Композитные структуры с фотонной запрещенной зоной на основе пористого кремния и их оптические и нелинейно-оптические свойства

Сычев, Федор Юрьевич

Композитные структуры с фотонной запрещенной зоной на основе пористого кремния и их оптические и нелинейно-оптические свойства тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

Сычев, Федор Юрьевич АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Москва МЕСТО ЗАЩИТЫ

2010 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.05 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Композитные структуры с фотонной запрещенной зоной на основе пористого кремния и их оптические и нелинейно-оптические свойства»

Автореферат диссертации на тему "Композитные структуры с фотонной запрещенной зоной на основе пористого кремния и их оптические и нелинейно-оптические свойства"

Г)

□□3493327

На правах рукописи

Сычев Федор Юрьевич

КОМПОЗИТНЫЕ СТРУКТУРЫ С ФОТОННОЙ

ЗАПРЕЩЕННОЙ ЗОНОЙ НА ОСНОВЕ ПОРИСТОГО КРЕМНИЯ И ИХ ОПТИЧЕСКИЕ И НЕЛИНЕЙНО-ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

Специальность 01.04.05 - оптика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

1 1 МА? 2010

Москва - 2010

003493327

Работа выполнена на кафедре квантовой электроники Физического факультета Московского государственного университета имени М. В. Ломоносова

Научный руководитель: доктор физико-математических наук, профессор Акципетров Олег Андреевич

Официальные оппоненты: доктор физико-математических паук,

профессор Яковлев Владимир Александрович Институт спектроскопии РАН (г. Троицк)

Ведущая организация: Физико-технический институт

имени А. Ф. Иоффе РАН (г. Санкт-Петербург)

Защита состоятся 24 марта 2010 г. в 15 часов яа заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д501.001.45 при Московском государственном университете имени М.В. Ломоносова по адресу: Россия, 119991, Москва, Ленинские горы, дом 1, строение 5 (19 корпус НИИ ядерной физики имени Д.В. Скобельцына МГУ) в ауд. 2-15.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НИИ ядерной физики имени Д.В. Скобельцына МГУ имени М.В. Ломоносова.

Автореферат разослан " /3 " февраля 2010 г.

Ученый секретарь совета по защите

докторских и кандидатских диссертаций Д501.001 ¿я

кандидат физико-математических наук, доцент Шкуринов Александр Павлович Физический факультет МГУ

кандидат физико-математических наук

Общая характеристика работы

Диссертационная работа посвящена исследованию круга задач, связанных с получением новых функциональных композитных структур с фотонной запрещенной зоной (ФЗЗ) и комплексному изучению их структурных, оптических и нелинейно-оптических свойств.

В общем случае, под структурами с ФЗЗ подразумевают объекты с изменяющейся в пространстве с периодом порядка длины волны диэлектрической проницаемостью. Периодическое варьирование оптических параметров изменяет спектральную плотность мод электромагнитного поля, что может привести к запрету распространения электромагнитных волн внутри структуры в некотором частотно-угловом диапазоне. Данная область частот получила название фотонной запрещенной зоны, а структуры с ФЗЗ - общее название фотонные кристаллы (ФК). Внесение определенных искажений в периодичность структуры ФК может привести к появлению внутри его ФЗЗ разрешенных мод. Такие ФК имеют название фотоннокристаллических микрорезонаторов (МР), важным свойством которых является пространственная локализации электромагнитного поля с частотой разрешенной моды в области нарушения периодичности. Активные исследования ФК начались с работы [1], в которой автор предложил использовать фотоннокристалличе-ские структуры для повышения эффективности полупроводниковых лазеров и фотогальванических элементов и рассмотрел возможности получения таких структур. К настоящему времени разработаны разнообразные методы получения ФК, их оптические свойства хорошо изучены и они нашли свое применение в оптике, устройствах оптоэлектроники и лазерной технике |2].

Функциональные свойства структуре с ФЗЗ сообщает материал с соответствующими специфическими свойствами. В некоторых случаях возможно изготовление ФК непосредственно из функционального материала, однако число таких материалов сильно ограничено. Возможно другое решение: фо-тоннокристаллическая структура формируется материалом, не обладающим необходимой функциональностью, а затем необходимый функциональный материал внедряется в структуру, сообщая ей новые свойства. В результате, такой ФК представляет собой композитную структуру.

В данной работе рассматриваются функциональные композитные структуры с ФЗЗ на основе пористого кремния. Пористый кремний [3] образуется путем электрохимического травления кристаллического кремния и является удобным материалом для формирования одномерных структур с ФЗЗ в оптическом диапазоне. Широкий диапазон параметров электрохимического травления позволяют получать как брэгговские зеркала с высоким коэффициентом отражения, которые затем можно комбинировать с другими материалами, так и структуры с ФЗЗ, поры которых возможно заполнить функциональным материалом. При этом процедура формирования структур из пористого кремния относительно проста, имеет хорошую воспроизводимость и предсказуемость. Все это делает пористый кремний привлекательным материалом для разработки новых композитных структур.

В работе изучаются как оптические свойства композитных структур на основе пористого кремния, характеризующие особенности их ФЗЗ, так и нелинейно-оптические свойства. С фундаментальной точки зрения интерес к нелинейно-оптическим свойствам продиктован возможностью получения новой информации о строении и свойствах материалов. Их изучение имеет и практическое значение, например, для получения эффективной генерации излучения на суммарной частоте или для изготовления устройств, основанных на эффектах самофокусировки и самоограничения интенсивности излучения.

Целью диссертационной работы является разработка методов изготовления композитных структур с фотонной запрещенной зоной на основе пористого кремния и исследование их оптических и нелинейно-оптических свойств - генерации второй и третьей оптических гармоник, гиперрэлеев-ского рассеяния, эффекта светового самовоздействия.

Актуальность работы определяется интересом к созданию новых типов фотоннокристаллических структур и всестороннему их исследованию, в том числе для реализации возможности их практического использования в устройствах фотоники. Большое количество исследований, проведенных за последнее десятилетие, было ориентировано прежде всего на изучение уникальных оптических свойств фотоннокристаллических структур и взаимного влияния на них материала структуры. При этом большой класс материалов, из которых нельзя непосредственно сформировать структуру с ФЗЗ, преимущественно остается за пределами исследований. В работе решаются актуальные вопросы возможности сочетания свойств функциональных материалов и фотоннокристаллических свойств в перспективных композитных фотоннокристаллических структурах, а также изучение их взаимного влияния и наблюдение новых эффектов.

Научная новизна работы состоит в следующем:

• отработана методика и изготовлены образцы одномерных фотоннокристаллических структур на основе пористого кремния со средним диаметром пор до 90 нм, имеющие ФЗЗ в оптическом диапазоне длин волн, перспективные для получения композитных фотоннокристаллических структур;

• обнаружено и систематически исследовано гиперрелеевское рассеяние на частоте второй гармоники в МР моде фотоннокристаллического микрорезонатора на основе пористого кремния;

• впервые получены и исследованы композитные фотоннокристалличе-ские микрорезонаторы на основе пористого кремния и сегнетоэлектри-ка нитрита натрия, обладающие свойством температурной перестройки положения МР моды и ФЗЗ;

• впервые методом генерации второй оптической гармоники наблюдался сегнетоэлектрический фазовый переход нитрита натрия в объеме тонкой пленки пористого кремния со средним диаметром пор 90 нм;

• впервые получены и исследованы композитные фотоннокристалличе-ские микрорезонаторы с брэгговскими зеркалами на основе пористого кремния и с МР слоем на основе нелинейного полимера.

Практическая ценность работы заключается в экспериментальной демонстрации возможности использования кремниевых микроструктур в такой активно развивающейся области как фотоника. Развитие методов получения функциональных композитных кремниевых структур и исследование их оптических и нелинейно-оптических свойств позволяют ответить на важные вопросы о жизнеспособности кремниевых устройств фотоники, их потенциальных возможностях и перспективах дальнейшего развития.

Достоверность и надежность результатов обеспечена применением набора взаимно-дополняющих экспериментальных методик, а так же детальным анализом физических явлений и процессов, определяющих оптические свойства исследуемых структур. В значительной степени достоверность полученных результатов подтверждается хорошим согласием между экспериментально полученными данными и значениями, рассчитанными в рамках общепринятых физических моделей.

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. Метод электрохимического травления позволяет изготавливать одномерные фотоннокристаллические структуры с ФЗЗ в оптическом диапазоне на основе пористого кремния с размером пор в десятки нанометров, что позволяет использовать их как матрицы для композитных ФК.

2. Генерация второй оптической гармоники в фотоннокристаллических микрорезонаторах на основе пористого кремния с размером пор в десятки нанометров наблюдается в форме гиперрелеевского рассеяния.

3. В фотоннокристаллических структурах на основе пористого кремния и сегнетоэлектрика нитрита натрия достигается спектральный сдвиг ФЗЗ и МР моды, индуцированный температурой.

4. Методом генерации второй оптической гармоники наблюдается сегне-тоэлектрический фазовый переход нитрита натрия в объеме тонкой пленки пористого кремния.

5. Композитные фотоннокристаллические микрорезонаторы с брэггов-скими зеркалами на основе пористого кремния и с МР слоем из нелинейного полимера обладают параметрами ФЗЗ не хуже, чем анало-

гичные структуры целиком из пористого кремния, и демонстрируют значительное усиление нелинейно-оптических свойств.

Апробация результатов работы проводилась на конференциях: Международное рабочее совещание " Нанофотоника - 2004", Нижний Новгород, Россия, март 2004; Международная конференция "Smart Structures and Materials 2005", Сан Диего, США, март 2005; Международная конференция "International Conference on Coherent and Nonlinear Optics" (ICONO), Санкт-Петербург, Россия, май 2005; X симпозиум " Нанофизика и наноэлек-троника", Нижний Новгород, Россия, март 2006; Международная конференция "International Conference on Coherent and Nonlinear Optics" (ICONO), Минск, Белоруссия, май 2007; Международная конференция " Microtechnologies for the New Millennium" (MNM), Маспаломас, Испания, май 2007; XII симпозиум " Нанофизика и наноэлектроника", Нижний Новгород, Россия, март 2008. По материалам диссертации опубликовано б печатных работ.

Личный вклад автора: все результаты диссертации получены автором лично, либо при его непосредственном участии.

Структура и объем работы: диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы.

Содержание диссертации

Во Введении показана актуальность темы диссертационной работы, сформулированы ее цели и задачи, приведено краткое содержание работы по главам.

Глада I представляет собой обзор литературы, в котором описаны основные свойства структур с фотонной запрещенной зоной и пористого кремния. В параграфе 1 приведены основы теории распространения электромагнитных волн в структурах с периодической модуляцией диэлектрической проницаемости, рассмотрены основные оптические и нелинейно-оптические свойства структур с фотонной запрещенной зоной, описаны основные методы изготовления таких структур, а также приведены основные существующие на сегодняшний день методы изготовления функциональных структур с ФЗЗ и направления их развития. Параграф 2 посвящен пористому кремнию, приведено описание технологии его изготовления методом электрохимического

травления и зависимости его морфологии от параметров травления, описание технологии изготовления структур с фотонной запрещенной зоной на его основе, а также приведены основные оптические и нелинейно-оптические свойства пористого кремния. В параграфе 3 описаны основные использовавшиеся в работе экспериментальные установки.

Глава II "Композитные структуры с фотонной запрещенной зоной на основе макропористого кремния" посвящена разработке метода изготовления одномерных функциональных композитных структур с ФЗЗ в оптическом диапазоне на основе пористого кремния. В основе метода лежит изготовление фотоннокристаллической матрицы на основе пористого кремния и внедрение функционального материала в его поры, что приводит к сочетанию в получаемой композитной структуре ФЗЗ исходной матрицы и функциональных свойств внедряемого материала.

При решении этой задачи в первую очередь была разработана технология изготовления подходящей одномерной пористой фотоннокристаллической матрицы, чему посвящен параграф 1 данной главы. Такая матрица должна удовлетворять двум условиям: во-первых иметь выраженную фотонную запрещенную зону, во-вторых обеспечивать возможность внедрения в ее поры какого-либо материала. Одновременное выполнение этих двух условий затруднительно, поскольку для эффективного внедрения материала диаметр пор структуры должен быть как можно большим, тогда как для обеспечения оптической однородности пористой структуры и существования ФЗЗ диаметр пор должен быть много меньше длины волны излучения. В результате исследования зависимости морфологии и параметров пористого кремния от условий электрохимического травления была разработана технология получения компромиссной структуры на основе пористого кремния п-типа со средним диаметром пор от 50 до 90 нм, обеспечивающей одновременное удовлетворительное выполнение предъявляемых к фотоннокристаллической матрице условий. Выбранные морфология и диаметр пор обеспечивают возможность внедрения какого-либо материала, при этом диаметр пор значительно меньше длин волн излучения оптического диапазона, что позволяет получить структуру с удовлетворительным фотоннокристалличе-скими свойствами. Изготовленный по разработанной технологии фотонный кристалл был изучен методом электронной растровой микроскопии, исследо-

650 700 750 800 850 900 950 1000 1050

Ь)

Длина волны,нм

Рис. 1: а) SEM изображение скола одномерного фотонного кристалла на основе пористого кремния. Фотонный кристалл состоит из 10 слоев с чередующимися пористостями, диаметр пор в низкопористых слоях составляет 50 нм, в высокопористых - 90 нм; первые два слоя отмечены стрелками. На вставке - увеличенное отдельной поры. Ь) Спектр отражения такого фотонного кристалла.

валы спектры отражения и генерация второй оптической гармоники. Полученные данные продемонстрировали характерные фотоннокристаллические свойства. На рисунке 1 приведено изображение скола такого фотонного кристалла, состоящего из 10 слоев, а также типичный спектр отражения.

Изготовление функциональной композитной структуры с ФЗЗ на основе пористой фотоннокристаллической матрицы описан в параграфе 2 данной главы. В качестве функционального материала был выбран сегнетоэлектрик нитрит натрия (КаГГОг). Интерес к данному материалу обусловлен двумя факторами. Во-первых, величина некоторых оптических параметров сегне-тоэлектриков значительно меняется при изменении температуры. К таким параметрам относится, например, квадратичная восприимчивость, что может быть использовано для получения композитной структуры с ФЗЗ с температурно-зависимыми нелинейно-оптическими свойствами. В ряде работ (например, [4]) было обнаружено, что показатель преломления исследуемого сегнетоэлектрика также чувствителен к температуре, данное свойство открывает путь для получения ФК с температурно-перестраиваемой ФЗЗ. Во-вторых, нитрит натрия растворим в воде, что дает возможность его введения в пористую структуру в виде раствора. Температура фазового перехода сегонетоэлектрик-параэлектрик ИаКОг (температура Кюри) равна 164°С, показатель преломления 1.45, температура плавления 271°С. В качестве фотоннокристаллической матрицы был выбран фотоннокристаллический мик-

а s

® 790-

3 800-

—<—

200

100

400 500 600 700 100 900 1009 1100

Длина волны, мм

Температура, 'С

Рис. 2: а) Зависимость от температуры спектрального положения мякрорезонаг торной моды композитного фотоннокристаллического микрорезонатора на основе пористого кремния с сегнетоэлектриком НаЛОг- Ь) Спектры отражения такого микрорезонатора при 50°С (сплошная линия) и при Х60°С (штриховая линия).

рорезонатор (МР), такая структура удобна для изучения динамики оптических свойств по положению МР моды, кроме этого, представляет интерес усиление связанных с функциональным материалом оптических эффектов вследствие локализации поля накачки в МР слое.

Разработанная процедура заполнения пористой фотоннокристалличе-ской матрицы нитритом натрия позволила получить композитную структуру со степенью заполнения до 20%. Оптические свойства полученного композитного фотоннокристаллического микрорезонатора были изучены в диапазоне температур 25-200°С. Обнаружено, что при увеличении температуры спектральное положение МР моды Амс и ФЗЗ смещается в сторону коротких длин волн. При этом, в диапазоне 25-50°С зависимость Амс{Т) является нелинейной и необратимой, что связывается с сорбцией/десорбцией паров воды нитритом натрия. В диапазоне 50-160°С (рисунок 2а) зависимость Амс{Т) имеет линейный характер, изменение положения МР моды составляет 15 нм. Дальнейшее увеличение температуры не влияет на положение Амс- Спектры отражения композитного микрорезонатора при температурах 50°С и 160°С приведены на рисунке 2Ъ. Зависимость спектральных свойств композитного микрорезонатора от температуры связывается с зависимостью диэлектрической проницаемости от температуры,

вследствие изменения его кристаллической структуры.

Также были изучены нелинейно-оптические свойства нитрита натрия в

объеме пористой структуры, а именно, изучен сегнетоэлектрический фазовый переход методом генерации отраженной второй гармоники (ВГ), используя установку на основе АИГ:Ш3+ лазера с длиной волны 1064 нм. Была изготовлена композитная пленка с NaNCb на основе пористого кремния, в которой наблюдалась зависимость интенсивности генерации ВГ от температуры. В области 25-140°С обнаружено монотонное уменьшение интенсивности ВГ, а в области 150°С - спадание до нуля, что обусловлено сегнетоэлектрическим фазовым переходом NaN02. В области фазового перехода интенсивность ВГ зависит от температуры по закону [%, ~ Ps2p ~ (Тс — Т), где Fsp - величина спонтанной поляризации, Тс - температура Кюри. Из экспериментальных зависимостей определено значение Тс = 154°С. Уменьшение температуры Кюри на 10°С по сравнению с микрокристаллическим NaNCb связывается с размерными эффектами в нанокристаллитах нитрита натрия [5].

Глава III "Исследование генерации второй и третьей оптических гармоник в фотоннокристаллических микрорезонаторах на основе макропористого кремния" посвящена изучению нелинейно-оптических свойств композитного фотоннокристаллического микрорезонатора на основе пористого кремния и нитрита натрия и сравнение их со свойствами фотоннокристаллического микрорезонатора на основе пористого кремния.

В параграфе 1 данной главы приведено краткое описание явления гипер-рэлеевского рассеяния света - генерации диффузного и деполяризованного излучения оптической гармоники.

В параграфе 2 описаны изученные образцы: были изготовлены образцы композитного фотоннокристаллического микрорезонатора с NaNOj и эквивалентный его исходной матрице микрорезонатор только на основе пористого кремния, имеющие МР моду в области 1064-1100 нм. Для нелинейно-оптических экспериментов использовалась установка на основе импульсного АИГ:Ш3+ лазера с длиной волны 1064 нм, длительностью импульса около 15 не и средней энергией в импульсе около 20 мДж. Данным исследованиям посвящены параграфы 3 и 4. Была изучена генерация второй и третьей оптических гармоник в пространстве волновых векторов. Наблюдалось, что интенсивность генерации ВГ в микрорезонаторной моде превышает интенсивность сигнала в запрещенной зоне в кремниевом МР - в 10 раз, в композитном МР - в 5 раз. Аналогично, интенсивность генерации ТГ в микро-

резонаторной моде превышает интенсивность сигнала в запрещенной зоне в кремниевом МР - в 12 раз, в композитном МР - в 10 раз.

Проведен анализ поляризации излучения ВГ и ТГ при генерации в МР моде для обоих образцов. Обнаружено, что при генерации ВГ в кремниевом МР излучение полностью деполяризовано, тогда как в композитном МР излучение является частично поляризованным. При генерации ТГ в МР моде излучение является полностью поляризованным для обоих образцов. Проведено измерение индикатрис рассеяния излучения ВГ и ТГ при генерации в МР моде для обоих образцов. Обнаружено, что генерация ВГ в кремниевом МР имеет диффузный характер, что проявляется в отсутствии зеркального пика ВГ. В композитном МР при генерации ВГ наблюдается как диффузная составляющая излучения, так и генерация ВГ в зеркальном направлении. Генерация ТГ для обоих образцов наблюдается в виде узких зеркальных пиков, угловая ширина которых сравнима с апертурой использовавшегося ФЭУ.

Параграф 5 посвящен анализу полученных данных. При генерации излучения ВГ и ТГ в микрорезонаторной моде вследствие эффекта локализации поля накачки можно считать, что основной вклад в генерацию вносят квадратичная и кубичная поляризации, наведенные в МР слое, поэтому для простоты можно принять, что в нем сосредоточены нелинейно-оптические свойства структуры. Для рассматриваемых образцов нелинейную поляризаг цию в МР слое можно разделить на следующие составляющие: поляризация Р„ в объеме кремния, поляризация Р'„ в объеме заполняющего поры нитрита натрия (только в случае композитного МР) и поверхностная поляризация Бп (дипольный момент единицы площади) стенок пор. Здесь индекс принимает значения п=2, 3, где 2 я 3 обозначают квадратичную и кубичную нелинейность соответственно. На основе полученных данных были сделаны следующие заключения.

Генерация ВГ в кремниевом микрорезонаторе. В этом случае вклад поверхностной диполъной поляризации преобладает над вкладом объемной квадрупольной поляризации Рз от объема кремния. Величина не имеет регулярной компоненты (8г)=0 вследствие того, что в плоскости распределение пор является статистически изотропным, а также статистически изотропным является случайное отклонение формы поперечного сечения пор от осесимметричной. Такое распределение источников приводят к генерации

диффузного и деполяризованного излучения ВГ - наблюдается гиперрэлеев-ское рассеяние. Из индикатрисы рассеяния сделана оценка корреляционной длины /сит, характеризующей размер области, в пределах которого нелинейные источники излучают когерентно. Данная величина составляет » 80 нм, что хорошо согласуется со средним диаметром пор МР слоя 90 нм.

Генерация ВГ в композитном микрорезонаторе. Нитрит натрия при температурах ниже температуры Кюри является нецентросимметричным материалом, поэтому основной вклад в генерацию излучения ВГ в композитном микрорезонаторе вносит объемная дипольная поляризация Р^. Вследствие особенностей технологии изготовления композитной структуры, при формировании кристаллитов нитрита натрия имеется выделенное направление -направление пор, т.е. нормальное поверхности образца. Это дает наличие ненулевой регулярной компоненты (Р'2), которая является источником генерации зеркально направленного и поляризованного излучения ВГ. Одновременно с этим, как и в случае кремниевого МР, имеет место диффузное излучение ВГ, обусловленное источниками 32. Анализ индикатрисы рассеяния дает два масштаба корреляционной длины, один из которых I^ « 80 нм связав с источниками Бг, другой Ьсал- « 3.4 мкм связан с источниками Р'2 и характеризует область в пределах которой напокристаллиты ИаМОг излучают когерентно.

Генерация третьей гармоники в кремниевом микрорезонаторе. В этом случае регулярная компонента (Р3) дипольной кубичной поляризации объема кремния является основным источником излучения ТГ, которое является поляризованным и зеркально направленным.

Генерация третьей гармоники в композитном микрорезонаторе. В этом случае регулярные компоненты (Р3) и (Р'3) дипольных кубичных поляризаций объемов кремния и нитрита натрия дают сравнимые вклады в генерат цто излучения ТГ, которое является поляризованным и зеркально направленным.

Глава ГУ "Композитные фотоннокристаллические микрорезонаторы на основе мезопористого кремния и полимера полиметилметакрилат" посвящена разработке еще одного нового метода изготовления функциональных композитных структур с ФЗЗ. Предложенная структура представляет собой

а)

верхнее ■*— брэгговское зеркало

микрорезо-*— наторный слой

нижнее брэгговское зеркало

кремниевая подложка

Рис. 3: а) Схема одномерного композитного фотоннокристаллического микрорезонатора с MP слоем из функционального материала. Нижнее зеркало - ФК из 7 пар слоев ПК на подложке; ка нем сформирован слой функционального материала; сверху размещается верхнее зеркало - ФК из 7 пар слоев ПК, отделенный от подложки, b) SEM изображение скола такого микрорезонатора с MP слоем из полимера ПММА-DTU.

одномерный фотоннокристаллический микрорезонатор, зеркалами которого служат фотонные кристаллы из пористого кремния, а микрорезонаторным слоем - функциональный материал. Благодаря сочетанию с микрорезона-торными свойствами, эффекты, связанные со свойствами функционального материала, могут получить значительное усиление вследствие эффекта локализации поля в MP слое. Кроме этого, управляемое изменение оптических свойств функционального материала открывает путь к управлению спектральными свойствами MP моды такой композитной структуры.

Данный метод основывается на технологии получения путем центрифугирования тонких пленок материалов с нанометровой точностью. В качестве таких материалов могут быть использованы золь-гель материалы, различные полимеры или полимерные композиты. В работе использовался оптически нейтральный полимер полиметилметакрилат (ПММА) с красителем "Disperse Red 1" (DR1), обладающим значительной кубичной нелинейностью в оптическом диапазоне х(3) до Ю-15 м2/В2. Описанию основных свойств полимера ПММА и красителя DR1 посвящены параграфы 1 и 2.

В параграфе 3 изложена процедура изготовления композитной структуры. Фотоннокристаллические зеркала изготавливались из пористого крем-

Рис. 4: Спектр отражения композитного фотоннокристаллического микрорезонатора с брэгговскими зеркалами на основе пористого кремния и с МР слоем из полимера ПММА с красителем БШ. (сплошная линия). Также приведен спектр отражения аналогичного по структуре микрорезонатора полностью на основе пористого кремния (штриховая линия).

ния с характерным диаметром пор менее 10 нм, который в оптическом диапазоне обладает высокой оптической однородностью и позволяет получать структуры с шириной ФЗЗ более 200 нм и коэффициентом отражения в ФЗЗ более 95%. На рисунке За приведена схема структуры. Нижнее брэгговское зеркало состоит из 7 пар слоев пористого кремния на кремниевой подложке и имеет ФЗЗ в области длин волн 700-900 нм. На этот фотонный кристалл методом центрифугирования наносится слой полимерного композита ПМ-МА/ОШ с оптической толщиной 400±10 нм для обеспечения спектрального положения МР моды около 800 нм. Затем, на слое полимерного композита размещается верхнее брэгговское зеркало, представляющее собой фотонный кристалл из 7 пар слоев пористого кремния, отделенный от подложки, и имеющий ФЗЗ также в области 700-900 нм. Изображение скола изготовленного микрорезонатора, полученное при помощи сканирующего электронного микроскопа (рисунок ЗЬ) демонстрирует высокое качество структуры, без дефектов и искажений. На рисунке 4 приведен спектр отражения композитного микрорезонатора, где для сравнения также приведен спектр микрорезонатора аналогичной структуры целиком из пористого кремния.

Краситель сообщает изготовленной композитной структуре нелинейно-оптический свойства, а именно кубичную нелинейность. Изучение

-1-------1-.-1--D.7-1—i-г---1---1-1---1

-1 0,1 2 -2-10123

z/z„ z/z0

Рис. 5: а) Нормированная зависимость коэффициента отражения при безапер-турном z-сканировании, демонстрирующая нелинейное поглощение. Ь) Нормированная зависимость коэффициента отражения при апертурном z-сканировании, демонстрирующая нелинейное преломление. Линиями проведены теоретические аппроксимации.

этих свойств, чему посвящен параграф 4, проводилось методом z-сканирова-ния, позволяющим измерить величины нелинейного преломления пг и нелинейного поглощения ß, непосредственно связанных с Rex'3' и Imx'3' [6]. Эксперименты осуществлялись на лазерной установке с перестраиваемой длиной волны на основе параметрического генератора света, с перестройкой длины волны в диапазоне длин волн 450-1000 нм, длительностью импульса около 15 не и средней энергией в импульсе около 7 мкДж. Была реализована схема г-сканирования на отражение, при котором образец зафиксирован, а сканирование осуществляется путем перемещения собирающей линзы вдоль оптической оси z, угол падения при этом составлял 7°. Отраженное от образца излучения регистрировалось фотодиодом, перед которым в случае апертурного z-сканирования устанавливалась диафрагма, в случае безапертурного г-сканирования диафрагма отсутствовала. Изучение нелинейно-оптических свойств композитного микрорезонатора проводилось на длине волны МР моды. Нормирование производилось на аналогичные зависимости, полученные для пластинки кремния.

На рисунке 5а приведена зависимость нормированного коэффициента отражения при безапертурном z-сканировании. По оси абсцисс отложено расстояние z от образца до фокуса линзы, нормированное на дифракционную длину пучка лазерного излучения Zq = 7Гш§/А, где wo - диаметр пучка в фо-

кусе линзы, Л - длина волны излучения. Аппроксимация экспериментальных данных теоретической зависимостью дает оценку нелинейного поглощения /3« 2 х КГ3 см/Вт. На рисунке 5Ь приведена зависимость нормированного коэффициента отражения при апертурном г-сканировании. В этом случае аппроксимация экспериментальных данных теоретической зависимостью дает оценку нелинейного преломления пз « 2 х Ю-8 см2/Вт. Аналогичные измерения, проведенные для пленки ПММА/БШ (с равной МР слою толщиной) на кремниевой подложке не показали ни нелинейного поглощения, ни нелинейного преломления. Данный факт позволяет утверждать, что в микрорезонаторной структуре имеет место усиление данных эффектов по меньшей мере на два порядка.

В Заключении сформулированы основные результаты, полученные в диссертационной работе.

Основные результаты работы

1. Разработан метод получения фотоннокристаллических матриц для изготовления композитных функциональных одномерных фотонных кристаллов и микрорезонаторов с фотонной запрещенной зоной в оптическом диапазоне. Матрицы изготавливаются на основе пористого кремния п-типа со средним диаметром пор до 90 нм, что, с одной стороны, обеспечивает возможность эффективного внедрения функциональных материалов в пористую структуру, с другой - обеспечивает удовлетворительную оптическую однородность структуры в необходимом диапазоне длин волн. Полученные фотоннокри-сталлические матрицы демонстрируют характерные для одномерных фотонных кристаллов оптические свойства.

ненты. Из анализа индикатрисы рассеяния определено значение корреляционной длины нелинейных источников, равное 80 нм. Излучение третьей гармоники зеркально направлено и поляризовано, основной вклад в генерацию вносят дипольные источники в объеме кремния, флуктуационная компонента распределения дипольных моментов нелинейной поляризации пренебрежимо мала.

2. Разработал метод изготовления композитных структур на основе фо-тоннокристаллических матриц пористого кремния и сегнетоэлектрика нитрита натрия, обладающих температурно-перестраиваемой фотонной запрещенной зоной. Для композитного фотоннокристаллического микрорезонатора температурный сдвиг фотонной запрещенной зоны и микрорезонаторной моды превышает 30 нм при изменении температуры от 25°С до 160°С. В диапазоне от 50"С до 160°С сдвиг составляет 15 нм линейно по температуре (0.14 нм/°С), обратим и обусловлен температурным изменением показателя преломления нитрита натрия. В диапазоне от 25°С до 50°С сдвиг в значительной мере обусловлен десорбцией воды.

Методом генерации отраженной второй оптической гармоники обнаружен и исследован сегнетоэлектрический фазовый переход в композитных сегнетоэлектрических пористых пленках и фотоннокристаллических микрорезонаторах на основе матриц пористого кремния и нитрита натрия. Температура Кюри композитного материала составляет 154°С, что на 10°С меньше чем у микрокристаллического нитрита натрия. Уменьшение температуры Кюри обусловливается размерными эффектами в нанокристаллах нитрита натрия в порах структуры.

Образцы композитных фотоннокристаллических микрорезонаторов исследованы методом нелинейной спектроскопии второй и третьей оптических гармоник в к-пространстве. В микрорезонаторной моде интенсивность генерации второй и третьей гармоник превышает интенсивность сигнала в запрещенной зоне в 5 и 10 раз соответственно. В излучении второй гармоники наблюдается как зеркальная поляризованная, так и диффузная деполяризованная компоненты. Основной вклад в генерацию вносят дипольные источники на поверхности пор кремния и в объеме сегнетоэлектрика, распределение дипольных моментов нелинейной поляризации имеет регулярную и флуктуадионную компоненты. Индикатриса рассеяния демонстриру-

ет существование двух масштабов неоднородностей нелинейных источников с корреляционными длинами 80 нм и 3.4 мкм. Излучение третьей гармоники зеркально направлено и поляризовано, основной вклад в генерацию вносят дипольные источники в объемах кремния и сегнетоэлектрика, флуктуацион-ная компонента распределения дипольных моментов нелинейной поляризации пренебрежимо мала.

3. Предложен и разработан метод изготовления функциональных композитных одномерных фотоннокристаллических микрорезонаторов с брэгтов-скими зеркалами на основе чередующихся слоев пористого кремния р-типа и микрорезонаторным слоем на основе функционального полимерного материала. Параметры фотонной запрещенной зоны полученных композитных структур не уступают структурам из пористого кремния - коэффициент отражения в запрещенной зоне более 95%, добротность микрорезонаторной моды более 50.

Методом z-сканирования исследованы кубичные нелинейно-оптические свойства композитных микрорезонаторов с микрорезонаторным слоем на основе полимера полиметилметакрилат и красителя "дисперсный алый" (Disperse Red 1). Определены эффективные значения нелинейного поглощения и нелинейного преломления, которые составили 2 х 10_3 см/Вт и 2 х 10~8 см2/Вт соответственно, что более чем на 2 порядка превышает значения этих величин для эквивалентной полимерной пленки с красителем.

Список работ, опубликованных по теме диссертации

1. Т. V. Murzina, F. Yu. Sychev, Е. М. Kim, Е. I. Rau, S. S. Obydena, О. A. Aktsipetrov, M. A. Bader, G. Marowsky, One-dimensional photonic crystals based on porous n-type silicon //J. Appl. Phys. 98,123702 (2005)

2. Ф. Ю. Сычев, Т. В. Мурзина, Е. М. Ким, О. А. Акципетров, Сегнето-электрические фотонные кристаллы на основе наноструктурированно-го цирконата-титаната свинца // ФТТ 47, 144 (2005)

3. Т. V. Murzina, F. Yu. Sychev, I. A. Kolmychek, O. A. Aktsipetrov, Tunable ferroelectric photonic crystals based on porous silicon templates infiltrated by sodium nitrite // Appl. Phys. Lett. 90, 161120 (2007)

4. Ф. Ю. Сычев, Р. В. Капра, И. А. Мошнина, А. А. Ежов, Т. В. Мур-зина, О. А. Акципетров, С. Ф. Каплан, Д. А. Курдюков, В. Г. Голубев, М. А. Бадер, Г. Маровский, Наноструктурированные одномерные и трехмерные магнитофотонные кристаллы на основе пористого кремния и искусственных опалов // Известия РАН, серия физическая 71, 29 (2007)

5. Т. V. Murzina, I. A. Kolmychek, A. I. Maidykovski, A. A. Nikulin, F. Yu. Sychev, О. A. Aktsipetrov, Second- and third-harmonic generation and hyper-Rayleigh scattering in porous-silicon-based photonic microcavities // Opt. Lett. 33, 2581 (2008)

6. F. Yu. Sychev, 1. Б. Razdolski, Т. V. Murzina, O. A. Aktsipetrov, T. Trifonov, S. Cheylan, Vertical hybrid microcavity based on a polymer layer sandwiched between porous silicon photonic crystals// Appl. Phys. Lett. 95, 163301 (2009)

Список литературы

[1] E. Yablonovitch, Inhibited spontaneous emission in solid-state physics and electronics//Phys. Rev. Lett.- 1987.- Vol.58, p.2059.

[2| J. Joannopoulos, R. Meade, J. Winn, Photonic Crystals: Molding the Flow of Light - Prinston: Prinston University Press, 1995.

[31 H. Foil, M. Christophersen, J. Carstensen, G. Hasse, Formation and application of porous silicon// Mater. Sci. and Eng.- 2002.- Vol.39, p. 93-141.

[4] O. A. Aktsipetrov, G. Kh. Kitaeva, A. N. Penin., Studying of ferroelectric phase transition in KDP by means of spontaneous parametric light scattering //Sov. Phys. Solid State- 1977,- Vol. 19, p. 582-585.

[5i A. V. Fokin, Yu. A. Kumzerov, N. M. Okuneva, A. A. Naberezhnov, S. B. Vakhrushev, I.V. Golosovsky, A. I. Kurbakov, Temperature evolution of sodium nitrite structure in a restricted geometry// Phys. Rev. Lett. - 2002. - Vol. 89, p. 175503.

[6] M. Sheik-Bahae, A. A. Said, D. J. Hagan T.-H. Wei, E. W . Van Stryland, Sensitive measurement of optical nonlinearities using a single beam// IEEE J. Quant. El. - 1990. - Vol. 26, p. 760-769.

Подписано к печати /б.АЙ.уд

Тнрок АйО— Заказ -¡9

Отпечатано в отделе оперативной печати физического факультета МГУ

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата физико-математических наук, Сычев, Федор Юрьевич

Введение

Глава I

Обзор литературы

1. Фотонные кристаллы и их основные свойства.

1.1. Распространение электромагнитных волн в периодической среде.

1.2. Нелинейно-оптические свойства однородной среды и влияние на них фотоннокристаллической структуры

1.3. Развитие методов изготовления фотонных кристаллов

1.4. Функциональные структуры с фотонной запрещенной зоной.

2. Пористый кремний.

2.1. Формирование пористого кремния.

2.2. Одномерные структуры на основе пористого кремния

2.3. Оптические и нелинейно-оптические свойства пористого кремния.

3. Экспериментальные установки.

3.1. Установка для электрохимического травления кремния

3.2. Установка для измерения спектров отражения и пропускания.

3.3. Установка на основе УАСгИс! лазера для угловой спектроскопии второй и третьей оптических гармоник

3.4. Установка на основе ПГС для экспериментов /-сканирования.

Глава II

Композитные структуры с фотонной запрещенной зоной на основе макропористого кремния

1. Структуры с фотонной запрещенной зоной на основе макропористого кремния.

1.1. Получение макропористого кремния методом электрохимического травления.

1.2. Формирование структур с фотонной запрещенной зоной.

1.3. Характеризация структур методами микроскопии и спектроскопии отражения и генерации ВГ.

2. Композитные сегнетоэлектрические структуры на основе макропористого кремния и нитрита натрия.

2.1. Основные свойства сегнетоэлектриков и иитрита натрия

2.2. Изготовление композитных структур на основе макропористого кремния и нитрита натрия.

2.3. Оптические свойства композитного сегнетоэлектриче-ского фотоннокристаллического микрорезонатора

2.4. Нелинейно-оптические свойства композитного сегпе-тоэлектрического фотоннокристаллического микрорезонатора

Глава III

Исследование генерации второй и третьей оптических гармоник в фотоннокристаллических микрорезонаторах на основе макропористого кремния

1. Рэлеевское и гиперрэлеевское рассеяние света.

2. Исследуемые образцы и их оптические свойства.

3. Изучение генерации второй гармоники.

4. Изучение генерации третьей гармоники.

5. Обсуждение результатов.

Глава IV

Композитные фотоннокристаллические микрорезонаторы на основе мезопористого кремния и полимера полиметилметакрилат

1. Полимер полиметилметакрилат (РММА) и его основные свойства.

2. Краситель Disperse Red (DR1) и его свойства.

3. Изготовление композитных структур и их характеризация

4. Нелинейно-оптические свойства композитных фотонных микрорезонаторов на основе мезопористого кремния и иолимера PMMA/DR1.

4.1. Нелинейное преломление и нелинейное поглощение.

4.2. Метод z-сканирования.

4.3. Исследование фотоннокристаллических микрорезонаторов методом z-сканирования.

Введение диссертация по физике, на тему "Композитные структуры с фотонной запрещенной зоной на основе пористого кремния и их оптические и нелинейно-оптические свойства"

Диссертационная работа посвящена исследованию круга задач, связанных с получением новых функциональных композитных структур с фотонной запрещенной зоной и комплексному изучению их структурных, оптических и нелинейно-оптических свойств.

В общем случае, под структурами с фотонной запрещенной зоной (ФЗЗ) подразумевают объекты с изменяющейся в пространстве с периодом порядка длины волны диэлектрической проницаемостью. Периодическое варьирование оптических параметров изменяет спектральную плотность мод электромагнитного поля, что может привести к запрету распространения электромагнитных волн внутри структуры в некотором частотно-угловом диапазоне. Данная область частот получила название фотонной запрещенной зоны, а структуры с ФЗЗ - общее название фотонные кристаллы (ФК) [1]. Если фотонная запрещенная зона существует для всех направлений в фотонном кристалле, то говорят о полной фотонной запрещенной зоне, а кристалл является трехмерным фотонным кристаллом. Если фотонная запрещенная зона существует в какой-либо плоскости кристалла - он является двухмерным фотонным кристаллом. И, наконец, если фотонная запрещенная зона есть только в одном направлении - кристалл является одномерным. Внесение определенных искажений в периодичность структуры ФК может привести к появлению внутри его ФЗЗ разрешенных мод. Такие ФК имеют название фотоннокристаллических микрорезонаторов (МР), важным свойством которых является пространственная локализации электромагнитного поля с частотой разрешенной моды в области нарушения периодичности. К настоящему времени, основные оптические свойства структур с фотонной запрещенной зоной достаточно хорошо изучены [2].

Фотонная запрещенная зона обуславливает разнообразные перспективы применения фотонных кристаллов. Поскольку в полупроводниках одним из основных каналов электронно-дырочной рекомбинации является спонтанное излучение, то его уменьшение при помещении активного вещества в фотоннокристаллический микрорезопатор, зеркала которого служат резонатором, делает возможным создание лазеров с предельно низким порогом возбуждения [1]. Благодаря особым дисперсионным свойствам, фотонные кристаллы оказываются весьма полезны в физике сверхкоротких световых импульсов. Например, совместное действие дисперсии фотонного кристалла и фазовой самомодуляции делает возможным сжатие и управление фазой фемтосекундных лазерных импульсов [3]. На основе материалов с фотонной запрещенной зоной возможно изготовление высокоэффективных одпомодовых светодиодов [4], од-номодовых световодов с очень низкими потерями [5], диэлектрических зеркал и фильтров.

Широкие возможности для исследований и разнообразных применений открываются при сообщении структурам с ФЗЗ дополнительных специфических функциональных свойств. "Функциональный" в данном случае означает возможность изменения оптических свойств материала (показателя преломления, коэффициента поглощения, нелинейной восприимчивости и т.п.) каким-либо внешним воздействием (электрическим или магнитным полем, оптическим излучением или изменением температуры), либо возможность преобразования частоты излучения (люминесценция, генерация оптических гармоник). Например, фотонный кристалл с нелинейно-оптическими свойствами позволяет получить эффективную генерацию оптических гармоник [6]. Обычно эффективность процесса умножения частоты в сплошных средах ограничена из-за мэйкеровских биений и усиление сигнала оптической гармоники становится возможным лишь при выполнении условий фазового синхронизма. Традиционно это достигается путём выбора определённого направления распространения в двулучепреломляющих кристаллах, тогда как в фотонных кристаллах реализуются ещё два способа - компенсация разности фаз связанной и свободной волн путём периодической модуляции линейной или нелинейной восприимчивости. Однако, одной из самых актуальных задач является получение фотонного кристалла с возможностью перестройки фотонной запрещенной зоны - управляемого изменения её спектрального положения или коэффициента отражения, что открывает путь к зеркалам с перестраиваемой полосой отражения, перестраиваемым фильтрам и более сложным устройствам.

Функциональные свойства структуре с ФЗЗ сообщает материал с соответствующими специфическими свойствами. Такой функциональный материал может быть исходным материалом при формировании фотон-нокристаллической структуры, в качестве примера можно привести одномерные магнитные фотонные кристаллы с использованием железо-иттриевого граната с добавлением висмута [7] или нелинейные фотонные кристаллы на основе нецентросимметричных ниобата лития и сульфида цинка [8,9]. В случае, например, опалов, представляющих собой трехмерный фотонный кристалл, применимо следующей способ: пространство между составляющими опал сферическими частицами заполняют функциональным материалом, затем частицы удаляют, в результате чего формируется инвертированная структура опала из функционального материала [10]. Возможно и третье решение: фотоннокристалличе-ская структура формируется материалом, не обладающим необходимой функциональностью, а затем необходимый функциональный материал внедряется в структуру, сообщая ей новые свойства. В результате, такой ФК представляет собой композитную структуру.

В данной работе рассматриваются функциональные композитные структуры с ФЗЗ па основе пористого кремния. Пористый кремний [11] образуется путем электрохимического травления кристаллического кремния и является удобным материалом для формирования разнообразных слоистых структур, в том числе и одномерных структур с ФЗЗ в оптическом диапазоне. Широкий диапазон параметров электрохимичсского травления позволяет получать как брэгговские зеркала с коэффициентом отражения до 99%, которые затем можно комбинировать с другими материалами, так и одномерные и двухмерные структуры с фотонной запрещенной зоной, поры которых возможно заполнить функциональным материалом. При этом процедура формирования структур из пористого кремния относительно проста, имеет хорошую воспроизводимость и предсказуемость. Все это делает пористый кремний привлекательным материалом для разработки новых композитных структур.

Целью диссертационной работы является разработка методов изготовления композитных структур с фотонной запрещенной зоной на основе пористого кремния и исследование их оптических и нелинейно-оптических свойств — генерации второй и третьей оптических гармоник, ги-перрэлеевского рассеяния, эффекта светового самовоздействия.

Актуальность работы определяется интересом к созданию новых типов фотоннокристаллических структур и всестороннему их исследованию, в том числе для реализации возможности их практического использования в устройствах фотоники. Большое количество исследований, проведенных за последнее десятилетие, было ориентировано прежде всего на изучение уникальных оптических свойств фотоннокристаллических структур и взаимного влияния на них материала структуры. При этом большой класс материалов, из которых нельзя непосредственно сформировать структуру с ФЗЗ, преимущественно остается за пределами исследований. В работе решаются актуальные вопросы возможности сочетания свойств функциональных материалов и фотоннокристал-личеекпх свойств в перспективных композитных фотоннокристалличе-ских структурах, а также изучение их взаимного влияния и наблюдение новых эффектов.

Научная новизна работы состоит в следующем:

• отработана методика и изготовлены образцы одномерных фотон-нокристаллических структур на основе пористого кремния со средним диаметром пор до 90 нм, имеющие ФЗЗ в оптическом диапазоне длин волн, перспективные для получения композитных фо-тоннокристаллических структур;

• обнаружено и систематически исследовано гиперрэлеевское рассеяние на частоте второй гармоники в МР моде фотонпокристалли-ческого микрорезонатора па основе пористого кремния;

• впервые получены и исследованы композитные фотоннокристалли-ческие микрорезонаторы па основе пористого кремния и сегнето-электрика нитрита натрия, обладающие свойством температурной перестройки положения МР моды и ФЗЗ;

• впервые получены и исследованы композитные фотоннокристал-лические микрорезонаторы с брэгговскими зеркалами на основе пористого кремния и с МР слоем на основе нелинейного полимера.

Достоверность и надежность результатов обеспечена применением набора взаимно-дополняющих экспериментальных методик, а также детальным анализом физических явлений и процессов, определяющих оптические свойства исследуемых структур. В значительной степени достоверность полученных результатов подтверждается хорошим согласием между экспериментально полученными данными и значениями, рассчитанными в рамках общепринятых физических моделей.

На защиту выносятся следующие основные положения:

2. Генерация второй оптической гармоники в фотоннокристалличе-ских микрорезонаторах на основе пористого кремния с размером пор в десятки нанометров наблюдается в форме гиперрэлеевского рассеяния.

4. Методом генерации второй оптической гармоники наблюдается се-гнетоэлектрический фазовый переход нитрита натрия в объеме тонкой пленки пористого кремния.

5. Композитные фотоннокристаллические микрорезонаторы с брэг-говскими зеркалами на основе пористого кремния и с MP слоем из нелинейного полимера обладают параметрами ФЗЗ не хуже, чем аналогичные структуры целиком из пористого кремния, и демонстрируют значительное усиление нелинейно-оптических свойств.

Апробация работы проводилась на следующих конференциях:

• Международное рабочее совещание " Нанофотоника - 2004 Нижний Новгород, Россия, март 2004.

• Международная конференция " Smart Structures and Materials 2005", Сан Диего, США, март 2005.

• Международная конференция " International Conference on Coherent and Nonlinear Optics" (ICONO), Санкт-Петербург, Россия, май 2005.

• X Симпозиум " Нанофизика и наноэлектроника", Нижний Новгород, Россия, март 2006.

• Международная конференция " International Conference on Coherent and Nonlinear Optics" (ICONO), Минск, Белоруссия, май 2007.

• Международная конференция " Microtechnologies for the New Millennium " (MNM), Маспаломас, Испания, май 2007.

• XII Симпозиум " Нанофизика и наноэлектроника", Нижний Новгород, Россия, март 2008.

Работа имеет следующую структуру:

• первая глава содержит обзор литературы, касающийся описания свойств структур с фотонной запрещенной зоной и развития методов их изготовления, а также свойств пористого кремния и формирования микроструктур на его основе;

• вторая глава посвящена разработке фотоннокристаллических структур на основе пористого кремния п-типа, композитных фотоннокристаллических структур на основе пористого кремния п-типа и сегнетоэлектрика нитрита натрия и исследованию их оптических свойств;

• третья глава посвящена исследованию методом спектроскопии второй и третьей оптических гармоник в к-пространстве фотоннокристаллических структур на основе пористого кремния п-типа и композитных фотоннокристаллических структур на основе пористого кремния п-типа и сегнетоэлектрика нитрита натрия;

• четвертая глава посвящена разработке фотоннокристаллических микрорезонаторных структур на основе пористого кремния и функционального полимерного материала в качестве микрорезо-наторного слоя, и исследованию их нелинейно-оптических свойств методом г-сканирования.

Заключение диссертации по теме "Оптика"

Заключение

Исследования, проведенные в рамках диссертационной работы, посвящены разработке методов изготовления функциональных одномерных структур с фотонной запрещенной зоной. Первый из предложенных методов заключается во внедрении функционального материала в поры структуры с фотонной запрещенной зоной на основе пористого кремния, которая играет роль фотонпокристаллической матрицы для внедряемого материала. Разработка такой матрицы является отдельной самостоятельной задачей, которая состоит в нахождении лучшей морфологии пор и максимальном увеличении диаметра пор при обеспечении приемлемых оптических свойств структуры. Второй метод заключается в формировании одномерного фотоннокристаллического микрорезонатора из двух фотоннокристаллических зеркал на основе пористого кремния, между которыми расположен полимерный микрорезонатор-ный слой, являющийся контейнером для функциональных материалов. Оба метода реализованы с использованием функциональных материалов - соответственно сегнетоэлектрика нитрита натрия и красителя "Disperse Red 1", обладающего значительной кубичной нелинейностью. Изучены оптические и нелинейно-оптические свойства каждого типа исследуемых структур.

В диссертационной работе получены следующие основные результаты:

1. Разработан метод получения фотоннокристаллических матриц для изготовления композитных функциональных одномерных фотонных кристаллов и микрорезонаторов с фотонной запрещенной зоной в оптическом диапазоне. Матрицы изготавливаются на основе пористого кремния n-типа со средним диаметром пор до 90 нм, что, с одной стороны, обеспечивает возможность эффективного внедрения функциональных материалов в пористую структуру, с другой - обеспечивает удовлетворительную оптическую однородность структуры в необходимом диапазоне длин волн. Полученные фотоннокристаллические матрицы демонстрируют характерные для одномерных фотонных кристаллов оптические свойства.

Образцы матриц фотоннокристаллических микрорезонаторов на основе пористого кремния п-типа со средним размером пор от 50 до 90 нм исследованы методом нелинейной спектроскопии второй и третьей оптических гармоник в к-щюстранстве. В микрорезонаторпой моде интенсивность генерации второй и третьей гармоник превышает интенсивность сигнала в запрещенной зоне в 10 и 12 раз соответственно. Генерация второй гармоники наблюдается в форме гиперрэлеевского рассеяния, основной вклад в генерацию вносят дипольныс источники на поверхности пор, распределение дипольных моментов нелинейной поляризации не имеет регулярной компоненты. Из анализа индикатрисы рассеяния сделана оценка корреляционной длины нелинейных источников, равная 80 нм. Излучение третьей гармоники зеркально направлено и поляризовано, основной вклад в генерацию вносят дипольные источники в объеме кремния, флуктуационпая компонента распределения дипольных моментов нелинейной поляризации пренебрежимо мала.

2. Разработан метод изготовления композитных структур на основе фотоннокристаллических матриц пористого кремния и сегнетоэлектри-ка нитрита натрия, обладающих температурно-перестраиваемой фотонной запрещенной зоной. Для композитного фотоннокристаллического микрорезонатора температурный сдвиг фотонной запрещенной зоны и микрорезонаторной моды превышает 30 нм при изменении температуры от 25°С до 160°С. В диапазоне от 50°С до 160°С сдвиг составляет 15 нм линейно по температуре (0.14 нм/°С). обратим и обусловлен температурным изменением показателя преломления нитрита натрия. В диапазоне от 25°С до 50°С сдвиг в значительной мере обусловлен десорбцией воды.

Методом генерации отраженной второй оптической гармоники обнаружен и исследован сегнетоэлектрический фазовый переход в композитных сегнетоэлектрических пористых пленках и фотоннокристалли-ческих микрорезонаторах на основе матриц пористого кремния и нитрита натрия. Температура Кюри композитного материала составляет 154±2°С, что на 10±2°С меньше чем у микрокристаллического нитрита натрия. Уменьшение температуры Кюри обусловливается размерными эффектами в нанокристаллах нитрита натрия в порах структуры.

Образцы композитных фотоннокристаллических микрорезонаторов исследованы методом нелинейной спектроскопии второй и третьей оптических гармоник в к-простраистве. В микрорезонаторной моде интенсивность генерации второй и третьей гармоник превышает интенсивность сигнала в запрещенной зоне в 5 и 10 раз соответственно. В излучении второй гармоники наблюдается как зеркальная поляризованная, так и диффузная деполяризованная компоненты. Основной вклад в генерацию вносят дипольные источники на поверхности пор кремния и в объеме сегнетоэлектрика, распределение диполь ных моментов нелинейной поляризации имеет регулярную и флуктуационную компоненты. Индикатриса рассеяния демонстрирует существование двух масштабов неод-нородностей нелинейных источников, сделаны оценки корреляционных длин 80 нм и 3.4 мкм. Излучение третьей гармоники зеркально направлено и поляризовано, основной вклад в генерацию вносят дипольные источники в объемах кремния и сегнетоэлектрика, флуктуационная компонента распределения дипольных моментов нелинейной поляризации пренебрежимо мала.

3. Предложен и разработан метод изготовления функциональных композитных одномерных фотоннокристаллических микрорезонаторов с брэгговскими зеркалами на основе чередующихся слоев пористого кремния р-типа и микрорезонаторным слоем па основе функционального полимерного материала. Параметры фотонной запрещенной зоны полученных композитных структур не уступают структурам из пористого кремния - коэффициент отражения в запрещенной зоне более 95%, добротность микрорезонаторной моды более 50.

Методом z-сканирования исследованы кубичные нелинейно-оптические свойства композитных микрорезонаторов с микрорезонаторным слоем на основе полимера полиметилметакрилат и красителя "дисперсный алый" (Disperse Red 1). Определены эффективные значения нелинейного поглощения и нелинейного преломления, которые составили 2 х 10~3 см/Вт и 2 х Ю-8 см2/Вт соответственно, что более чем на 2 порядка превышает значения этих величин для эквивалентной полимерной пленки с красителем.

Результаты диссертационной работы опубликованы в работах |101, 102,129-132].

Список источников диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Сычев, Федор Юрьевич, Москва

1. Е. Yablonovitch, Inhibited spontaneous emission in solid-state physics and electronics//Phys. Rev. Lett.- 1987,- Vol.58, p. 2059.

2. J. Joannopoulos, R. Meade, J. Winn, Photonic Crystals: Molding the Flow of Light. Prinston: Prinston University Press, 1995.

3. M. Scalora, J. P. Dowling, С. M. Bowden, M. J. Bloemer, Optical limiting and switching of ultrashort pulses in nonlinear photonic band gap materials//Phys. Rev. Lett.- 1994,- Vol. 73, p. 1368.

4. C. Weisbuch, H. Benisty, R. Houdre, Microcavities, photonic crystals and semiconductors from basic physics to applications in light emitters//International Journal of High Speed Electronics and Physics - 2000.- Vol.10, p. 339-354.

5. J. C. Knight, T. A. Birks, R. F. Cregan, P. St. J. Russell, J.-P. Sandro, Photonic crystals as optical fibres physics and applications// Optical Materials- 1999,- Vol. 11, p. 143-151.

6. O. A. Aktsipetrov, Т. V. Dolgova, A. A. Fedyanin, Т. V. Murzina, M. Inoue, K. Nishimura, H. Uchida, Magnetization-induced second-and third harmonic generation in magnetophotonic crystals// J. Opt.

7. Soc. Am. B- 2005.- Vol. 22, p. 176-186.

8. L. E. Myers, R. C. Eckardt, M. M. Fejer, R. L. Byer, W. R. Bosenserg, J. V. Pierce, Quasi-phase-matched optical parametric oscillators inbulk periodically poled LiNb03// J. Opt. Soc. Am. B- 1995.- Vol. 12, p. 2102.

9. H. L. Offerhaus D. J. Richardson D. C. Hanna N. G. R. Broderick, Hexagonally poled lithium niobate: a two-dimensional nonlinear photonic crystal//Phys. Rev. Lett.- 2000,- Vol.84, p. 4345.

10. M. Scharrer, X. Wu, A. Yamilov, H. Cao, R. P. H. Chang, Fabrication of inverted opal zno photonic crystals by atomic layer deposition // Appl. Phys. Lett.- 2005.- Vol.86, p. 151113.

11. H. Foil, M. Christophersen, J. Carstensen, G. Hasse, Formation and application of porous silicon//Mater. Sci. and Eng.- 2002,- Vol. 39, p. 93-141.

12. Sajeev John, Strong localization of photons in certain disordered dielectric superlattices // Phys. Rev. Lett.- 1987.- Vol.58, p. 2486-2489.

13. K. Sakoda, Optical Properties of Photonic Crystals. Springer, 2001.

14. R. D. Meade, K. D Brommer, A. M. Rappe, J. D. Joannopolous, Photonic bound states in periodic dielectric materials // Phys. Rev. B- 1991,- Vol.44, p. 13772-13774.

15. E. Yablonovitch, T. G. Gmitter, R. D. Meade, A. M. Rappe, K. D. Brommer, J. D. Joannopoulos, Donor and acceptor modes in photonic band structure//Phys. Rev. Lett.- 1991,- Vol.67, p. 3380.

16. M. Cazzanelli, L. Pavesi, Time-resolved photoluminescence of all-porous-silicon microcavities//Phys. Rev. B- 1997.- Vol. 56, p. 15264.

17. L. Pavesi, Porous silicon: a route towards a Si-based photonics? // Microelectronics J. 1996. - Vol. 27, p. 437-448.

18. A. Fainstein, B. Jusserand V. Thierry-Mieg, Raman scattering enhancement by optical confinement in a semiconductor planar microcavity // Phys. Rev. Lett.- 1995.- Vol.75, p. 3764.

19. L. A. Kuzik, V.A. Yakovlev, G. Mattei, Raman scattering enhancement in porous silicon microcavity//Appl. Phys. Lett.- 1999.- Vol. 75, p. 1830.

20. V. Pellegrini, A. Tredicucci, C. Mazzoleni, L. Pavesi, Enhanced optical properties in porous silicon microcavities//Phys. Rev. B- 1995.- Vol. 52, p. R14328.

21. L. Pavesi, C. Mazzoleni, A. Tredicucci, V. Pellegrini, Controlled photon emission in porous silicon microcavities // Appl. Phys. Lett.- 1995,- Vol.67, p. 3280.

22. И.Р. Шен, Принципы нелинейной оптики. Москва: Наука, 1989.

23. N. Bloembergen, P. S. Pershan, Light waves at the boundary of nonlinear media//Phys. Rev.- 1962,- Vol. 128, p. 606.

24. Ю. И. Сиротин, M. П. Шаскольская, Основы кристаллофизики. -M.: Наука, 1979.

25. J. A. Armstrong, N. Bloembergen, J. Ducuing, P. S. Pershan, Interactions between light waves in a nonlinear dielectric//Phys. Rev.- 1962,- Vol. 127, p. 1918.

26. N. Bloembergen, J. Sievers, Nonlinear optical properties of periodic laminar structures// Appl. Phys. Lett. 1970. - Vol. 17, p. 483.

27. A. Yariv, P. Yeh, Electromagnetic propagation in periodic stratified media. II. birefringence, phase matching, and x-ray lasers // J. Opt. Soc. Am.- 1977,- Vol.67, p. 438.

28. M. G. Martemyanov, E.M. Kim, T.V. Dolgova, A.A. Fedyanin, O.A. Aktsipetrov, G. Marowsky, Third-harmonic generation in siliconphotonic crystals and inicrocavities//Phys. Rev. B— 2004,— Vol.70, p.073311.

29. M. Moskovits, Surface-enhanced spectroscopy // Rev. Mod. Phys. -1985.- Vol.57, p. 783.

30. J. C. Knight, N. Dubreuil, V. Sandoghdar, J. Hare, V. Lefevre-Seguin, J. M. Raimond, S. Haroche, Mapping whispering-gallery modes in microspheres with near-field probe// Opt. Lett.— 1995.- Vol.20, p. 1515.

31. J. Trull, R. Vilaseca, J. Martorell, R. Corbalan, Second-harmonic generation in local modes of a truncated periodic structure // Opt. Lett.- 1995.- Vol.20, p. 1746.

32. H. Cao, D.B. Hall, J.M. Torkelson, C.-Q. Cao, Large enhancement of second harmonic generation in polymer films by microcavities// Appl. Phys. Lett.- 2001.- Vol. 76, p. 538.

33. K. M. Ho, C. T. Chan, C. M. Soukoulis, R. Biswas, M. Sigalas, Photonic band gaps in three dimensions: New layer-by-layer periodic structures//Solid State Commun.- 1994.- Vol.89, p. 413-416.

34. E. Ozbay, A. Abeyta, G. Tattle, M. Tringides, R. Biswas, C. T. Chan, C. M. Soukoulis. K. M. Ho, Measurement of a three-dimensional photonic band gap in a crystal structure made of dielectric rods//Phys. Rev. B- 1994,- Vol.50, p. 1945-1948.

35. J. G. Fleming, S.-Y. Lin, Three-dimensional photonic crystal with a stop band from 1.35 to 1.95 ¡mi//Opt. Lett. 1999. - Vol. 24, p. 49-51.

36. D. N. Sharp, M. Campbell, E. R. Dedman, M. T. Harrison, R. G. Denning, A. J. Turberfield, Photonic crystals for the visible spectrum by holographic lithography// Opt. and Quant. Electr. 2002.- Vol. 34, p. 3-12.

37. M. Deubel, M. Wegener, A. Kaso, S. John, Direct laser writing and characterization of "slanted pore" photonic crystals//Appl. Phys. Lett. 2004. - Vol. 85, p. 1895-1897.

38. S. Kawata, H.-B. Sun, T. Tanaka, K. Takada, Finer features for functional microdevices//Nature- 2001.- Vol. 412, p. 697-698.

39. F. Bresson, C.-C. Chen, G.-C. Chi, Y.-W. Chen, Simplified sedimentation process for 3D photonic thick layers/bulk crystals with a stop-band in the visible range// Appl. Surf. Sci. 2003. - Vol. 217, p.281-288.

40. K. Dou, Z. Xu, X. J. Wang, Y. Chen, T. Collins, Spectral study of colloidal photonic crystals// J. of Luminescence — 2003.- Vol. 102-103, p. 476 -480.

41. M. I. Samoilovich, S. M. Sarnoilovich, A. V. Guryanov, M. Yu. Tsvetkov, A rtificial opal structures for 3D-optoelectronics // Microelectronic Engineering- 2003.- Vol.69, p. 237-247.

42. J. R. Wendt, G. A. Vawter, P. L. Gourley, T. M. Brennan, B. E. Hammons, Nanofabrication of photonic lattice structures in gaas/algaas// J. Vac. Sci. Technol. B- 1993,- Vol. 11, p. 2637-2640.

43. S. Kim, H. Chong, R.M. De La Rue, J. H. Marsh, A. C. Bryce, Electron-beam writing of photonic crystal patterns using a large beam-spot diameter// Nanotechnology- 2003.- Vol.14, p. 1004-1008.

44. M. Nakao, S. Oku, H. Tanaka, Y. Shibata, A. Yokoo, T. Tamamura, H. Masuda, Fabrication of GaAs hole array as a 2D-photonic crystal and their application to photonic bandgap waveguide // Opt. and Quant. Electr. 2002. - Vol. 34, p. 183-193.

45. H. Masuda, H. Yamada, M. Satoh, H. Asoh, Highly ordered nanochannel-array architecture in anodic alumina//Appl. Phys. Lett. 1997.- Vol. 71, p. 2770-2772.

46. S. Langa, I.M. Tiginyanu, J. Crstensen, M. Chrisophersen, H. Foil, Self-organized growth of single crystals of nanopores // Appl. Phys. Lett.- 2003,- Vol.82, p. 278-280.

47. V. Lehmann, H. Foil, Formation mechanism and properties of electrochemically etched trenches in n-type silicon // J. Electrochem. Soc.- 1990.- Vol.137, p. 653-659.

48. V. Lehmann, The physics of macropore formation in low doped n-type silicon//J. Electrochem. Soc.- 1993,- Vol. 140, p. 2836-2843.

49. F. Müller, A. Birner, U. Gösele, V. Lehmann, S. Ottow, H. Foil, Structuring of macroporous silicon for applications as photonic crystals //Journal of Porous Materials- 2000.- Vol. 7, p. 201-204.

50. O. Bisi, S. Ossicini, L. Pavesi, Porous silicon: a quantum sponge structure for silicon based optoelectronics // Surf. Sei. Rep. 2000.- Vol. 38, p. 1.

51. L. Chen, A. V. Nurmikko, Fabrication and performance of efficient blue light emitting iii-nitride photonic crystals//Appl. Phys. Lett. 85, 3663 (2004)- 2004.- Vol.85, p. 3663-3665.

52. Ch. Schuller, J. P. Reithmaier, J. Zimmermann, M. Kamp, A. Forchel, S. Anand, Polarization-dependent optical properties of planar photonic crystals infiltrated with liquid crystals// Appl. Phys. Lett.— 2005.-Vol. 87, p. 121105.

53. L.-H. Peng, C.-C. Hsu, Jimmy Ng, A. H. Kung, Wavelength tunability of second-harmonic generation from two-dimensional ^2) nonlinear photonic crystals with a tetragonal lattice structure//Appl. Phys. Lett.- 2004. Vol. 84, p. 3250.

54. F. Wang, S. N. Zhu, K. F. Li, K. W. Cheah, Third-harmonic generation in a one-dimensional photonic-crystal-based amorphous nanocavity// Appl. Phys. Lett.- 2006.- Vol.88, p. 071102.

55. A. M. Grishin, S. I. Khartsev, H. Kawasaki, 980 nra Bi3Fe50i2/Sm3Ga50i2 magneto-optical photonic crystal // Appl. Phys. Lett.- 2007.- Vol.90, p. 191113.

56. S. F. Kaplan, N. F. Kartenko, D. A. Kurdyukov, A. V. Medvedev, V. G. Golubev, Electroluminescent three-dimensional photonic crystals based on opal-phosphor composites//Appl. Phys. Lett. 2005.- Vol.86, p. 071108.

57. G. Subramania, Y.-J. Lee, A. J. Fischer, T. S. Luk, C. J. Brinker, D. Dunphy, Emission modification of cdse quantum dots by titanium dioxide visible logpile photonic crystal // Appl. Phys. Lett. 2009. -Vol. 95, p. 151101.

58. T. N. Oder, K. H. Kim, J. Y. Lin, H. X. Jiang, Iii-nitride blue and ultraviolet photonic crystal light emitting diodes//Appl. Phys. Lett.— 2004. Vol. 84, p. 466-468.

59. X. Wu, A. Yamilov, X. Liu, S. Li, V. P. Dravid, R. P. H. Chang, H. Cao, Ultraviolet photonic crystal laser//Appl. Phys. Lett.- 2004.1. Vol. 85, p. 3657-3659.

60. Z. Zhang, T. Yoshie, X. Zhu, J. Xu, A. Scherer, Visible two-dimensional photonic crystal slab laser // Appl. Phys. Lett. 2006.- Vol. 89, p. 071102.

61. D. McPhail, M. Straub, M. Gu, Electrical tuning of three-dimensional photonic crystals using polymer dispersed liquid crystals// Appl. Phys. Lett.- 2005.- Vol.86, p. 051103.

62. E. Graugnard, S. N. Dunham, J. S. King, D. Lorang, S. Jain, C. J. Summers, Enhanced tunable bragg diffraction in large-pore inverse opals using dual-frequency liquid crystal//Appl. Phys. Lett.- 2007. -Vol.91, p. 111101.

63. G. Mertens, T. Roder, R. Schweins, K. Huber, H.-S. Kitzerow, Shift of the photonic band gap in two photonic crystal/liquid crystal composites//Appl. Phys. Lett. 2002,- Vol.80, p. 1885-1887.

64. J. Sussman, D. Snoswell, A. Kontogeorgos, J. J. Baumberg, P. Spahn, Thermochromic polymer opals// Appl. Phys. Lett.- 2009.- Vol.95, p.173116.

65. X. Hu, Q. Gong, Y. Liu, B. Cheng, D. Zhang, All-optical switching of defect mode in two-dimensional nonlinear organic photonic crystals// Appl. Phys. Lett.- 2005.- Vol.87, p. 231111.

66. Y. Liu, F. Qin, Z.-Y. Wei, Q.-B. Meng, D.-Z. Zhang, Z.-Y. Li, 10 fs ultrafast all-optical switching in polystyrene nonlinear photonic crystals//Appl. Phys. Lett.- 2009.- Vol.95, p. 131116.

67. F. C. Ndi, J. Toulouse, T. Hodson, D. W. Prather, Optically tunable silicon photonic crystal microcavities//Opt. Express- 2006. Vol. 14, p.4835-4841.

68. O. L. J. Pursiainen, J. J. Baumberg, K. Ryan, J. Bauer, H. Winkler, Compact strain-sensitive flexible photonic crystals for sensors// Appl. Phys. Lett. 2005. - Vol. 87, p. 101902.

69. Y. Ying, J. Xia, S. H. Foulger, Pressure tuning the optical transmission properties of photonic band gap composites// Appl. Phys. Lett. 2007. - Vol.071110, p. 90.

70. V. Lehinann, U. Gosele, Porous silicon formation: a quantum wire effect// Appl. Phys. Lett.- 1991.- Vol.58, p. 856.

71. F. Müuller, A. Birner, U. Gösele, V. Lehmann, S. Ottow, H. Foil, Structuring of macroporous silicon for applications as photonic crystals //Journal of Porous Materials- 2000.- Vol. 7, p. 201-204.

72. M. G. Berger, C. Dieker, M. Thönissen, L. Vescan, H. Lüth,

73. H. Münder, W. Theiß, M. Wernke, P. Grosse, Porosity superlattices: a new class of si heterostructures// J. Phys. D: Appl. Phys.- 1994.-Vol. 27, p. 1333-1336.

74. G. Mattei, A. Marucci, V. A. Yakovlev, M. Pagannone, Porous silicon optical filters for application to laser technology//Laser Phys. 1998.- Vol. 8, p. 755-758.

75. Yu. E. Lozovik, A. V. Klyuchnik, The dielectric function of condensed systems. Elsevier Science Publishers B.V, 1989.

76. M. Fried, H. Wormeester, E. Zoethout, T. Lohner, O. Polgar,

77. Barsony, In situ spectroscopic ellipsometric investigation of vacuum annealed and oxidiezed porous silicon layers//Thin Solid Films— 1998.- Vol. 313, p. 459-463.

78. U. Rossow, U. Frotscher, C. Pietryga, W. Richter, D. E. Aspnes, Interpretation of the dielectric function of porous silicon layers// Appl. Surf. Sei.- 1996.- Vol. 102, p. 413-316.

79. W. Theiß, S. Henkel, M. Arntzen, Connecting microscopic and macroscopic properties of porous media: choosing appropriate effective medium concepts//Thin Solid Films- 1995.- Vol. 255, p. 177-180.

80. F. De Filippo, C. Lisio, P. Maddalena, G. Lerondel, T. Yao, C. Altucci, Determination of the dielectric function of porous silicon by high-order laserharmonic radiation//Appl. Phys. A- 2001.- Vol. 73, p. 737-740.

81. J.F. McGilp, M. Cavanagh, J.R. Power, J.D. O'Mahony, Spectroscopic optical second-harmonic generation from semiconductor interface // Appl. Phys. A- 1994,- Vol.59, p. 401.

82. О. A. Aktsipetrov, А. V. Melnikov, Yu. N. Moiseev, T. V. Murzina,

83. C. W. Hasselt, Th. Rasing, G. Rikken, Second harmonic generation and atomic-force microscopy studies of porous silicon // Appl. Phys. Lett.- 1995.-. Vol. 67, p. 1191.

84. М.Г. Мартемьянов, Диссертация на соискание ученой степени кандидата физ.-мат. наук: Нелинейно-оптическая спектроскопия кремниевых микроструктур. Москва, 2006.

85. Y. Kanemitsu, S. Okamoto, A. Mito, Third-order nonlinear optical susceptibility and photoluminescence in porous silicon//Phys. Rev. В 1995,- Vol.52, p. 10752-10755.

86. L. A. Golovan, L. P. Kuznetsova, A. B. Fedotov, S. O. Konorov,

87. D. A. Sidorov-Biryukov, V. Yu. Timoshenko, A. M. Zhcltikov, P. K. Kashkarov, Nanocrystalsize-sensitivc third-harmonic generation in nanosrtuctured silicon// Appl. Phys. B- 2003.- Vol.76, p. 429-433.

88. V. Yu. Timoshenko, L. A. Osminkina, A. I. Efimova, L. A. Golovan, P. K. Kashkarov, D. Kovalev, N. Kiinzner, E. Gross, J. Dicner, F. Koch, Anisotropy of optical absorption in birefringent porous silicon//Phys. Rev. B- 2003.- Vol.67, p. 113405.

89. P. Laulenschlager, М. Garriga, L. Vina, М. Cardona, Temperature dependence of the dielectric function and interband critical points in silicon//Phys. Rev. B- 1987.- Vol.36, p. 4821.

90. G. Erley, W. Daum, Silicon interband transition observed at Si(100)-Si02 interfaces//Phys. Rev. B- 1998,- Vol.58, p.R1734.

91. Ф. Ю. Сычев, Т. В. Мурзина, Е. М. Ким, О. А. Акципетров, Се-гнетоэлектрические фотонные кристаллы на основе нанострукту-рированного цирконата-титаиата свинца// ФТТ- 2005.- Vol.47, р.144-146.

92. О. A. Aktsipetrov, G. Kh. Kitaeva, А. N. Penin., Investigation of the ferroelectric phase transition in KDP by the method of spontaneous parametric scattering of light//Sov. Phys. Solid State- 1977.- Vol. 19, p. 582-585.

93. Б. А. Струков, А. П. Леванюк, Физические основы сегнетоэлек-трических явлений в кристаллах. — М.:Наука, 1983.

94. Л.Д. Ландау, Е.М. Лившиц, Статистическая физика. М.: ФИЗ-МАТЛИТ, 2001.

95. И.С. Желудев, Основы сегнетоэлектричества. М.: Атомиздат, 1973.

96. S. Sawada, S. Nomura, S. Fujii, I. Yoshida, Ferroelectricity in nano2// Phys. Rev. Lett.- 1958,- Vol. 1, p. 320-322.

97. P. Ravindran, A. Delin, B. Johansson, O. Eriksson, Electronic structure, chemical bonding, and optical propertiesof ferroelectric and antiferroelectric nano2//Phys. Rev. B- 1999.- Vol. 59, p. 1776-1785.

98. С. В. Барышников, E. В. Стукова, E. В. Чарпая, Ch. Tien, M. K. Lee, W. Bohlmann, D. Michel, Диэлектрические и ЯМР-исследова-ния нанопористых матриц, заполненных нитритом натрия// ФТТ- 2006,- Vol.48, р. 551-557.

99. S. V. Pan'kova, V. V. Poborghii, V. G. Solov'ev, The giant dielectric constant of opal containing sodium nitrite nanoparticles//J. Physics: Condens. Matter- 1996.- Vol.8, p. L203.

100. M. Vallade, Simultaneous measurements of the second harmonic generation and of the birefringence of KH2PO4 near its ferroelectric transition point//Phys. Rev. B- 1975.- Vol. 12, p. 3755-3765.

101. О. А. Акципетров, С. Б. Апухтина, К. А. Воротилов, Е. Д. Мишина, А. А. Никулин, А. С. Сигов, Генерация второй гармоники и фазовый переход в тонких сегнетоэлектрических пленках//Письма в ЖЭТФ- 1991,- Vol.54, р. 562-565.

102. R. Johannes, W. Haas, Temperature dependence of the refractive index nc in sbsi through the ferroelectric-paraellectric transition//Appl. Opt.- 1967.- Vol. 6, p. 1059-1061.

103. R. G. Sabat, P. Rochon, Investigation of relaxor plzt thin films as resonant optical waveguides and the temperature dependence of their refractive index//Appl. Opt.- 2009,- Vol.48, p. 2649-2654.

104. Н. В. Дидепко, Диссертация на соискание ученой степени кандидата физ.-мат. наук: Гиперрэлеевское рассеяние света в пространственно-неоднородных пленках. — Москва, 2002.

105. A. L. Pirozerskii, Е. V. Charnaya, С. Tien, Influence of the geometry of a porous network on the phase transition in a ferroelectric embedded in a porous matrix//Phys. Solid State- 2007.- Vol.49, p. 339-342.

106. V. M. Churikov, C.-C. Hsu, Optically induced anisotropy of third-order susceptibility in azo-dye polymers//J. Opt. Soc. Am. B- 2001.- Vol. 18, p. 1722-1731.

107. M. Shcik-Bahae, A. A. Said, D. J. Hagan T.-H. Wei, E. W . Van Stryland, Sensitive measurement of optical nonlinearities using a single beam//IEEE J. Quant. El.- 1990.- Vol.26, p. 760-769.

108. Y. Wang, M. Saffman, Z-scan formula for two-level atoms // Opt. Comm.- 2004,- Vol.241, p. 513-520.

109. W. Zhao, P. Palffy-Muhoray, Z-scan measurement of x^3) using top-hat beams//Appl. Phys. Lett.- 1994,- Vol.65, p. 673-675.

110. R. Rangel-Rojo, S. Yamada, H. Matsuda, D. Yankelevich, Large near-resonance third-order nonlinearity in an azobenzenefunctionalized polymer film//Appl. Phys. Lett.- 1998,- Vol.72, p. 1021-1023.

111. S. Lettieri, P. Maddalena, Nonresonant Kerr effect in microporous silicon: nonbulk dispersive behavior of below band gap // J. Appl. Phys.- 2002.- Vol.91, p. 5564-5570.

112. S. Lettieri, P. Maddalena, L.P. Odierna, V. La Ferrara D. Ninno, G. Di Francia, Measurements of the nonlinear refractive index of freestanding porous silicon layers at different wavelengths//Phil. Mag. B- 2001.— Vol. 81, p. 133-139.

113. T. V. Murzina, F. Yu. Sychev, E. M. Kim, E. I. Rau, S. S. Obydena, O. A. Aktsipetrov, M. A. Bader, G. Marowsky, One-dimensional photonic crystals based on porous n-type silicon // J. Appl. Phys. -2005.- Vol.98, p. 123702.

114. T. V. Murzina, F. Yu. Sychev, I. A. Kolmychek, O. A. Aktsipetrov, Tunable ferroelectric photonic crystals based on porous silicon templates infiltrated by sodium nitrite // Appl. Phys. Lett. 2007. - Vol. 90, p. 161120.

115. F. Yu. Sychev, I. E. Razdolski, T. V. Murzina, O. A. Aktsipetrov, T. Trifonov, S. Cheylan, Vertical hybrid microcavity based on a polymer layer sandwiched between porous silicon photonic crystals// Appl. Phys. Lett.- 2009.- Vol. 95, p. 163301.