Полупроводниковые наноструктуры и наноустройства

Изменение размера кластера приводит к сдвигу энергии поглощения и люминесценции оптического излучения полупроводниковых нанокластеров. В качестве примера рассмотрим оптические наноустройства -светоперестраиваемые диоды на основе селенида кадмия .

В светоизлучающей ячейке нанокластеры находились в тонком слое на поверхности люминесцирующего полимера (поли-n-фениленвинилена). Полимер был выращен на слое оксида индия и олова , способном пропускать носители в виде дырок. С другой стороны нанокластеры покрывались пленкой магния и алюминия для инжекции в нанокластеры электронов. Приложение электрического напряжения к такой системе вызывает электролюминесценцию, длина волны которой изменяется путем изменения размера кластера.

Спонтанное возникновение периодических упорядоченных наноструктур на поверхности твердых тел и в эпитаксиальных пленках используется для создания нанокластеров(квантовых точек) и нанопроволок. Выделяются четыре группы упорядоченных наноструктур, которые представлены на рис суз500с:

Рис.а) Наноструктуры, обладающие модуляцией состава твердого раствора;

б) фасетированныен поверхности с периодом D.;

в) Периодические структуры с участием плоских упругих доменов;

г) упорядоченные структуры нанокластерных напрячженных островков (2) на подложке(1), Размер основания перамиды, D-период чередования островков.

1.Наноструктуры с периодической модуляцией состава в эпитаксиальных пленках твердых растворов полупроводников.

2.Периодически фасетированные поверхности.

3.Периодические структуры плоских поверхностных доменов.

4.Упорядоченные структуры трехмерных когерентно напряженных островков (нанокластеров) в гетероэпитаксиальных наноструктурах на поверхности подложки.

Для первой группы возможность спонтанного возникновения структур с периодической модуляцией состава связана с неустойчивостью однородного твердого раствора относительно спиноидального распада.

Для второй группы наноструктур причиной спонтанного фасетирования поверхности является ориентационная зависимость поверхностной энергии. Плоская поверхность стремиться самопроизвольно, трансформироваться в систему впадин и гребней.

Периодически фасетированные поверхности дают возможность получения массивов изолированных квантовых проволок и сверхрешеток квантовых проволок.

Третья группа наноструктур плоских доменов возникает, при наличии на поверхности различных фаз, островков монослойной высоты. Соседние домены имеют различные значения тензора поверхностных натяжений, что вызывает упругие деформации на поверхности.

Четвертая группа спонтанно упорядоченных наноструктур в виде массивов трехмерных когерентно напряженных островков возникает из-за наличия двух источников полей упругих напряжений и зависимости поверхностной энергии от деформации, обусловленной капиллярными эффектами. Разные постоянные решетки осаждаемого материала и подложки и скачок тензора поверхностных натяжений на ребрах островков приводят к суммированию объемной упругой энергии, упругой энергии на ребрах и энергии взаимодействия двух упругих полей.

Упорядоченные наноструктуры на основе вертикально связанных позволяют создать лазерные устройства. Лазер включает активную зону на основе упорядоченной наноструктуры в виде нанокластеров в матрице , среду для инжектирования электронов и дырок, распределенные бреговские рефлекторы в качестве зеркал и электроды. См суз505.

При комнатной температуре в случае оптимального количества слоев верхнего бреговского рефлектора максимальная эффективность составила 16%, а минимальный пороговый ток 68 мкА.

Полупроводниковые вертикально излучающие лазеры находят широкое применение в быстродействующих оптоволоконных системах для передачи информации. Подобные лазеры работают в диапазоне ближнего инфракрасного излучения (ИК) длин волн 850 и 980 нм. Разработаны лазеры в диапазоне дальнего ИК 1,2 -1,5 мкм.

Для лазеров на основе нанокластеров полупроводников генерирующих излучение в оптическом и ультрафиолетовом УФ-диапазоне используют широкозонные материалы. Таким материалом является окись цинка с запрещенной зоной 3,37 эВ, оптические переходы которого лежат в диапазоне УФ. Лазерное экситонное излучение было получено для нанопроволок на сапфировой подложке под действием оптического возбуждения.

Нанопроволоки были синтезированы из газовой фазы с помощью эпитаксиального роста на сапфировой подложке(110). В качестве катализатора, использовались нанокластеры золота , которые входили в тонкую пленку на поверхности сапфира. Изображение нанопроволок с помощью сканирующего электронного микроскопа показана на рис

Нанопроволоки растут перпендикулярно подложке. Их диаметр 20-150 нм. Длина нанопроволок от2-10 мкм. Концы проволок имеют форму правильных шестиугольников. Правильная форма поверхностей таких проволок необходима для создания концентрированного лазерного излучения.

Рис. Изображение со сканирующего электронного микроскопа нанопроволок ,выращенных вертикально по отношению к подложке из сапфира.

Под влиянием оптического возбуждения в нанопроволоках генеририруются лазерные моды с длинами волн370-400 нм фиолетового цвета при ширине линии0,3 нм. Резонансных зеркал нет. Сами нанопроволоки -система монокристаллических резонансных полостей, а их торцевые поверхности выполняют роль зеркал концентрирующих генерированное излучение.

Игнатов А.Н.Оптоэлектроника и нанофотоника.

Мартинес-Дуарт Дж. М. и др нанотехнологии для микро- и оптоэлектроники М.техносфера2009.-368с.

Лекция 11 Оптические волокна с фотонно-кристаллической структурой.

Фотонные кристаллы

Оптические волокна с фотонно-кристаллической структурой (ФКВ).

Технология изготовления оптических волокон с фотонно-кристаллической структурой.

Применение ФКВ.

Формирование фотонной запрещенной зоны субмикронными брэгговскими решетками.

Волоконные световоды с брэгговскими решетками.

Сенсоры на основе оптических волноводов с фотонно-кристаллической структурой.

Нанофотоника - наука о взаимодействии света с веществом в нанометровом диапазоне, который короче длины световой волны.

Три направления исследований в нанофотонике являются основными:

1.Изучение процессов, вызванных в веществе при возбуждении пучком света, сфокусированным до нанометрового размера.

2.Исследование оптических свойств линейных и нелинейных наноразмерных частиц.

3.Химические превращения инициируемые светом в термодинамически устойчивых наноразмерных частицах.

Создание волноводов из легированного эрбием кремния, и усиление в пористом кремнии. игнатов.

Главный недостаток кремниевой оптоэлектроники низкий коэффициент усиления сигнала и эффективность светового усиления отдельными чипами.

Фотонные кристаллы

Фотонный кристалл- это оптическая зонная структура, в которой существуют разрешенные и запрещенные состояния для фотонов. Роль периодического потенциала решетки выполняют периодические изменения диэлектрической проницаемости или показателя преломления в волноводной среде. Фотонный кристалл является сверхрешеткой- средой в которой искусственно создано дополнительное поле, с периодом превышающем на порядки период кристаллической решетки. Для фотонов такое поле получают периодическим изменением коэффициента преломления среды – в одном, двух и трех измерениях. Если период оптической сверхрешетки сравним с длиной электромагнитной волны, то поведение фотонов кардинально отличается от их поведения в обычной кристаллической решетки.

На основе планарных фотонных кристаллов можно создать миниатюрный и эффективный нанорезонатор, позволяющий локализовать мощные электромагнитные поля в малых объемах в течении длительного времени. Изготовление и исследование свойств оптических наноразмерных оптических резонаторов, является направлением развития фотоники, представляет большую практическую и научную ценность.