Фотонно-кристаллические гибридные структуры опал/Ge2Sb2Te5: получение, структурные и оптические свойства тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

На правах рукописи

Яковлев Сергей Александрович

ФОТОННО-КРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ ГИБРИДНЫЕ СТРУКТУРЫ ОПАЛ/Се28Ь2Те5: ПОЛУЧЕНИЕ, СТРУКТУРНЫЕ И ОПТИЧЕСКИЕ

СВОЙСТВА

01.04.10 - физика полупроводников

2 4 ОКТ 2013

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

005535650

Санкт-Петербург - 2013

005535650

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Физико-техническом институте им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук.

Научный руководитель: кандидат физико-математических наук,

Певцов Александр Борисович

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор, заведующий лабораторией Физико-технического института им. А. Ф. Иоффе, Шадрин Евгений Борисович

доктор физико-математических наук, профессор, профессор Санкт-Петербургского государственного университета, Вербин Сергей Юрьевич

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В.И.Ульянова (Ленина)».

Защита состоится «21 И-ЪО часов на заседании

диссертационного совета Д002.205.02 при Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Физико-техническом институте им. А. Ф. Иоффе Российской академии наук по адресу 194021, Санкт-Петербург, ул. Политехническая д. 26, ФТИ им. А. Ф. Иоффе.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФТИ им. А. Ф. Иоффе

Автореферат разослан «¡0» ОЬ^ГЭ/)^ 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, д. ф.-м. н. »

Л. М. Сорокин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность темы. Тематика фотонных кристаллов - интенсивно развивающееся направление современной физики конденсированного состояния, оптики и физического материаловедения. Общее количество публикаций по этой теме (включая десятки статей в таких журналах как Nature, Science, Phys. Rev. Lett, и др.) приближается к 20000. Основное свойство фотонных кристаллов - существование энергетических запрещенных зон для фотонов. Наличие фотонно-кристаллической зонной структуры позволяет осуществить контроль, управление и модификацию световых потоков внутри фотонных кристаллов и открывает пути их возможных применений в оптоэлектронике и нанофотонике [1].

Одним из эффективных способов управления свойствами фотонного кристалла является использование для его создания материалов, обладающих фазовым переходом, например, сложных халькогенидов системы Ge-Sb-Te и их аналогов, уже широко применяемых в настоящее время для создания быстродействующих устройств энергонезависимой фазовой памяти и пороговых переключателей для современных компьютерных технологий [2]. Разработка принципов создания гибридных пленочных структур опал/халькогенидные стеклообразные полупроводники и их реализация даст уникальную возможность совместить в едином объекте пространственно-периодическую структуру опала (фотонный кристалл) со специфическими свойствами халькогенидов, такими как оптическая память, обратимая кристаллизация-аморфизация, фотоиндуцированные структурные

трансформации, фотоиндуцированная анизотропия, фотолегирование, сильная оптическая нелинейность и т.д. С одной стороны, - исследования подобных структур представляют несомненный интерес для решения фундаментальной проблемы - как необычные свойства сложных халькогенидных полупроводниковых сплавов, определяемые их составом, а также температурными и фотоиндуцированными изменениями структурных и оптических характеристик, влияют на специфику распространения света в фотонно-кристаллических гибридных структурах. С другой стороны, изучение подобных структур - путь к созданию новых устройств для управления световыми потоками, работающих по принципу "свет-свет" или "электрическое поле-свет" и характеризуемых высоким быстродействием и большой глубиной модуляции сигналов.

Цель работы - разработка лабораторной методики синтеза пространственно-периодических пленочных гибридных структур фотонный кристалл (опал)/халькогенидный стеклообразный полупроводник (Ge2Sb2Te5), экспериментальное и теоретическое исследование особенностей распространения света в таких структурах, а также изучение возможности управления оптическим откликом синтезированных гибридных структур с помощью внешних воздействий.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1. Разработать методику синтеза фотонно-кристаллических гибридных структур опал/Се28Ь2Те5, позволяющую создавать однородное по составу и равномерное по толщине покрытие опаловых шаров слоем Се25Ь2Те5.

2. Исследовать геометрические (пространственный рельеф верхнего монослоя опала, покрытого Се25Ь2Те5) и структурные (фазовое состояние) свойства исходных и отожженных гибридных структур.

3. Исследовать оптический отклик гибридных структур. Изучить влияние толщины слоя Сс28Ь2Те5, угла падения света и относительной ориентации плоскости падения света к кристаллографическим направлениям фотонного кристалла на спектры отражения гибридных структур.

4. Развить качественный феноменологический подход, описывающий экспериментальные данные.

5. Изучить возможности управления оптическим откликом фотонно-кристаллических гибридных структур за счет фазовых превращений в слое Се28Ь2Те5 при воздействии температуры и/или лазерного излучения.

Научная новизна работы.

1. Предложена и реализована оригинальная концепция управляемых фотонно-кристаллических гибридных структур, в которых в качестве управляемого элемента использовано сложное халькогенидное соединение (Сс2ЗЬ2Те5), обладающее обратимым фазовым переходом аморфное-кристаллическое состояние.

2. Исследован оптический отклик фотонно-кристаллических гибридных структур онал/Сс25Ь2Те5, и продемонстрирована важная роль в его формировании дифракционных аномалий (аномалий Вуда), возникающих вследствие резонансной связи между падающим светом и квазиволноводными модами, возбуждающимися в поверхностном слое гибридной структуры.

3. В гибридных структурах опал/Се2ЗЬ2Те5 детально исследована зависимость спектрального положения аномалии Вуда от условий эксперимента (угла падения света; относительной ориентации плоскости падения света к кристаллографическим направлениям фотонного кристалла), геометрических параметров структур (толщины слоя Се2ЯЬ2Те5) и диэлектрических констант слоя Ое28Ь2Те5.

4. Развит оригинальный феноменологический подход, учитывающий частотную дисперсию квазиволноводных мод, который дает возможность наглядно интерпретировать результаты эксперимента. Получено аналитическое выражение, позволяющее количественно описать зависимости положения аномалии Вуда от толщины слоя Се28Ь2Те5 и угла падения света.

5. Показана возможность управления оптическим откликом гибридных структур опал/Се25Ь2Те5 с помощью стимулированного температурой и/или лазерным излучением изменения фазового состояния слоя Се28Ь2Те5.

Практическая значимость работы.

Пленочные фотонно-кристаллические гибридные структуры 011ал/Ос28Ь2Тс5, синтезированные и исследованные в настоящей работе, могут служить основой для создания прототипов элементов (ячеек памяти, мультиплексоров, модуляторов, коммутаторов) для нового поколения

оптических микрочипов, отличающихся высоким быстродействием, долговременной стабильностью характеристик, малым энергопотреблением.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Разработанный метод термического испарения в вакууме объемного халькогенидного соединения Ge2Sb2Te5 позволяет создавать пленочные фотонно-кристаллические гибридные структуры onau/Ge2Sb2Te5, в которых слой Ge2Sb2Te5 покрывает поверхность пленки опала однородно по составу и равномерно по толщине, повторяя рельеф верхнего монослоя гексагонально-упорядоченных шаров аморфного Si02, формирующих опаловую пленку.

2. Оптический отклик фотонно-кристаллической гибридной структуры onafl/Ge2Sb2Te5 на воздействие электромагнитного излучения формируется комбинацией следующих процессов: 1) брэгговской дифракцией света на периодической системе плоскостей трехмерного фотонного кристалла; 2) брэгговской дифракцией света на двухмерно-упорядоченной поверхности гибридной структуры; 3) аномалиями Вуда, возникающими при резонансе между падающим излучением и квазиволноводными модами в поверхностном слое гибридной структуры; 4) интерференцией Фабри-Перо на всей толщине пленочной гибридной структуры.

3. Наблюдаемые в эксперименте особенности спектрально-угловых зависимостей аномалии Вуда в фотонно-кристаллической гибридной структуре onan/Ge2Sb2Te5, а именно, сдвиг максимумов в длинноволновую сторону по мере увеличения угла падения света и толщины слоя Ge2Sb2Te5 и выполаживание спектрально-угловой зависимости с ростом толщины слоя Ge2Sb2Te5, адекватно описываются теоретической моделью, учитывающей вид дисперсии квазиволноводных мод и включающей два параметра (эффективный показатель преломления (п*) волноводного слоя гибридной структуры и величину поперечной компоненты волнового вектора (kz) квазиволноводной моды).

4. Индуцированный внешним воздействием фазовый переход аморфное-кристаллическое состояние в пленке Ge2Sb2Te5 контролирует интенсивность и спектральное положение аномалии Вуда, превращая гибридную структуру onau/Ge2Sb2Te5 в элемент с высоким оптическим контрастом для управления световыми потоками.

Апробация работы. Основные результаты работы были представлены на следующих научных конференциях: VII Международной конференции «Аморфные и микрокристаллические полупроводники», С.-Петербург, 2010; I Международного симпозиума «Физика межфазных границ и фазовые переходы», Ростов-на-Дону, 2011; Конференции по физике и астрономии для молодых ученых Санкт-Петербурга и Северо-запада "Физика. СПб", С.Петербург, 2011; Международной зимней школе по физике полупроводников, Зеленогорск, 2012; Всероссийской молодежной конференции «Опалоподобные структуры», С.-Петербург, 2012; VIII Международной конференции «Аморфные и микрокристаллические полупроводники», С.-Петербург, 2012; Российской молодежной конференции по физике и астрономии "Физика. СПб", С.-Петербург, 2012; 21th Int. Symp. «Nanostructures:Physics and Technology», C.-

Петербург, 2013; XI Российской конференции по физике полупроводников, С.Петербург, 2013.

Победитель конкурса инновационных проектов по программе «У.М.Н.И.К.», С.-Петербург, 2012.

Публикации. Материалы диссертационной работы опубликованы в 4 статьях в журналах, рекомендованных ВАК, и 11 трудах конференций и тезисах докладов.

Личный вклад автора. Автор диссертации принимал участие в постановке целей и задач работы, конструировании экспериментальной установки и изготовлении образцов для исследований, проведении оптических исследований, обработке и интерпретации экспериментальных результатов, написании научных статей в составе авторского коллектива и подготовке их к опубликованию, представлял доклады по теме работы на конференциях.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Общий объем диссертации составляет 161 страницы машинописного текста, включая 82 рисунка и 1 таблицу. Список литературы содержит 140 ссылок.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении сформулированы актуальность темы, цель и задачи исследований, научная новизна и практическая значимость работы. Приведены основные положения, выносимые на защиту.

Первая глава носит обзорный характер. В ней приведены основные сведения о фотонных кристаллах, необходимые для изложения конкретных результатов диссертационной работы. Существенное внимание уделено обзору работ, посвященных фотонно-кристаллическим структурам на основе халькогенидных стеклообразных полупроводников. Рассмотрены основные свойства халькогенидов системы Ое-8Ь-Те. На основании литературных данных сформулированы цели и задачи диссертационной работы.

Вторая глава посвящена синтезу и характеризации свойств пленочных опалов, пленок Се28Ь2Те5 и гибридных структур опал/Се28Ь2Те5.

Пленки опала были получены методом жидкофазной коллоидной эпитаксии с самоупорядочением шаров а-БЮг под действием сил поверхностного натяжения на вертикально ориентированных кварцевых подложках [3]. Для изготовления гибридных структур опал/Се28Ь2Те5 были синтезированы пленки опала с диаметром шаров а-ЗЮ2 -640 нм и количеством опаловых монослоев 1 и 7.

Гибридная структура опал/Ое^ЬгТе^ представляет собой пленку опала, сверху которой напылен слой Се28Ь2Те5. Для формирования гибридных структур был разработан метод термического испарения в вакууме, который позволил получить однородный по составу слой Сс25Ь2Те5, равномерно покрывающий гофрированную поверхность опала и повторяющий при этом рельеф верхнего

монослоя гексагонально-упакованных опаловых шаров и их сферическую форму

в геределах нескольких периодов.

Для получения пленок GcjSb/Te*, состав которых идентичен составу исходного объемною материала, был разработай специальный испаритель, пошоляющий контролировать

температуру испарения с точностью ±1 °С. Оптимизация условий

технологического процесса обеспечило медленное конгруэнтное испарение пр:дваритсльно синтезированного

объемного многокомпонентною

хыысогенида GejSbjTe* На рис, ! приставлена зависимость состава напыляемых пленок от температуры испарения. Видно, что при температуре 520 °С состав получаемых пленок был далек от стехнометрического - наблюдался переизбыток атомов Ge и недостаток атомов Sb. При увеличении температуры испарения соотношение между атомами Ge и Sb приближалось к стехиомегрическому составу, и при достижении температуры 600 °С состав пленок соответствовал составу исходного объемного вещества Ge^St^jTcv, (атомные %) в пределах точности ±1 ат%. Количество атомов Те у всех образцов оставалось примерно постоянным.

Структурная характсризаиия синтезированных пленок GcjSbjTcj и гибридных структур опал/Се^ЫТец была проведена методами рентгеновской дифракции, рамановского рассеяния, атомно-силовой микроскопии (АСМ) и сканирующей электронной микроскопии (СЭМ). Полученные данные свидетельствуют о том, что исходные пленки GciSbjTcj имеют аморфную структуру. Для получения пленок Ge2Sb;Tc\ в кристаллическом состоянии был использован их отжиг в вакууме при температуре 170 °С в течение 1 часа.

Рис. 1. Зависимость элементного состава пленок. скитстирусмых in объемно™ •сшсстаа состава GcjjSbjjTe». от температуры испарения

ГО X 40 м «о 2о. град

Рис 2. Лифрагнироммы пленок Ge;Sb:Te,: спектр 1 ■ исходный аморфный обреки. спегф 2 отожженный при 1704 обра veil (ГЦК фала)

На рис. 2 представлены дифра кто граммы исходной и о'ожженной пленки Сс^ЬДе^. На днфрактограммах исходных пленок (рис. 2, спектр 1) присутствует широкая полоса в области углов 20=15-40°, обусловленная совместным вкладом аморфной фазы Сс28Ь2Те^ и подложки из плавленого кварца. Дифрактограммы отожженных пленок Се>$Ь2Те5 показывают ГЦК фазу (рис. 2, спектр 2), что свидетельствует о переходе вещества из аморфного в

кристаллическое состояние. Фазовый переход пленки GejSbjTes из аморфного

в кристаллическое состояние посте отжига исследуемых образцов на рамановских спектрах.

Детальное исследование формы слоя поверхность опала, было проведено с помощью представлен фрагмент изображение полученного дефектного участка поверхности (плоскость (111))

также зафиксирован для

Ge:Sb;Tev покрывающего АСМ и СЭМ. На рис. 3(a) с помощью АСМ, гибридной структуры

опал/Се^ЫТе^, на которой пленка Ое25ЬЛе^ частично отсутствует и отчетливо видны шары а-ЯЮ: (коричневый цвет) Видно, что пленка Се^гТе* повторяет рельеф, сформированный упорядоченным расположением опаловых шаров.

На рис. 3(6) представлено изображение, полученное с помощью СЭМ. со скола гибридной структуры, из которого следует, что слой СсгЯЬДе^ толщиной ~ 200 нм равномерно покрывает верхнюю часть опаловых шаров, повторяя их форму. В некоторых областях небольшое количество Се^ЫТе, достигает второго монослоя, что, скорее вегго, связано с наличием отдельных структурных дефектов в верхнем монослое опаловой пленки, через которые вещество халькогенила проникает вглуэь образна.

Рнс.Э. (а) Июбражеиие, полученное с помощью АСМ. фрагмента поверхности гибридной структуры, гае пленка GeiSbjTe» (оранжстый иаст) частично удалена и видны шары a-SiO; (коричневый иаст). (б) Изображение. полученное с поыотыо СЭМ, со скола гибридной структуры

(6)

Была проведена также оптическая характсризаиия пленок опала и СезЗЬ^Те*. Исследования спектров брэгговского отражения позволили определить основные параметры опала: диаметр шаров а-ЯЮ2 -640 нм и среднюю диэлектрическую проницаемость шара а-ЯЮ2 -1.99. Определение оптических констант (показателя преломления и коэффициента экстинкнии) исходных и отожженных пленок Се-5Ь?Те5 было осуществлено с помощью метода спектроскопической эллипсометрни.

Третья глава посвящена исследованию оптического отклика гибридных структур опал/Се25Ь:Теч с разными толщинами слоя СегЯЫТе^ (10-150 нм) и количеством опаловых монослоев (I н 7). В спектрах отражения гибридных структур (рис. 4) наблюдались "брэгтовская полоса", характерная для трехмерной пространственно-периодической структуры опала. и дифракционная аномалия (так называемая аномалия Вуда), обусловленная регулярной структурой поверхности исследуемых образцов (4]. Причиной появления аномалии Вуда является резонансное взаимодействие падающего на структуру света с квазнволноводнымн модами, возбуждаемыми в двухмерной

дифракционной решетке, образованной пленкой Сс>5Ь:Тс_ч и верхним монослоем шаров а-5Ю2.

На рис. 4 представлена трансформация спектров отражения структуры от угла падения света. При увеличении угла падения бр-итовский пик движется в коротковолновую область, а пик, обусловленный аномалией Вуда, смешается в длинноволновую область и при некотором угле паления света «накрывает» полосу брэгговского отражения.

Для экспериментального подтверждения предположения, что максимумы в спектре отражения, сдвигающиеся в длинноволновую сторону при изменении угла паления света, являются следствием возгорания аномалии Вуда, был изготовлен специальный образец гибридной структуры. Данный образец представлял собой монослой

плотноулаконанных шаров а^Ол (двухмерную дифракционную решетку), покрытый 150-нанометровон пленкой Се;5Ь:Те<,. В спектре отражения такой структуры брэгговскнй пик отсутствовал. На рис. 5 для сравнения приведены спектры гибридной структуры опал/Се2ЗЬ2Те<1 с семью (кривая 1) и одним

(кривая 2)

100

, БП

ВП

-и-

-5Г

-36-

-зг -28" -21'

.11*

BOO

•wo

1000 1200 1400 Дгмчз вопмы мм Рис. 4. Спектры отражении оста от гибридной структуры oiu,i/Gc.-Sb)Tev измеренные в лингаме )пм паления (И I ]а-Ы}'' Сплошной линией отмечено спсктралию-утловос поведение

брхтовского рсюманса (bit), вошигоошего вел с дет »не трехмерной дифракции 1лежтромагни™ых вили на регулярной решетке опаловой пленки Пунктирная линия проведена черт пики (ВЦ), обусловленные аномалией Вуда Для удобства сопоставления спектры сдвинуты по верпткчи Длинные черточки вдоль оси ординат отмечают нулевой для каждого спектр«

1000 >200 1400 <«оо Длима мутны мм

Рис. 5 Спектры отражения света от тбридиых структур опал/Сж.-ХЬ/Гс». содержащих 7 момослоса шаров a-SiO< Iкривая I) и I момосдой (кривая 2). Толщина пленки Cic.Sb.Ie, в обо«« случаях равна 150 нм. В11 и БП оболка-ииот максимумы,

соответствующие аномалии Вуда и брэгтовскому резонансу

опаловыми монослоями. В обоих случаях толщина пленки халькогеннда 150 нм.

Из рисунка видно, что измеренные спектры как по форме, так и по интенсивности в основных чертах совпадают за исключением особенности в спектральной области -1350 нм. которую мы связываем с проявлением трехмерной брэгговской дифракцией света на системе плоскостей (111) многослойной опаловой пленки.

Таким образом, полученные результаты экспериментально подтверждают высказанное выше предположение об определяющей роли верхнего слоя шаров a-SiOj, покрытого пленкой GejShjTcs, в появлении аномалии Вуда в спектрах отражения гибридных структур.

По мере увеличения толщины пленки GejSbjTej спектральное положение аномалии Вуда сдвигается в длинноволновую сторону

спектра (рис. 6) н пересечение с брэгговским пиком происходит при меньших углах падения света. Толщина слоя Ое^ЫТс^ может быть подобрана так, что аномалия Вуда полностью подавляет брэгговский пик при угле падения близком к нормальному (рис. 66). Кроме того, рис. 6 демонстрирует, что угловая зависимость положения пика аномалии Вуда (ВП) становиться более слабой (выполаживастся) с увеличением толщины слоя Ое;8ЬЛе\.

20 30 <0 50 «0 Угол падения, град

20 30 40 50 60 Угол падения, грая

20 30 40 50 60 Угол паления, град

Рис. 6. Спсктрально-утловак зависимости. умеренные дли пленочных гибридных структур с ра««оЛ толщиной слоя GijSbjTej; (а) - 25 им. (6) - 100 их. (а) - ISO им. стрелки отмечают направления смешения брито истого рсюиаиса (БП) и аиомхтии Ву.м (BID по мерс увеличения угля галош я свстя

Для объяснения экспериментальных результатов была разработана качественная феноменологическая модель. Графическая схема условия возникновения аномалии Вуда приведена на рис. 7. Сплошная кривая 1 соответствует дисперсии света в воздухе

. (I)

Рис 7. Условие возникновения аномалии Вуда а оптическом спектре Но оси абсцисс отложен волновой вектор а плоскости структур«! по оси ординат - ч вето та с яств ю. Сплошной кривой I покатана дисперсия световой волны а »отдухе <]), серым пестом отмечена область светового конуса <в<скщ. Кривая 2 соответствует дисперсии световой волны в сдое Ge>Sb,Te<. уравнение (2). Жирные точки А и В. С и О, соединенные стрелкой, иллюстрируют пропссс брктовской дифракции с изменением волнового вектор* kf на величину вектора обратной решетки G.

Для простоты здесь будем рассматривать скалярную одномерную задачу, причем Ац<0 и *ц+С>0. Кривая построена в зависимости от значений проекции волнового вектора в плоскости структуры k\ixa>sin0/c при фиксированном значении нормальной компоненты волнового вектора к.~шсо$в/с. Множество таких кривых при рахтичных значениях к. заполняют внутренность светового конуса, <u<c|Jfc|||, отмеченную серым цветом на рис. 7. Положение точки на кривой 1 однозначно определяется частотой света и углом падения

в - агаап [см. формулу (1)]. Кривая 2 схематически воспроизводит

дисперсию квазиволноводной моды, которая соответствует закону

^Р^АК2. (2)

п '

В отличие от свободно распространяющихся в воздухе мод, квазиволноводная мода характеризуется фиксированным значением нормальной компоненты волнового вектора к\, определяемого из условия возникновения стоячей волны. Кроме этого, в формуле (2) введен эффективный показатель преломления волноводного слоя п*. Значение показателя преломления п* и волнового вектора к*г может быть определено численно или в рамках моделей эффективной среды. Поскольку показатели преломления как опала, так и ОегЯЬгТе^ существенно больше единицы, очевидно, что п >1. Это означает, что дисперсия квазиволноводных мод может выходить за пределы светового конуса в воздухе, см. кривую 2 на рис. 7. Для пространственно-однородной в плоскости структуры смешивание между распространяющимися модами, дисперсия которых определяется формулой (1), и квазиволноводными модами, дисперсия которых подчиняется выражению (2), возможно лишь в случае, когда последние лежат внутри области светового конуса, так что их волновой вектор в плоскости мал, |£ц|< со/с. Опаловая пленка, покрытая слоем халькогенида, обладает существенной пространственной неоднородностью в плоскости и характеризуется сильной периодической модуляцией диэлектрической проницаемости. Это делает возможным брэгговскую дифракцию света с изменением значения волнового вектора к\\ на вектор двумерной обратной решетки С. Таким образом, возникает резонансное взаимодействие между распространяющимися модами в воздухе (точка А на рис. 7) и квазиволноводными модами (точка В на рис. 7). Условие резонанса определяется законами сохранения энергии и квазиимпульса,

®1(Лг,Л||) = ю2(Л||+0). (3)

В результате этого взаимодействия появляется радиационное затухание квазиволноводных мод, лежащих вне светового конуса, и возникают спектральные особенности - аномалии Вуда - в спектрах отражения [4].

Схема на рис. 7 позволяет делать качественные выводы, объясняющие результаты эксперимента. Во-первых, из графического решения уравнения (3) следует, что увеличение угла падения 0, приводящее к росту волнового вектора в плоскости к\\, смещает аномалию Вуда в длинноволновую спектральную область.

Действительно, из того факта, что расстояние между точками А и В по оси абсцисс задано величиной вектора двумерной дифракции б и не зависит от угла падения, а положение точки В определяется кривой а>2(к\\), следует, что нормальное падение (к\\-0) соответствует более высокой частоте, чем наклонное, в согласии с рис. 7.

Модель также позволяет понять экспериментально наблюдаемое ослабление угловой зависимости спектрального положения аномалии Вуда,

проявляющееся при больших толщинах пленки Ое^ЫТе^ (см. рис. 7). Увеличение толщины пленки должно приводить к росту показателя преломления п' эффективного волновэдного слоя, сформированного верхним слоем опаловых сфер, покрытых Ge¡Sb2Te5. В результате, зависимость (2) частоты квазиволноводной моды от волнового вектора в плоскости становится менее резкой, величина \d(oi/dk:\\ смекается, что обуславливает меньшую чувствительность положения аномалии Вуда к углу падения света 0.

Отметим, что модель допускает также возникновение высокочастотных аномалий Вуда при тех же векторах обратной решетки С (жирные точки С и D, соединенные стрелкой, на рис. 7). Их спектральное положение зависит от конкретного вида дисперсии квазиволноводных мод. Чем кривая дисперсии более пологая, тем ниже по частоте можно наблюдать высокочастотную аномалию Вуда.

Для количественной оценки влияния параметров структуры опал/СегБЬзТе, и условий эксперимента на спектральное положение аномалии Вуда, рассмотрим условие возникновс! ия эффективной связи между падаюшим на структуру светом и квазиволиоводными модами (условие дифракции) в двухмерной гексагональной решетке: k¡=k+G, где k¡ =\k¡\~(on*/c - волновой вектор квазиволноводной моды, а G-m¡Ь,+п\Ъ> (т, и пъ - целые числа) вектора обратной решетки опала в плоскости гофрированного интерфейса; Ь, и b¡ - это элементарные вектора решетки, для гексагональной решетки равные \bi\=\b2\=4x/Jbd. При этом величина к может быть представлена в виде суммы А=А|+А., где Ац - составляющая волнового вектора к в плоскости волноводного слоя, а кг- его составляющая в перпендикулярном направлении.

После несложных математических преобразований вышеприведенных формул, можно получить выражение зависимости спектрального положения аномалии Вула от геометрических параметров структуры и условий эксперимента:

^ _ 2я V(sin0cos<р)2 +(/>»2 -sin2 0)(l + fl)-singcosg>

1 +а

Здесь <р - азимутальный угол, отсчитываемый от Г-М направления в плоскости интерфейса структуры (см. рис. 8) и определяющий по отношению к нему возможные направления вектора обратной решетки G, a a=(k/G).

Формула (4) была использована для описания экспериментальных данных спектрально-угловых зависимостей

гибридных структур опал/Сс:.ЯЬ2Тс5 с различными толщинами слоя GeiSbiTev Псдгонка осуществлялась методом наименьших квадратов. Величины п* и к.

Г-К

Рис 8. Сжсматнчсскос изображение покрхности шбридиой структуры ипал Gc^b.Tev

служили подгоночными параметрами. и

Сиу были константами. Для случая рассеяния на угол ^=180° экспериментальные точки на рис. 9 наилучшим образом ложатся на кривые, описываемые с помощью (4). Полученные значения подгоночных параметров п* и к,, приведены в подписи к рис. 9.

Таким образом, исходя из классического дифракционного

подхода, мы получили формулу, определяющую зависимость

спектрального положения аномалии Вуда от геометрических параметров гибридной структуры и условий эксперимента, на основании которой были проделаны численные оценки применительно к полученным экспериментальным результатам.

В четвертой главе рассмотрены примеры использования различных конфигураций гибридных структур опал/Ое28Ь2Те5 для контроля и управления световыми потоками с помощью индуцированного внешними воздействиями фазового перехода аморфное-кристаллическое состояние в пленке Се25Ь2Те5.

При соответствующем подборе условий внешнего воздействия (температура, лазерный импульс, приложение внешнего электрического поля) фазовый переход можно сделать обратимым в нано- и субнаносекундном масштабе времени. В этих условиях аномалия Вуда будет работать как сверхбыстрый затвор для световых потоков, который может "открывать" или "закрывать" проявление дифракционных эффектов в спектрах отражения, возникающих в результате конструктивной интерференции света в трехмерно-упорядоченной пленке опала.

На рис. 10 представлены результаты исследования управления оптическим откликом гибридной структуры с помощью воздействия импульсным лазером: кривая 1 - спектр чистой пленки опала; кривая 2 - спектр исходной аморфной гибридной структуры опал/Се28Ь2Те, с семью опаловыми монослоями и 100-нанометровой пленкой Се28Ь2Те5; кривая 3 - спектр, измеренный с кристаллической области, образовавшейся на поверхности гибридной структуры после лазерного воздействия.

Согласно выражению (4) при сильном изменении показателя преломления пленки Се25Ь2Те5 при фазовом переходе спектральное положение аномалии Вуда смещается в длинноволновую сторону (за пределы чувствительности экспериментальной установки) и спектр отражения кристаллической области гибридной структуры (кривая 3) определяется, так же

1600

1500

1400

2

X

1300

•<

1200

1100

1000

30 40 50 60 Угол падения, град.

70

Рис. 9. Экспериментальные зависимости положения максимума аномалии Вуда Лт от угла падения света (квадраты) и соответствующие подгонки по формуле (4) (сплошные кривые) для гибридных структур с различной толщиной слоя Ос2$Ь2Те5 (Ь). Полученные подгоночные параметры (п* и а) следующие: (Ь=25 нм, п*=1.62, а=0.12; Ь=50 нм, п*=2.31, а=0.56; Ь=100 нм, п*=3.08, а=0.97; Ь=120 нм, п*=4.19, а=1.87; Ь=150 нм, п*=4.4, а=1.9).

как и спектр 1, дифракцией света на трехмерно-упорядоченной решетке опаловой пленки.

Спектры 1 и 3 на рис. 10 заметно отличаются по форме. Для интерпретации этого факта необходимо учесть, что влияние верхнего слоя шаров a-Si02, покрытого пленкой Ge2Sb2Te5, на оптический отклик гибридной структуры опал/Се28Ь2Те5 обусловлено сочетанием двух главных факторов: во-первых, пространственной периодичностью слоя в латеральном направлении (именно с этим свойством

связаны явление двухмерной дифракции и возникновение аномалии Вуда); во-вторых, изменением фазы световой волны на границах пленки Ge2Sb2Te5 и дополнительным набегом фазы на ее толщине. Последнее может приводить к существенному изменению формы контура отражения вплоть до его инвертирования.

Наблюдаемое нерезонансное

увеличение коэффициента отражения в спектре отожженной структуры связано с высоким значением показателя преломления пленки Ge2Sb2Tes в кристаллическом состоянии и увеличением дополнительного рассеяния на образовавшихся после отжига кристаллитах. Спад в области длин волн меньше 1000 нм обусловлен увеличением коэффициента поглощения.

Резонансный характер аномалии можно также использовать для получения на основе гибридной структуры onan/Ge2Sb2Te5 материала, оптический контраст которого в несколько раз больше, чем у чистых пленок Ge2Sb2Te5.

Рассмотрим гибридную структуру опал/Се28Ь2Те5 следующей конфигурации: 1 монослой опала, пленка Ge2Sb2Te5 толщиной 150 нм. В отличие от многослойной структуры, где пленка опала мешает проявлению аномалии Вуда при падении света со стороны подложки, в однослойной структуре таких проблем нет. Поэтому будем рассматривать оба случая: падение света со стороны пленки и подложки.

На рис. 11 представлены спектры отражения от монослоя шаров a-Si02, покрытого пленкой Ge2Sb2Te5 толщиной 150 нм, измеренные со стороны пленки (кривая 1) и со стороны подложки (кривая 2). Видно, что интенсивный пик аномалии Вуда с максимумом на длине волны 1500 нм наблюдается в обоих случаях. Для определения оптического контраста гибридная структура onan/Ge2Sb2Te5 была подвергнута воздействию лазерного излучения. Область

■е-•е

800 1000 1200 1400 1600 Длина волны, нм Рис. 10. Спектры отражения синтезированных образцов: 1 - спектр брэгтовского отражения семислойной пленки опала; 2 - спектр отражения гибридной структуры со 100-нанометровой пленкой Ос2^Ь2Тс^ а аморфной состоянии и семью слоями опала; 3 - спектр отражения гибридной структуры опал/Ск^Ь^Те^, измеренный с области, подвергнутой лазерному воздействию (пленка Ое28Ь2Те< в кристаллическом состоянии). Все спектры измерены при угле падения света 6=11°.

порядка диаметра лазерного пучка (200 мкм) была переведена в кристаллическое состояние. Кривые 3 и 4 - спектры отражения структуры, измеренные от закристаллизованной области образца со стороны пленки и подложки, соответственно. Как и для гибридной структуры с семью опаловыми монослоями, после лазерного воздействия спектральное положение аномалии Вуда смещается в длинноволновую сторону. Спектр отражения как со стороны пленки (кривая 3), так и со стороны подложки (кривая 4) определяется дифракцией света на двухмерной решетке опалового монослоя.

Сравнение кривых 3 и 4 показывает, что в спектре отражения гибридной структуры, измеренном со стороны подложки, отсутствует составляющая рассеяния на кристаллитах пленки Се28Ь2Тс5, что значительно увеличивает оптический контраст между аморфным и кристаллическим состояниями структуры. Так, оптический контраст (С=1 -Кс/Яа, где Яа - коэффициент отражения в аморфном состоянии, 11с - коэффициент отражения в кристаллическом состоянии [5]) рассматриваемой гибридной структуры опал/С1е28Ь2Те5 на длине волны 1500 нм со стороны пленки составил -0.5 (сплошные кривые), со стороны подложки -0.9 (пунктирные кривые), в то время как у чистых пленок Се28Ь2Те5 оптический контраст составляет -0.3.

1. Показано, что метод термического напыления в вакууме успешно применим для создания однородных по составу и равномерных по толщине слоев Се25Ь2Те5 на поверхности шаров а-8Ю2, формирующих опаловую пленку.

2. Методами атомно-силовой и сканирующей электронной микроскопии установлено, что поверхность гибридной структуры (пленка опала, покрытая слоем Се28Ь2Те5) гексагонально-упорядочена, т.е. представляет собой двумерную дифракционную решетку высокого качества. Этот вывод подтверждается наличием ярко-выраженных гексагонально-упорядоченных рефлексов в картине двумерной оптической дифракции от гибридной структуры.

3. Методами рентгеновской дифракции и рамановского рассеяния установлено, что исходные пленки Се25Ь2Те5 находятся в аморфном состоянии;

80

Рис. 11. Спектры отражения монослоя шаров a-Si()., покрытого пленкой GciSbiTcs толщиной 150 нм: 1 -спсктр отражения исходного образца, измеренный со стороны пленки; 2 - спсктр отражения исходного образца, измеренный со стороны подложки; 3 - спсктр отражения, измеренный с кристаллического пятна образца после лазерного воздействия со стороны пленки; 3 - спсктр отражения, измеренный с кристаллического пятна образца после лазерного воздействия со стороны подложки. Вес спектры были измерены с одной точки образца при угле падения света 9= 11 Для удобства сравнения спектры, измеренные со стороны пленки, обозначены сплошными кривыми, со стороны подложки -пунктирными.

о

1000 1200 1400 1600 Длина волны,нм

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ РАБОТЫ.

после отжига при температуре выше 170 °С пленки Ge2Sb2Te5 переходят в кристаллическое состояние (структура ГЦК).

4. Экспериментально установлено, что спектры отражения фотонно-кристаллических гибридных структур onan/Ge2Sb2Te5 формируются, в основном, суперпозицией особенностей двух типов: брэгговской полосой, обусловленной 3D дифракцией света на периодической системе плоскостей [111] опаловой пленки, и дифракционной аномалией (аномалией Вуда), возникающей вследствие резонансного взаимодействия между падающим светом и квазиволноводными модами, возбуждающимися в поверхностном слое гибридной структуры.

5. Исследован оптический отклик гибридных структур onan/Ge2Sb2Te5 с различным количеством опаловых монослоев (1 и 7 слоев), и показана определяющая роль верхнего слоя шаров a-Si02 в многослойных пленках опала, покрытых Ge2Sb2Te5, в формировании аномалии Вуда в спектрах отражения гибридных структур.

6. Экспериментально установлено, что спектральное положение аномалии Вуда в фотонно-кристаллической структуре onan/Ge2Sb2Te5 сдвигается в длинноволновую область при увеличении угла падения света.

7. Установлено, что с увеличением толщины слоя Ge2Sb2Te5 положение аномалии Вуда в гибридной структуре сдвигается в длинноволновую область спектра. По мере увеличения толщины слоя Ge2Sb2Te5 происходит выполаживание спектрально-угловой зависимости.

8. Исследованы азимутальные зависимости спектров отражения гибридных структур onau/Ge2Sb2Te5. Показано, что форма контура отражения в окрестности аномалии Вуда сохраняется для эквивалентных направлений при повороте образца вокруг оси перпендикулярной плоскости (111) опала на угол 60°.

9. Анализ спектрально-угловых зависимостей аномалий Вуда основан на феноменологическом подходе, в котором свойства поверхностного волноводного слоя описываются эффективным показателем преломления. Определены эффективные показатели преломления (п*) волноводного слоя для структур с разной толщиной слоя Ge2Sb2Te5. Рассчитаны характеристики квазиволноводных мод: величина поперечной компоненты волнового вектора (kz), угол между волновым вектором квазиволноводной моды и вектором обратной решетки.

10. Исследовано управление оптическим откликом гибридной структуры onan/Ge2Sb2Tes (7 монослоев опала, пленка Ge2Sb2Te5 толщиной 100 нм) с помощью температуры и лазерного излучения. Показано, что аномалия Вуда работает как затвор для световых потоков, который может "открывать" или "закрывать" проявление дифракционных эффектов в спектрах отражения, возникающих в результате конструктивной интерференции света в трехмерно-упорядоченной пленке опала.

11. Продемонстрировано, что оптический контраст гибридной структуры (1 монослой опала, пленка Ge2Sb2Te5 толщиной 150 нм) на длине волны 1500 нм составляет ~0.9, что в несколько раз выше оптического контраста чистых пленок Ge2Sb2Te5, которые используются в современных носителях информации (DVD и Blu-ray диски).

Основные результаты диссертации отражены в следующих работах:

1. С.А. Грудинкин, Б.Т. Мелех, В.И. Бахарев, С.А. Яковлев, В.Г. Голубев. Оптические свойства халькогенидных стеклообразных полупроводников системы Ge-Se-Te // Сборник трудов VII Международной конференции "Аморфные и микрокристаллические полупроводники", Санкт-Петербург. -2010. - С.43-44.

2. С.А. Фефелов, Л.П. Казакова, С.А. Яковлев, С.А. Козюхин, К.Д. Цэндин. Напряжение переключения и напряжение поддержки, характеризующие эффекты переключения и памяти в тонких пленках халькогенидных стеклообразных полупроводников состава Ge2Sb2Te5 // Труды 1-го Международного симпозиума "Физика межфазных границ и фазовые переходы" (МГФП-1), Ростов-на-Дону. - 2011. - Т. 1. - С. 155-157.

3. С.А. Яковлев. Структурные и оптические свойства пленок Ge2Sb2Te5 , полученных термическим испарением // Тезисы докладов конференции по физике и астрономии для молодых ученых Санкт-Петербурга и Северо-запада "Физика.СПб", Санкт-Петербург. - 2011. - С.62-63.

4. С.А. Яковлев. Гибридные структуры onan-Ge2Sb2Te5: получение, структурные и фотонно-кристаллические свойства // Тезисы докладов молодых ученых "Международная зимняя школа по физике полупроводников", Санкт-Петербург. - 2012,- С.23-24.

5. С.А. Яковлев, А.Б. Певцов, П.Ф. Фомин, Б.Т. Мелех, Е.Ю. Трофимова, Д.А. Курдюков, В.Г. Голубев. Управление оптическим откликом пленочных гибридных структур onaji/Ge2Sb2Tc5 // Письма в журнал технической физики. -2012. - Т.38, No. 16. - С.78-86.

6. С.А. Яковлев, А.Б. Певцов, Б.Т. Мелех, Е.Ю. Трофимова, Д.А. Курдюков, В.Г. Голубев. Управление оптическим откликом пленочных гибридных структур опал/халькогенидный стеклообразный полупроводник // Сборник трудов всероссийской молодежной конференции "Опалоподобные структуры", Санкт-Петербург. - 2012. - С.131-133.

7. Е.Ю. Трофимова, С.А. Яковлев, С.А. Грудинкин, A.B. Медведев, Д.А. Курдюков, В.Г. Голубев. Монодисперсные мезопористые сферы кремнезема, синтез, функционализация, применение в биомедицине и получение фотонных кристаллов с иерархической структурой пор // Сборник трудов всероссийской молодежной конференции "Опалоподобные структуры", Санкт-Петербург. — 2012. - С.141-145.

8. С.А. Гуревич, Д.А. Явсин, В.М. Кожевин, С.А. Яковлев, М.А. Яговкина, Б.Т. Мелех, А.Б. Певцов. Получение аморфных пленок Ge2Sb2Te5 методом лазерного электродиспергирования // Сборник трудов VIII Международной конференции "Аморфные и микрокристаллические полупроводники", Санкт-Петербург. - 2012. - С.243-244.

9. С.А. Яковлев, А.Б. Певцов, Б.Т. Мелех, Е.Ю. Трофимова, Д.А. Курдюков, М.А. Яговкина, В.Г. Голубев. Синтез, структурные и оптические свойства пленочных гибридных структур onan/Ge2Sb2Te5 // Сборник трудов VIII

Международной конференции "Аморфные и микрокристаллические полупроводники", Санкт-Петербург. - 2012. - С.296-297.

10. N. Almasov, N. Bogoslovskiy, N. Korobova, S. Kozyukhin, S. Fefelov, L. Kazakova, S. Jakovlev, K. Tsendin, N. Guseinov. Switching and memory effects in partly crystallized amorphous Ge2Sb2Te5 films in a current controlled mode // Journal of Non-Crystalline Solids. - 2012. - V.358, No.23. - P.3299-3303.

11. E. Yu. Trofimova, D.A. Kurdyukov, S.A. Yakovlev, D.A. Kirilenko, Yu.A. Kukushkina, A.V. Nashchekin, A.A. Sitnikova, M.A. Yagovkina, V.G. Golubev. Monodisperse spherical mesoporous silica particles: Fast synthesis procedure and fabrication of photonic-crystal films // Nanotechnology. - 2013. - V.24, No. 15. -P.155601-1-11.

12. A.B. Pevtsov, A.N. Poddubny, S.A. Yakovlev, D.A. Kurdyukov, V.G. Golubev. Light control in Ge2Sb2Te5-coated opaline photonic crystals mediated by interplay of Wood anomalies and 3D Bragg diffraction // Journal of Applied Physics. - 2013. -V.l 13, No. 14. - P. 144311-1-7.

13. M.M. Voronov, S.A.Yakovlev, P.V. Fomin, A.B. Pevtsov, D.A. Kurdyukov, V.G. Golubev. Wood anomalies in hybrid structures based on chalcogenide-coated opal photonic crystals // Proc. 21th Int. Symp. "Nanostructures: Physics and Technology", St.Petersburg. -2013. -P.198-199.

14. А.Б. Певцов, C.A. Яковлев, A.H. Поддубный, M.M. Воронов, Б.Т. Мелех, Д.А. Курдюков, В.Г. Голубев. Аномалии Вуда в пленочных гибридных фотонно-кристаллических структурах onan/Ge2Sb2Te5 // Тезисы докладов XI Российской конференции по физике полупроводников, Санкт-Петербург. -2013.-С.

15. M.M. Voronov, A.B. Pevtsov, S.A. Yakovlev, D.A. Kurdyukov, V.G. Golubev. Diffraction anomalies in hybrid structures based on chalcogenide-coated opal photonic crystals // arXiv: 1306.3153

Цитируемая литература

1. J.D. Joannopoulos, S.G. Johnson, J.N. Winn, R.D. Meade. Photonic Crystals: Molding the Flow of Light. - Princeton, Princeton University Press, 2008, 304 p.

2. S. Raoux, W. Welnic, D. Ielmini. Phase change materials and their application to nonvolatile memories // Chemical Reviews. - 2010. - V. 110, - P.240-267.

3. Е.Ю. Трофимова, A.E. Алексенский, C.A. Грудинкин, И.В. Коркин, Д.А. Курдюков, В.Г. Голубев. Влияние предварительной обработки тетраэтоксисилана на синтез коллоидных частиц аморфного диоксида кремния // Коллоидный журнал. - 2011. - Т.73, No.4. - С.535-539.

4. A. Hessel, A.A. Oliner. A new theory of Wood's anomalies on optical gratings // Applied Optics. - 1965.-V.4. - P. 1275-1297.

5. E.R. Meinders, A.V. Mijiritskii, L. van Pieterson, M. Wutting. Optical Data Storage: Phase-change media and recording (Philips Research Book Series). -Springer, Dordrecht, Netherlands, 2006, 173 p.

Подписано в печать 27.06.2013. Формат 60x84/16. Печать цифровая. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100. Заказ 10793b.

Отпечатано с готового оригинал-макета, предоставленного автором, в типографии Издательства Политехнического университета. 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29. Тел.: (812)550-40-14 Тел./факс: (812) 297-57-76

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ НАУКИ ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ ИМ. А.Ф. ИОФФЕ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК

На правах рукописи

04201364336 ЯКОВЛЕВ Сергей Александрович

ФОТОННО-КРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ ГИБРИДНЫЕ СТРУКТУРЫ ОПАЛ/Ое28Ь2Те5: ПОЛУЧЕНИЕ, СТРУКТУРНЫЕ И ОПТИЧЕСКИЕ

СВОЙСТВА

Специальность 01.04.10 - физика полупроводников

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель

кандидат физико-математических наук

А.Б. Певцов

Санкт-Петербург 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

Основные условные обозначения и сокращения...........................................4

ВВЕДЕНИЕ.............................................................................................................5

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ...................................................................11

1.1. ФОТОННЫЕ КРИСТАЛЛЫ.............................................................................11

1.2. ФОТОННО-КРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ СТРУКТУРЫ НА ОСНОВЕ ХАЛЬКОГЕНИДНЫХ СТЕКЛООБРАЗНЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВ......................24

1.3. ХАЛЬКОГЕНИДНЫЕ СТЕКЛООБРАЗНЫЕ ПОЛУПРОВОДНИКИ СИСТЕМЫ ве-БЬ-Те...............................................................................................................36

1.3.1. Структурные и электронные свойства соединений системы Се-БЬ-Те........38

1.3.2. Оптические свойства соединений системы Се-БЬ-Те..................................41

1.3.3. Эффекты переключения и памяти в соединениях системы Се-БЬ-Те............42

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ..................................................................................45

ГЛАВА 2. СИНТЕЗ И ХАРАКТЕРИЗАЦИЯ СВОЙСТВ ПЛЕНОЧНЫХ ОПАЛОВ, ПЛЕНОК Се28Ь2Те5 И ГИБРИДНЫХ СТРУКТУР ОПАЛ/Се28Ь2Те5..................................................................................................47

2.1. ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПЛЕНОК ОПАЛА.............................................47

2.2. МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ ПЛЕНОК ае28Ъ2Те5 НА ПОВЕРХНОСТИ ОПАЛА.....49

2.2.1. Метод термического испарения в вакууме..................................................50

2.2.2. Метод лазерного электродиспергирования.................................................59

2.3. СТРУКТУРНАЯ ХАРАКТЕРИЗАЦИЯ СИНТЕЗИРОВАННЫХ ОБРАЗЦОВ......60

2.4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ОПТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА.................................................................................................69

2.5. ОПТИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИЗАЦИЯ ОПАЛОВЫХ ПЛЕНОК...........................75

2.6. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТОЛЩИНЫ ПЛЕНОК СИНТЕТИЧЕСКОГО ОПАЛА ПО СПЕКТРАМ ОТРАЖЕНИЯ....................................................................................80

2.7. ОПТИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИЗАЦИЯ ПЛЕНОК Ое28Ь2Те5, ПОЛУЧЕННЫХ МЕТОДОМ ТЕРМИЧЕСКОГО ИСПАРЕНИЯ.........................................................85

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 2........................................................................................86

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ОПТИЧЕСКОГО ОТКЛИКА ГИБРИДНЫХ СТРУКТУР ОПАЛ/Се28Ь2Те5...............................................88

3.1. СПЕКТРЫ ОТРАЖЕНИЯ ГИБРИДНЫХ СТРУКТУР С РАЗЛИЧНОЙ ТОЛЩИНОЙ СЛОЯ Се28Ь2Те5...............................................................................88

3.2. СПЕКТРЫ ОТРАЖЕНИЯ ГИБРИДНЫХ СТРУКТУР С РАЗЛИЧНОЙ ТОЛЩИНОЙ ПЛЕНКИ ОПАЛА............................................................................90

3.3. ЗАВИСИМОСТЬ СПЕКТРОВ ОТРАЖЕНИЯ ГИБРИДНЫХ СТРУКТУР ОТ УГЛА ПАДЕНИЯ И ПОЛЯРИЗАЦИИ СВЕТА..................................................................92

3.4. АЗИМУТАЛЬНЫЕ ЗАВИСИМОСТИ СПЕКТРОВ ОТРАЖЕНИЯ ГИБРИДНЫХ СТРУКТУР.........................................................................................................101

3.5. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ....................................................................103

3.5.1. Аномалии Вуда........................................................................................104

3.5.2. Качественный анализ результатов эксперимента....................................107

3.5.3. Полуколичественный подход объяснения результатов эксперимента........113

3.5.4. Взаимодействие аномалии Вуда и 3D брэгговского резонанса....................120

3.6. ЧИСЛЕННЫЙ РАСЧЕТ СПЕКТРОВ ОТРАЖЕНИЯ ГИБРИДНЫХ СТРУКТУР OnAJI/Ge2Sb2Te5.................................................................................................122

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 3......................................................................................127

ГЛАВА 4. УПРАВЛЕНИЕ ОПТИЧЕСКИМ ОТКЛИКОМ ГИБРИДНЫХ СТРУКТУР ОПАЛ/Ge2Sb2Te5.........................................................................129

4.1. ИЗМЕНЕНИЕ ОПТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПЛЕНОК Ge2Sb2Te5 ПОД ВЛИЯНИЕМ ТЕМПЕРАТУРЫ И ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ...................................................129

4.2. УПРАВЛЕНИЕ ОПТИЧЕСКИМ ОТКЛИКОМ ГИБРИДНЫХ СТРУКТУР ОПАЛ/Ое28Ь2Те5 С ПОМОЩЬЮ ТЕМПЕРАТУРЫ И ЛАЗЕРНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ ...........................................................................................................................134

4.3. ВЫСОКОКОНТРАСТНЫЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ УСТРОЙСТВ ЭНЕРГОНЕЗАВИСИМОЙ ФАЗОВОЙ ПАМЯТИ НА ОСНОВЕ ГИБРИДНЫХ СТРУКТУР OnAJI/Ge2Sb2Te5...............................................................................137

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 4......................................................................................140

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.................................................................................................142

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ.........................145

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...............................................................................148

Основные условные обозначения и сокращения

ФК - фотонный кристалл

ХСП - халькогенидный стеклообразный полупроводник

GST - Ge-Sb-Te

GST225 - Ge2Sb2Te5

ID - одномерный

2D - двухмерный

3D - трехмерный

ФЗЗ - фотонная запрещенная зона

СЭМ - сканирующая электронная микроскопия

АСМ - атомно-силовая микроскопия

ГЦК - гранецентрированная

ЛЭД - лазерное электродиспергирование

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы.

Тематика фотонных кристаллов (ФК) - интенсивно развивающееся направление современной физики конденсированного состояния, оптики и физического материаловедения. Общее количество публикаций по этой теме (включая десятки статей в таких журналах как Nature, Science, Phys. Rev. Lett) приближается к 20000. Основное свойство ФК - существование энергетических запрещенных зон для фотонов. Наличие фотонно-кристаллической зонной структуры позволяет осуществить контроль, управление и модификацию световых потоков внутри ФК и открывает пути их возможных применений в оптоэлектронике и нанофотонике [1].

Одним из эффективных способов управления свойствами ФК является использование для его создания материалов, обладающих фазовым переходом, например, сложных халькогенидов системы Ge-Sb-Te (GST) и их аналогов, уже широко применяемых в настоящее время для создания быстродействующих устройств энергонезависимой фазовой памяти и пороговых переключателей для современных компьютерных технологий [2]. Разработка принципов создания гибридных пленочных структур опал/халькогенидные стеклообразные полупроводники (ХСП) и их реализация даст уникальную возможность совместить в едином объекте пространственно-периодическую структуру опала (ФК) со специфическими свойствами халькогенидов, такими как оптическая память, обратимая кристаллизация-аморфизация, фотоиндуцированные структурные трансформации, фотоиндуцированная анизотропия, фотолегирование, сильная оптическая нелинейность и т.д. С одной стороны, исследования подобных структур представляют несомненный интерес для решения фундаментальной проблемы - как необычные свойства сложных халькогенидных полупроводниковых сплавов, определяемые их составом, а также температурными и фотоиндуцированными изменениями структурных

и оптических характеристик, влияют на специфику распространения света в ФК. С другой стороны, изучение подобных структур - путь к созданию новых устройств для управления световыми потоками, работающих по принципу "свет-свет" или "электрическое поле-свет" и характеризуемых высоким быстродействием и большой глубиной модуляции сигналов.

Цель работы.

Целью работы является разработка лабораторной методики синтеза пространственно-периодических пленочных гибридных структур ФК (опал)/ХСП (0е28Ь2Те5-08Т225), экспериментальное и теоретическое исследование особенностей распространения света в таких структурах, а также изучение возможности управления оптическим откликом синтезированных гибридных структур с помощью внешних воздействий.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1. Разработать методику синтеза фотонно-кристаллических гибридных структур опал/С8Т225, позволяющую создавать однородное по составу и равномерное по толщине покрытие опаловых шаров слоем 08Т225;

2. Исследовать геометрические (пространственный рельеф верхнего монослоя опала, покрытого 08Т225) и структурные (фазовое состояние) свойства исходных и отожженных гибридных структур;

3. Исследовать оптический отклик гибридных структур. Изучить влияние толщины слоя 08Т225, угла падения света и относительной ориентации плоскости падения света к кристаллографическим направлениям ФК на спектры отражения гибридных структур;

4. Развить качественный феноменологический подход, описывающий экспериментальные данные;

5. Изучить возможности управления оптическим откликом фотонно-кристаллических гибридных структур за счет фазовых превращений в слое 08Т225 при воздействии температуры и/или лазерного излучения.

Научная новизна.

1. Предложена и реализована оригинальная концепция управляемых фотонно-кристаллических гибридных структур, в которых в качестве управляемого элемента использовано сложное халькогенидное соединение, обладающее фазовым переходом аморфное-кристаллическое состояние;

2. Исследован оптический отклик фотонно-кристаллических гибридных структур опал/С8Т225 и продемонстрирована важная роль в его формировании дифракционных аномалий (аномалий Вуда), возникающих вследствие резонансной связи между падающим светом и квазиволноводными модами, возбуждающимися в поверхностном слое гибридной структуры.

3. В гибридных структурах опалА58Т225 детально исследована зависимость спектрального положения аномалии Вуда от условий эксперимента (угла падения света; относительной ориентации плоскости падения света к кристаллографическим направлениям ФК), геометрических параметров структур (толщины слоя 08Т225) и диэлектрических констант слоя 08Т225;

4. Развит оригинальный феноменологический подход, учитывающий частотную дисперсию квазиволноводных мод, который дает возможность наглядно интерпретировать результаты эксперимента. Получено аналитическое выражение, позволяющее количественно описать зависимости положения аномалии Вуда от толщины слоя 08Т225 и угла падения света.

5. Показана возможность управления оптическим откликом гибридных структур опалЛ38Т225 с помощью стимулированного температурой и/или лазерным излучением изменения фазового состояния слоя 08Т225.

Практическая значимость.

Пленочные фотонно-кристаллические гибридные структуры опал/С8Т225, синтезированные и исследованные в настоящей работе, могут служить основой для создания прототипов элементов (ячеек памяти, мультиплексоров, модуляторов, коммутаторов) для нового поколения

оптических микрочипов, отличающихся высоким быстродействием, долговременной стабильностью характеристик, малым энергопотреблением.

Основные положения^ выносимые на защиту.

1. Разработанный метод термического испарения в вакууме объемного халькогенидного соединения Се2ЗЬ2Те5 позволяет создавать пленочные фотонно-кристаллические гибридные структуры опал/Ое28Ь2Те5, в которых слой ОегЗЬгТез покрывает поверхность пленки опала однородно по составу и равномерно по толщине, повторяя рельеф верхнего монослоя гексагонально-упорядоченных шаров аморфного БЮг, формирующих опаловую пленку.

2. Оптический отклик фотонно-кристаллической гибридной структуры опал/Ое28Ь2Те5 на воздействие электромагнитного излучения формируется комбинацией следующих процессов: 1) брэгговской дифракцией света на периодической системе плоскостей трехмерного фотонного кристалла; 2) брэгговской дифракцией света на двухмерно-упорядоченной поверхности гибридной структуры; 3) аномалиями Вуда, возникающими при резонансе между падающим излучением и квазиволноводными модами в поверхностном слое гибридной структуры; 4) интерференцией Фабри-Перо на всей толщине пленочной гибридной структуры.

3. Наблюдаемые в эксперименте особенности спектрально-угловых зависимостей аномалии Вуда в фотонно-кристаллической гибридной структуре опал/Ое28Ь2Те5, а именно, сдвиг максимумов в длинноволновую сторону по мере увеличения угла падения света и толщины слоя Ое28Ь2Те5 и выполаживание спектрально-угловой зависимости с ростом толщины слоя Се28Ь2Те5 адекватно описываются теоретической моделью, учитывающей вид дисперсии квазиволноводных мод и включающей два параметра (эффективный показатель преломления (п*) волноводного слоя гибридной структуры и величину поперечной компоненты волнового вектора (к2) квазиволноводной моды).

4. Индуцированный внешним воздействием фазовый переход аморфное-кристаллическое состояние в пленке Се28Ь2Те5 контролирует

интенсивность и спектральное положение аномалии Вуда, превращая гибридную структуру опал/Се28Ь2Те5 в элемент с высоким оптическим контрастом для управления световыми потоками.

Достоверность и надежность полученных результатов обеспечивается использованием хорошо проверенных экспериментальных методик и теоретических методов анализа и подтверждается согласованностью количественных расчетов с полученными и известными из литературы экспериментальными данными, а также с общепринятыми теоретическими представлениями.

Апробация работы. Основные результаты работы были представлены на следующих научных конференциях: VII Международной конференции «Аморфные и микрокристаллические полупроводники», С.-Петербург, 2010; I Международного симпозиума «Физика межфазных границ и фазовые переходы», Ростов-на-Дону, 2011; Конференции по физике и астрономии для молодых ученых Санкт-Петербурга и Северо-запада "Физика. СПб", С.Петербург, 2011; Международной зимней школе по физике полупроводников, Зеленогорск, 2012; Всероссийской молодежной конференции «Опалоподобные структуры», С.-Петербург, 2012; VIII Международной конференции «Аморфные и микрокристаллические полупроводники», С.-Петербург, 2012; Российской молодежной конференции по физике и астрономии "Физика. СПб", С.-Петербург, 2012; 21th Int. Symp. «Nanostructures.'Physics and Technology», С.-Петербург, 2013; XI Российской конференции по физике полупроводников, С.-Петербург, 2013.

Победитель конкурса инновационных проектов по программе «У.М.Н.И.К.», С.-Петербург, 2012.

Публикации. Материалы диссертационной работы опубликованы в 4 статьях в журналах, рекомендованных ВАК, и 11 трудах и тезисах докладов на конференциях.

Личный вклад автора. Автор диссертации принимал участие в постановке целей и задач работы, конструировании экспериментальной установки и изготовлении образцов для исследований, проведении оптических исследований, обработке и интерпретации экспериментальных результатов, написании научных статей в составе авторского коллектива и подготовке их к опубликованию, представлял доклады по теме работы на конференциях.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Общий объем диссертации составляет 161 страницы машинописного текста, включая 82 рисунка и 1 таблицы. Список литературы содержит 140 ссылок.

Глава 1. Обзор литературы

1.1. Фотонные кристаллы

Концепция ФК была сформулирована в пионерских публикациях Е. Яблоновича [3] и С. Джона [4] и получила дальнейшее развитие в работах [59]. Она основывается на аналогии между электронами в периодическом потенциале кристаллической решетки и электромагнитными волнами в среде с периодически модулированной диэлектрической проницаемостью. Вместе с тем следует подчеркнуть, что впервые возможность управления спонтанным излучением атомов, находящихся в периодической среде с сильной модуляцией диэлектрических констант, была показана в теоретической работе нашего соотечественника В. П. Быкова [10].

Детальному описанию свойств одномерных (Ш), двумерных (2Б) и ЗБ ФК посвящено большое количество прекрасных монографий, вышедших в последние годы [1, 11-14]. Здесь мы ограничимся основными сведениями о ФК, необходимыми для изложения конкретных результатов диссертационной работы.

Отклик вещества на воздействие электромагнитных волн описывается его диэлектрической проницаемостью е и магнитной восприимчивостью ¡л. Диэлектрическая проницаемость в общем случае комплексная величина е=е'+е". Ее действительная часть е' описывает преломляющие свойства вещества и часто представляется показателем преломления. Мнимая часть е описывает диссипативное затухание интенсивности волны при поглощении. В большинстве материалах поглощение пренебрежимо мало, и £=£'. Кроме того, частотная зависимость е' также незначительна в широком диапазоне частот, и е'(со) является приближенно диэлектрической постоянной, обозначаемой просто как е. Материалы считают не магнитными, когда ^=1 и не зависит от пространственных координат.

Главное сходство между фотонным и электронным кристаллами - это их трансляционная симметрия. ФК должны удовлетворять требованиям

периодической модуляции их диэлектрических свойств с в пространстве. Простой способ реализации ФК - взять материал с диэлектрической проницаемостью 81, периодически удалить из него часть объема, и заполнить его материалом с другой диэлектрической проницаемостью 82 ф В итоге получим диэлектрический контраст Несмотря на то, что воздух имеет низкое значение £=1, ФК может быть сформирован, периодически удалив часть материала с диэле�