Введение к работе
Актуальность темы. Исследования фазового перехода полупроводник-металл (ФППМ) в диоксиде ванадия занимают в последнее время одно из центральных мест в физике конденсированного состояния. Особое внимание при этом уделяется изучению оптических свойств вещества вблизи перехода. Научный интерес здесь состоит в возможностях установления механизмов перехода в системе с сильными межэлектронными и электрон-фононными корреляциями, а в практическом плане - использовании его характеристик для создания оптоэлектронных устройств. К настоящему времени показаны возможности, которые открывают для этого поликристаллические пленки диоксида ванадия. Характеристики ФППМ в них могут быть использованы для создания эффективных ограничителей мощных световых потоков и элементов оптической памяти. Однако пленки обладают рядом недостатков, в том числе высоким коэффициентом поглощения в полупроводниковой фазе, узким диапазоном возможного варьирования толщины, высокотемпературным характером методов получения, необходимостью создания интерференционных структур. Указанные недостатки могут быть в значительной степени устранены при использовании композитного материала с наноструктурированным диоксидом ванадия (VO2). Характеристиками таких сред можно управлять в широких пределах посредством изменения концентрации, размера и состава наночастиц, а также показателя преломления прозрачной среды. Существенной для приборного применения в оптике и лазерной технике является и возможность создания толстых образцов нанокомпозитов.
Особенностью оптических свойств прозрачной среды с наночастицами, с точки зрения модуляции излучения, является то, что кроме изменения показателя преломления и поглощения, в ней может происходить светоиндуцирован-ное изменение рассеяния. В металлических наночастицах может происходить увеличение эффективной нелинейной восприимчивости за счет локального усиления поля в условиях плазмонного резонанса. Благодаря этим свойствам среды с наночастицами диоксида ванадия могут найти применение в качестве оптоэлектронных устройств.
В научном плане интерес к оптическим композитам связан с возможностью установления минимального размера частиц, при котором еще наблюдается ФППМ, и влияния размера на характеристики и параметры перехода (размерные эффекты). Кроме того, получаемые для нанокомпозитов результаты существенны для установления механизма ФППМ.
До настоящего времени изучались оптические композиты на основе опалов, что не позволяет судить о наличии ФППМ в частицах диоксида ванадия размером менее 100 нм.
Таким образом, актуальной является задача получения и изучения свойств оптических композитов с наночастицами диоксида ванадия размером, не превышающим единицы нанометров.
Цель работы. Получение оптических композитов с наноразмерными частицами диоксида ванадия, обладающими фазовым переходом полупроводник-
металл, и установление закономерностей поведения их оптических свойств.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
Развитие и реализация методов получения оптических композитов с на-ночастицами диоксида ванадия размером до единиц нанометров.
Экспериментальное определение возможностей проявления в нанораз-мерных частицах диоксида ванадия, диспергированных в матрице оптических композитов, фазового перехода полупроводник-металл и его специфики.
Описание формирования оптических свойств композитов с наноразмер-ными частицами диоксида ванадия вблизи фазового перехода полупроводник-металл.
4. Установление закономерностей поведения нелинейно-оптических
свойств в композитных средах с наночастицами, обладающими фазовым пере
ходом полупроводник-металл, и разработка адекватных им модельных пред
ставлений.
5. Определение возможностей практического использования оптических
композитов для создания устройств управления лазерным излучением.
Научная новизна. В отличие от предшествующих работ по физике диоксида ванадия, где ФППМ наблюдался и изучался в монокристаллах, поликристаллических пленках и частицах размером не менее 100 нм, в данной работе экспериментально обнаружено наличие и установлены закономерности такого перехода в наночастицах VO2 размером до единиц нм. Выявлены характерные для наноразмерных частиц VO2 особенности поведения петли температурного гистерезиса оптических свойств вблизи ФППМ, в том числе более низкая, по сравнению с массивными образцами и поликристаллическими пленками, температура начала нагревных ветвей, большая ширина петель, ее корреляция со средним размером пор оптического нанокомпозита, отвечающая мартенситно-му характеру фазовых превращений, наличие двух характерных участков ветвей петли гистерезиса, асимметрия последней. Указанные особенности объяснены и описаны с учетом условий синтеза наночастиц в оптических композитах на основе пористых силикатных стекол.
Экспериментально изучен эффект ограничения оптическими композитами с наноразмерными частицами VO2 лазерного излучения в видимом и ближнем ИК-диапазонах с наносекундной и пикосекундной длительностью импульсов, обусловленный ФППМ. Выявлено усиление эффекта с увеличением длины волны генерации и при фокусировке падающего на нанокомпозит излучения, что связано с вкладом в нелинейно-оптические свойства эффектов плазмонного резонанса и само дефокусировки.
Получены экспериментальные указания в пользу электронного механизма ФППМ в наноразмерных частицах VO2, в том числе влияние нестехиометрии состава наночастиц диоксида ванадия на температуру равновесия полупроводниковой и металлической фаз, усиление эффекта оптического ограничения при переходе от наносекундных к пикосекундным импульсам.
Теоретическая значимость работы определяется тем, что полученные в ней результаты дают обширный экспериментальный материал для развития фи-
зики фазового перехода полупроводник-металл в твердых телах и имеют важное значение для разработки научных основ конструирования и технологии изготовления оптоэлектронных устройств, принцип действия которых основывается на таком переходе.
Практическая значимость работы. В работе определены условия получения наночастиц VO2, обладающих ФППМ, в силикатных нанопористых стеклах методом газофазного восстановления предварительно введенного туда пен-таоксида ванадия. Определены подходы к ускорению процесса синтеза посредством воздействия лазерного излучения с длиной волны генерации в видимом и ближнем ИК-диапазонах и облучения композитов потоком электронов средних энергий. Показаны возможности использования нелинейно-оптических свойств композитов на основе силикатных нанопористых стекол с наночастицами VO2, обладающих ФППМ, для создания быстродействующих оптических переключателей и ограничителей мощного излучения.
Результаты проведенных исследований используются в учебном процессе в РГПУ им. А.И. Герцена при подготовке магистров наук по направлению «Физика конденсированного состояния» и выполнении студентами старших курсов факультета физики курсовых и квалификационных работ.
Основные положения, выносимые на защиту:
Метод газофазного восстановления пентаоксида ванадия в водородосодер-жащей среде позволяет синтезировать нанокристаллиты диоксида ванадия в порах силикатных стекол размерами 7 и 17 нм. Лазерный отжиг излучением с длиной волны генерации 0.51 и 10.6 мкм существенно ускоряет процесс синтеза.
Фазовый переход «полупроводник-металл» в диоксиде ванадия сохраняется при уменьшении размера частиц до единиц нм, что проявляется в наличии характерных для него петель температурного гистерезиса физических свойств с присущими мартенситному переходу и электронному механизму его инициирования зависимостями параметров петель от условий синтеза.
Поведение оптических свойств композитов с наноразмерными частицами диоксида ванадия вблизи фазового перехода «полупроводник-металл» может быть описано с учетом наличия распределений элементарных петель температурного гистерезиса, отвечающих отдельным наночастицам, по ширинам и температурам равновесия фаз и прямой корреляции этих параметров, обусловленных методом синтеза.
Оптические композиты с частицами диоксида ванадия проявляют эффект ограничения лазерного излучения в наносекундном и пикосекундном диапазонах длительности импульсов для длин волн генерации в видимом и ближнем ИК-диапазонах, обусловленный электронным фазовым переходом «полупроводник-металл». Существенную роль в формировании нелинейно-оптических свойств играет эффект плазмонного резонанса.
Достоверность и обоснованность результатов и выводов исследования
обеспечиваются: структурной характеризацией изучаемых образцов, использованием современных экспериментальных методик структурных и оптических
исследований, достаточным объемом экспериментальных данных и их воспроизводимостью, сопоставлением, где это возможно, результатов исследования с литературными данными, интерпретацией полученных результатов на основе современных модельных представлений физики конденсированного состояния.
Апробация результатов исследования. Основные положения и результаты докладывались на XIIth Conference on Laser Optics (SPb, 2006 г.), VIII-ой Международной конференции «Опто-, наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы» (Ульяновск, 2006 г.), IV Intern. Symp. on Materials and Devices for Nonlinear Optics «ISOPL'4» (Ireland, 2006 г.), 60-ой научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава СПбГЭТУ «ЛЭТИ» (СПб, 2007 г.), 17-ой годичной конференции СПбСУ (СПб, 2007 г.), XI-ой Международной конференции «Физика диэлектриков» (Диэлектрики - 2008) (СПб, 2008 г.), XIIIth Conference on Laser Optics (SPb, 2008 г.), VI-ой Международной конференции «Аморфные и микрокристаллические полупроводники» (СПб, 2008 г.) и неоднократно обсуждались на заседаниях кафедры физической электроники Российского государственного педагогического университета им. А.И. Герцена.
Публикации. Основное содержание работы отражены в 11 печатных работах, в том числе три из них в реферируемых журналах.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографии, содержащей 123 источника, и двух приложений. Работа содержит 175 страницы текста, 71 рисунок и 4 таблицы.
