НИЯУ МИФИ

Дипломная работа

v 0.7

Курбанов Д.С.

Оглавление

Глоссарий. 3

Введение. 4

Цель работы. 6

Эксперимент. 6

Методы изготовления образцов. 6

Схема установки для осаждения из газовой фазы (CVD). 6

Схема метода магнетронного распыления. 7

Схема метода ИЛО. 8

Методы изучения образцов 9

Установка для измерения спектров фотолюминесценции. 9

Установка для регистрации спектров от отдельного импульса накачки. 11

Обзор использованных образцов 12

Результаты эксперимента 14

Теоретическая часть. 17

Теоретическая модель 17

Результаты теоретического моделирования 19

Анализ и интерпретация экспериментальных и теоретических результатов. 20

Выводы. 21

Применение. 22

Список литературы. 23

Глоссарий.

УФ	Ультрафиолетовый (о спектральной области излучения)
КТ	Комнатная температура
ФЭУ	Фотоэлектронный умножитель
ПЗС	Прибор с зарядовой связью
ППР	Поверхностный плазмонный резонанс
ЛП	Локализованный плазмон
БМ	Эффект Бурштейна-Мосса
ДАП	Донорно-акцепторная пара
CVD	Сhemical vapor deposition (англ.), осаждение из газовой фазы
PLD (ИЛО)	Pulse laser deposition (англ.), импульсное лазерное осаждение
МРС	Магнетронная распылительная система
МЛЭ	Молекулярно-лучевая эпитаксия
РЭМ	растровая электронная микроскопия
АСМ	Атомно-силовая микроскопия

Введение.

Оксид цинка является прямозонным полупроводником с шириной запрещённой зоны 3,36 эВ. Интерес к оксиду цинка диктуется перспективами его использования для создания полупроводниковых лазеров и светодиодов в ультрафиолетовой области спектра. Большая энергия связи экситонов (~60 мэВ) позволяет получать интенсивное УФ свечение ZnO при комнатной температуре и выше (до 550 K).ZnO далеко не единственный широко-зонный полупроводник задействованный в этой области (например нитрид галия GaN), однако технологии выращивания оксида цинка несколько проще, чем нитрида галлия, что сказывается на стоимости приборов, работающих на этих полупроводниках. Высококачественные пленки оксида цинка можно получить при относительно невысоких температурах (ниже 700К), в то время как для выращивания GaN необходима температура порядка 900К. Большая энергия связи экситона обеспечивает существование краевой экситонной люминесценции при комнатной и более высокой температурах, т.к. значение энергии связи экситона (~60 мэВ) превышает энергию, соответствующую комнатной температуре, в 2.4 раза (k_БT = 25 мэВ). Оксид цинка является также химически стабильным и нетоксичным материалом, что существенно облегчает работу с ним. Кроме всего вышеперечисленного ZnO имеет такую же кристаллическую структуру, что и GaN, и может быть использован в качестве подложки для эпитаксиального роста высококачественных GaN плёнок.

Поверхностный плазмонный резонанс¹(ППР)-процесс возбуждения поверхностного плазмона внешней электромагнитной волной на его резонансной частоте. Данное явление и возможные направления его применения в данный момент интенсивно изучаются во всем мире. Одно из таких направлений – усиление люминесценции различных излучателей²(в данном случае работа проводилась в отношении оксида цинка) под влиянием ППР. Этот эффект может значительно увеличить светоотдачу оптических приборов ,а также снизить порог лазерной генерации. Собственные частоты коллективных локализованных колебаний в наночастицах металла зависят от окружающего их диэлектрика. Исходя из решения уравнений Максвелла для системы металл-диэлектрик, частота дипольной моды колебаний в металлической наносфере определяется следующим выражением:

где - диэлектрическая проницаемость металла, которая определяется частотой падающего излучения;- диэлектрическая проницаемость диэлектрика;k – волновое число падающего излучения; a – диаметр сферы .

Т.о., для того, чтобы достичь ППР, в первом приближении необходимо выполнить условие:

,

а для этого нужно, чтобы потери в металле на используемой частоте были пренебрежимо малы³.

Для достижения плазмонного резонанса материалами металла и диэлектрика могут служить серебро и воздух. Серебро обладает небольшими потерями при прохождении через него излучений, лежащих в УФ-диапазоне. Т.к. в этом случае = 1, аопределяется согласно рис. 1.

Рис. 1. Зависимость действительной части диэлектрической проницаемости серебра от энергии кванта излучения. – реальная часть “эффективной” диэлектрической проницаемости,, где– вклад связанный с межзонными переходами[3].

Т.о., возможен ППР при использовании излучений с λ: 320÷380 нм, т.к. в этом случае выполняется условие

Использование серебра в качестве материала для металлических наночастиц может дать существенное усиление люминесценции оксида цинка (см. рис. 2). Связано это с тем, что ширина плазмонного резонанса в наночастицах серебра довольно велика. Это дает возможность добиться увеличения как мощности накачки, так и вероятности вынужденного излучения, что достигается уменьшением времени жизни экситона⁴.

Данная работа является отчетом по исследованию влияния локализованных поверхностных плазмонов (ЛПП) на люминесценцию и случайную лазерную генерацию микро- и наноструктур оксида цинка. Поставленная задача- выяснение механизма воздействия ЛПП на излучение оксида цинка, решалась с помощью анализа зависимости интенсивности излучения от уровня возбуждения при наличии поверхностного плазмонного резонанса (ППР). Исследования проводились на наборе пленок, изготовленных в различных условиях и покрытых серебром или золотом⁵. Такой подход к исследованию позволил получить исчерпывающие сведений о механизме воздействия ЛПП на излучение микро- и наноструктур оксида цинка. На этой была разработана теоретическая модель механизма.

Данная работа имеет, как научную, так и практическую значимость. Продолжение работы позволит углубить понимание механизма влияния ППР на люминесценцию различных излучателей в различных средах и открыть возможность повышения светоотдачи оптических приборов (например- светодиодов), а так же позволит понизить порог лазерной генерации, в частности на микро- и наноструктурах оксида цинка.