ISH от Lint (рис. 13б).
Последняя зависимость близка к линейной, что не противоречит пред положению о фазовом квазисогласовании в слое ПФГ.
В заключении сформулированы основные результаты и выводы дис сертационной работы.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ 1. Разработаны методы изготовления образцов пористого кремния, окисленного пористого кремния, пористого фосфида галлия и пористого оксида алюминия с анизотропным расположением пор, что дало возмож ность получать слои с большой величиной двулучепреломления (до 0, в инфракрасном диапазоне), в том числе при нормальном падении света на образец, а также реализовать новые фотонные среды, проявляющие эффекты слабой локализации оптического излучения. Развита методика формирования многослойных периодических структур на основе пори стого кремния и окисленного пористого кремния.
2. Экспериментально и теоретически исследовано явление двулуче преломления формы в пористых полупроводниках и диэлектриках. Опре делены величины показателей преломления и величин двулучепрелом ления в широком спектральном диапазоне в зависимости от пористости и средних размеров пор и нанокластеров. С использованием приближе ния эффективной среды развита теоретическая модель, описывающая двулучепреломление формы, и указаны границы применимости этой мо дели. Разработан новый подход, принимающий во внимание размер пор и наночастиц и учитывающий эффекты динамической деполяризации.
3. Впервые теоретически установлена возможность и эксперименталь но реализовано фазовое согласование генерации второй и третьей гармо ник в слоях пористого кремния и генерации третьей гармоники в окис ленном пористом кремнии. Определены условия фазового синхронизма для этих материалов. Показано, что заполнение пор диэлектрическими жидкостями и изменение угла падения излучения на образец позволяет изменить условия синхронизма и добиться фазово согласованной гене рации второй гармоники в мезопористом кремнии. Наличие фазового синхронизма подтверждается существенным увеличением сигнала гар моники и изменением вида ее ориентационных зависимостей. Все экс периментальные данные находятся в хорошем согласии с результатами расчетов.
4. Впервые установлена зависимость эффективности процессов гене рации гармоник в пористом кремнии от среднего размера пор и нанокри сталлов. В мезопористом кремнии зафиксирован рост эффективности генерации второй и третьей гармоник более, чем на порядок по сравне нию с кристаллическим кремнием, тогда как в микропористом кремнии той же пористости обнаружено падение сигналов второй и третьей гар моник более, чем на порядок по сравнению с кристаллическим кремни ем. В мезопористом кремнии с ростом его пористости зарегистрировано увеличение сигналов второй и третьей гармоник, а также тенденция к деполяризации гармоник. Предложено объяснение полученных резуль татов, связывающее рост эффективности процессов генерации гармоник с флуктуациями локального поля в пористом слое, обусловленными рас сеянием на наночастицах и порах и многократной интерференцией рас сеянного излучения.
5. Проведенные эксперименты по генерации гармоник в многослойных периодических структурах на основе как микро-, так и макропористого кремния подтверждают возможность управления эффективностью гене рации гармоник в таких структрах путем изменения как величины пери ода структуры, так и угла падения излучения на структуру. Обнаружена модификация ориентационных зависимостей сигналов гармоники в мно гослойных структурах, образованных анизотропными слоями пористого кремния;
данный эффект обусловлен различием в положении фотонных запрещенных зон для обыкновенных и необыкновенных волн.
6. Обнаружен рост эффективности генерации оптических гармоник и суммарной частоты (до 1% при интенсивности излучения накачки в 1011 Вт/см2 ) в пористом фосфиде галлия более, чем на порядок по срав нению с кристаллическим фосфидом галлия. Установлено, что эффек тивность данных процессов существенно зависит от длины волны накач ки, возрастая по мере уменьшения последней. Зафиксирован рост сигна ла ВГ с ростом пористости до 55% и увеличением времени жизни фотона до 8 пс в слое пористого фосфида галлия. Сделан вывод о связи данного эффекта со слабой локализацией света в пористом слое.
СПИСОК СТАТЕЙ, В КОТОРЫХ ОПУБЛИКОВАНЫ ОСНОВНЫЕ НАУЧНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ 1. Головань Л.А., Зотеев А.В., Кашкаров П.К., Тимошенко В.Ю. Ис следование пористого кремния методами комбинационного рассея ния света и генерации второй гармоники // Письма в ЖТФ. – 1994. – Т. 20, вып. 20. – C. 66-69.
2. Головань Л.А., Гончаров А.А., Тимошенко В.Ю., Шкуринов А.П., Кашкаров П.К., Коротеев Н.И. Обнаружение двухступенчатого про цесса возбуждения фотолюминесценции в кремниевых нанострукту рах // Письма в ЖЭТФ. – 1998. – Т. 68, вып. 10.– C. 732-736.
3. Головань Л.А., Желтиков А.М., Кашкаров П.К., Коротеев Н.И., Лисаченко М.Г., Наумов А.Н., Сидоров-Бирюков Д.А., Тимошен ко В.Ю., Федотов А.Б. Генерация второй оптической гармоники в структурах с фотонной запрещенной зоной на основе пористого кремния // Письма в ЖЭТФ. – 1999. – T. 69, вып. 4. – C. 274-279.
4. Golovan L.A., Kashkarov P.K., Syrchin M.S., Zheltikov A.M. One dimensional porous-silicon photonic band-gap structures with tunable reection and dispersion // Physica Status Solidi (a). – 2000. – V. 182.
– P. 437-442.
5. Golovan L.A., Timoshenko V.Yu., Fedotov A.B., Kuznetsova L.P., Sido rov-Biryukov D.A., Kashkarov P.K., Zheltikov A.M., Kovalev D., Knz-u ner N., Gross E., Diener J., Polisski G., Koch F. Phase matching of second-harmonic generation in birefringent porous silicon // Appl. Phys.
B. – 2001. – V. 73, No. 1. – P. 31-34.
6. Golovan’ L.A., Ferrante G., Kashkarov P.K., Haus J.W., Timoshen ko V.Yu., Zheltikov A.M. On the Polarization-Sensitive Four-Wave Mixing as a Method for in situ Morphology Diagnostics of Nanocrystal Materials // Laser Physics. – 2001. – V. 11, No.12. – P. 1292 -1296.
7. Кузнецова Л.П., Ефимова А.И., Осминкина Л.А., Головань Л.А., Тимошенко В.Ю., Кашкаров П.К.. Исследование двулучепрелом ления в слоях пористого кремния методом инфракрасной Фурье спектроскопии // Физика твердого тела. – 2002. – Т. 44, вып. 5. – C. 780-784.
8. Kashkarov P.K., Golovan L.A., Fedotov A.B., Emova A.I., Kuznetso va L.P., Timoshenko V.Yu., Sidorov-Biryukov D.A., Zheltikov A.M., Haus J.W. Photonic bandgap materials and birefringent layers based on anisotropically nanostructured silicon // J. Opt. Soc. Am. B. – 2002.– V. 19, No. 9.– P. 2273-2281.
9. Golovan L.A., Kuznetsova L.P., Fedotov A.B., Konorov S.O., Sidorov Biryukov D.A., Timoshenko V.Yu., Zheltikov A.M., Kashkarov P.K.
Nanocrystal-size-sensitive third-harmonic generation in nanostructured silicon // Appl. Phys. B. – 2003. – V. 76, No. 4. – P. 429-433.
10. Timoshenko V.Yu., Osminkina L.A., Emova A.I., Golovan L.A., Kash karov P.K., Kovalev D., Knzner N., Gross E., Diener J., Koch F.
u Anisotropy of optical absorption in birefringent porous silicon // Phys.
Rev. B. – 2003. – V. 67, No. 11. – P. 113405-1 - 113405-4.
11. Головань Л.А., Мельников В.А., Коноров С.О., Федотов А.Б., Гаври лов С.А., Желтиков А.М., Кашкаров П.К., Тимошенко В.Ю., Пет ров Г.И., Ли Л., Яковлев В.В. Эффективная генерация второй гар моники при рассеянии в пористом фосфиде галлия // Письма в ЖЭТФ. – 2003. – Т. 78, вып. 3-4. – С. 229-233.
12. Мельников В.А., Головань Л.А., Тимошенко В.Ю., Кашкаров П.К., Гаврилов С.А., Кравченко Д.А., Пархоменко Ю.Н., Скрылева Е.А.
Оптическая анизотропия и фотонная запрещенная зона в слоях по ристого оксида алюминия // Вестник Московского университета.
Сер. Физика. Астрономия. – 2003. – №4. – C.43-47.
13. Головань Л.А., Константинова А.Ф., Имангазиева К.Б., Крутко ва Е.Ю., Тимошенко В.Ю., Кашкаров П.К. Дисперсия оптической анизотропии в пленках наноструктурированного кремния // Кри сталлография. – 2004. – Т. 49, №1. – С. 174-178.
14. Mel’nikov V.A., Golovan’ L.A., Timoshenko V.Yu., Zheltikov A.M., Muzychenko D. A., Ukraintsev E. V., Laptinskaya T.V., Kashkarov P.K.
Optical anisotropy of strongly photonic porous gallium phosphide // La ser Physics. – 2004. – V. 14, No. 5. – P. 660- 663.
15. Mel’nikov V.A., Golovan L.A., Konorov S.O., Muzychenko D.A., Fedo tov A.B., Zheltikov A.M., Timoshenko V.Yu., Kashkarov P.K. Second harmonic generation in strongly scattering porous gallium phosphide // Appl. Phys. B. – 2004. – V. 79, No. 2. – P. 225 - 228.
16. Заботнов С.В., Коноров С.О., Головань Л.А., Федотов А.Б., Чжан Х., Желтиков А.М., Тимошенко В.Ю., Кашкаров П.К. Синхронная ге нерация третьей гармоники в анизотропно наноструктурированном кремнии // ЖЭТФ. – 2004. – Т. 99, № 1. – С. 36-46.
17. Кашкаров П.К., Головань Л.А., Заботнов С.В., Мельников В.А., Круткова Е.Ю., Коноров С.О., Федотов А.Б., Бестемьянов К.П., Гордиенко В.М., Тимошенко В.Ю., Желтиков А.М., Петров Г.И., Яковлев В.В. Увеличение эффективности нелинейно-оптических взаимодействий в наноструктурированных полупроводниках // Фи зика твердого тела. – 2005. – Т. 47, вып. 1. – С. 153-159.
18. Головань Л.А., Кашкаров П.К., Тимошенко В.Ю., Желтиков А.М.
Генерация оптических гармоник в наноструктурах пористых полу проводников // Вестник Московского университета. Сер. Физика.
Астрономия. – 2005. – №2. – С. 31-40.
19. Timoshenko V.Yu., Osminkina L.A., Emova A.I., Fomenko M.A., Golovan L.A., Kashkarov P.K., Kovalev D., Knzner N., Gross E., u Diener J., Koch F. Anisotropy of infrared absorption in (110) porous silicon layers // Phys. Stat. Sol. (c). – 2005. – V. 2, No. 9. – P.3461-3465.
20. Zabotnov S.V., Konorov S.O., Golovan L.A., Fedotov A.B., Timoshenko V.Yu., Zheltikov A.M., Kashkarov P. K. Modication of cubic suscep tibility tensor in birefringent porous silicon // Phys. Stat. Sol. (a). – 2005. – V. 202, No. 8. – P. 1673-1677.
21. Melnikov V.A., Golovan L.A., Konorov S.O., Fedotov A.B., Petrov G.I., Li L., Yakovlev V.V., Gavrilov S.A., Zheltikov A. M., Timoshenko V.Yu., Kashkarov P.K. Porous gallium phosphide: challenging material for nonlinear-optical applications // Phys. Stat. Sol. (c). – 2005. – V. 2, No. 9. – P. 3248-3252.
22. Golovan L.A., Melnikov V.A., Bestem’yanov K.P., Zabotnov S.V., Gordienko V.M., Timoshenko V.Yu., Zheltikov A.M., Kashkarov P.K.
Disorder-correlated enhancement of second-harmonic generation in strong ly photonic porous gallium phosphide // Appl. Phys. B. – 2005. – V. 81. – P. 353-356.
23. Golovan L.A., Melnikov V.A., Konorov S. O., Fedotov A. B., Timoshen ko V.Yu., Zheltikov A.M., Kashkarov P.K., Ivanov D.A., Petrov G.I., Yakovlev V. V. Linear and nonlinear optical anisotropy of amorphous oxidized silicon lms induced by a network of pores // Phys. Rev. B. – 2006. – V. 73, No. 11. – P. 115337-1 - 115337-5.
24. Круткова Е.Ю., Тимошенко В.Ю., Головань Л.А., Кашкаров П.К., Астрова Е.В., Перова Т.С., Горшунов Б.П., Волков А.А. Инфра красная и субмиллиметровая спектроскопия щелевых кремниевых структур // Физика и техника полупроводников. – 2006. – Т. 40, вып. 7. – С. 855 - 860.
25. Golovan L.A., Petrov G.I., Fang G.Y., Melnikov V.A., Gavrilov S.A., Zheltikov A.M., Timoshenko V.Yu., Kashkarov P.K., Yakovlev V.V., Li C.F. The role of phase-matching and nanocrystal-size eects in three wave mixing and CARS processes in porous gallium phosphide // Appl.
Phys. B. – 2006. – V. 84. – P. 303-308.
26. Golovan L.A., Ivanov D.A., Melnikov V.A., Timoshenko V.Yu., Zhelti kov A.M., Kashkarov P.K., Petrov G.I., Yakovlev V.V., Form birefrin gence of oxidized porous silicon // Appl. Phys. Lett. – 2006. – V. 88, No. 12.– P. 241113-1 - 241113-3.
27. Petrov G.I., Shcheslavskiy V.I., Yakovlev V.V., Golovan L.A., Krut kova E.Yu., Fedotov A.B., Zheltikov A.M., Timoshenko V.Yu., Kash karov P.K., Stepovich E.M. Eect of photonic crystal structure on the nonlinear optical anisotropy of birefringent porous silicon // Opt.
Letters. – 2006. – V. 31, No. 21.– P. 3152-3154.
28. Головань Л.А., Кашкаров П.К., Тимошенко В.Ю., Желтиков А.М.
Двулучепреломление формы и генерация оптических гармоник в на ноструктурах пористых полупроводников // Российские нанотехно логии. – 2006. – Т. 1, №1-2. – С. 111-120.
29. Головань Л.А., Тимошенко В.Ю., Кашкаров П.К. Оптические свой ства нанокомпозитов на основе пористых систем // Успехи физиче ских наук. – 2007. – Т. 177, №6. - С. 619-638.
30. Головань Л. А., Кашкаров П. К., Тимошенко В. Ю. Двулучепре ломление формы в пористых полупроводниках и диэлектриках // Кристаллография.– 2007.– Т. 52, № 4. – С. 697-710.
31. Пискунов Н. А., Заботнов С. В., Мамичев Д. А., Головань Л. А., Тимошенко В. Ю., Кашкаров П. К. Модификация двулучепрелом ляющих свойств наноструктурированного кремния при изменении уровня легирования подложки бором // Кристаллография. – 2007. – Т. 52, № 4.- С. 711-715.
32. Ефимова А.И., Круткова Е.Ю., Головань Л.А., Фоменко М.А., Каш каров П.К., Тимошенко В.Ю. Двулучепреломление и анизотропия оптического поглощения в пористом кремнии // ЖЭТФ. – 2007. – Т. 132, вып. 3. – С. 680-693.
Цитируемая литература 1. Rouquerol J. et al. Recommendations for the characterization of porous solids. // Pure Appl. Chem. – 1994. – V. 66, No. 8. – P. 1739-1758.
2. Smith R. L., Collins S. D. Porous silicon formation mechanisms. // J.
Appl. Phys. – 1992. – V.70, No. 8. – P. R1-R30.
3. Lehmann V., Stengl R., Luigart A. On the morphology and the electrochemical formation mechanism of mesoporous silicon. // Mat. Sci.
Eng. B – 2000. – V. 69-70. – P. 11-22.
4. Jessensky O., Mller F., Gsele U. Self-organized formation of hexagonal u o pore arrays in anodic alumina. // Appl. Phys. Lett. – 1998. – V. 72, No. 10. – P. 1173-1175.
5. Sipe J. E., Boyd R.W. Nanocomposite Materials for Nonlinear Optics Based on Local Field Eects.// Optical Properties of Nanostructured Random Media /Shalaev V. M. (Ed.). – Topics Appl. Phys. – V. 82. – P. 1–19. – Berlin – Heidelberg: Springer-Verlag, 2002.
6. Борн М., Вольф Э. Основы оптики. М.: Наука, 1970 – 856 c.
7. Bruggeman D. A. G. Berechnung verschiedener physikalisher Konstanten von heterogen Substanzen // Ann. Phys. – 1935. – V. 24.– P. 634-664.
8. Spanier J. E., Herman I. P. Use of hybrid phenomenological and statistical eective-medium theories of dielectric functions to model the infrared reectance of porous SiC lms. // Phys. Rev. B. – 2000. –V. 61, No. 15. – P. 10437-10450.
9. Mallet P., Gurin C. A., Sentenac A. Maxwell-Garnett mixing rule in the e presence of multiple scatttering: Derivation and accuracy // Phys. Rev.
B. – 2005. – V. 72, No. 1. – P. 014205-1 - 014205-9.
10. Lagendijk A., Gmez Rivas J., Imhof A., Schuurmans R.P.J., Sprik R.
o Propagation of light in disordered semiconductor materials // Photonic Crystals and Light Localization in the 21st century / Soukoulis C.M.
(Ed.) Dordrecht: Kluwer, 2001. – P. 447-473.
11. Kurtz S.K., Perry T.T. A powder technique for the evaluation of nonlinear optical materials //J. Appl. Phys. –1968. – V. 39, No. 8. – P. 3798-3813.
12. Baudrier-Raybaut M., Ha R., Kupecek P., Lemasson P., Rosencher E.
dar Random quasi-phase-matching in bulk polycrystalline isotropic nonlinear materials // Nature. – 2004. – V. 432. – P. 374-375.