Введение к работе
Диссертационная работа посвящена экспериментальному исследованию квадратичного нелинейно-оптического отклика полупроводниковых структур - границ раздела кремний - оксид кремния и Si-SiC>2 квантовых ям, и тонких пленок. Основное внимание уделено изучению механизмов влияния внешнего электростатического поля на генерацию второй оптической гармоники (ВГ) в таких системах.
Чувствительность эффекта генерации ВГ к нелинейно-оптическим свойствам границ раздела центросимметричных конденсированных сред, тонких пленок и наноструктур обусловлена существованием симметрийного правила запрета на генерацию ВГ в объеме центросимметричных сред в дипольном приближении. Поэтому основные источники излучения ВГ локализованы в областях нарушения инверсной симметрии - в приповерхностном слое твердых тел, в тонких пленках, в наноструктурах. Электростатическое поле, возникающее на границе раздела центросимметричный полупроводник - диэлектрик в области пространственного заряда (ОПЗ), нарушает инверсную симметрию в приповерхностном слое с толщиной ОПЗ и приводит к появлению дополнительного - электро-индуцированного - вклада в нелинейную поляризацию на частоте ВГ, который является источником волны электроиндуцированной ВГ (ЭВГ). Изучение влияния пространственного распределения электростатического поля в ОПЗ на генерацию ЭВГ является важной экспериментальной задачей. Решение этой проблемы позволит выяснить роль параметров границы раздела центросимметричный полупроводник - диэлектрик - величины и типа поверхностных состояний, толщины оксидного слоя, величины встроенного в оксид заряда - в механизме генерации электроиндуцированной ВГ.
Наличие пространственных флуктуации нелинейной восприимчивости тонких пленок и наноструктур приводит к появлению новых особенностей нелинейно-оптического отклика таких систем, одной из которых является генерация диффузной ВГ - излучения ВГ в незеркальном по отношению к падающему лучу направлении. В контексте данной проблематики важной задачей является экспериментальное исследование механизмов нелинейно-оптического отклика неоднородных тонких пленок с изменяющимися под
действием внешнего электростатического поля параметрами пространственных флуктуации их нелинейной восприимчивости.
Цель работы состояла, во-первых, в экспериментальном изучении влияния внешнего электростатического поля на квадратичный нелинейно-оптического отклик границ раздела центросимметричных конденсированных сред, на примере границы раздела Si(lll)-Si02, и твердотельных наноструктур - аморфных кремний - оксид кремния квантовых ям. Во-вторых, в диссертации экспериментально исследовано влияние электростатического поля на генерацию диффузной ВГ в пленках с пространственными флуктуациями нелинейной восприимчивости на примере тонких пленок бактериородопсина.
Актуальность представленных исследований обусловлена фундаментальным интересом к механизмам нелинейно-оптического отклика границ раздела центросимметричных конденсированных сред, твердотельных структур с пониженной размерностью и тонких пленок. Явление генерации электроиндуцированной ВГ может быть применено для исследования зарядовых характеристик любых внутренних границ раздела конденсированных сред, доступных для лазерного излучения. Генерация диффузной ВГ - перспективная методика исследования морфологических неоднородностеи тонких пленок.
Использование планарных Si-SiC^-Cr МОП структур для
наложения электростатического поля позволяет, по сравнению с
традиционной электрохимической методикой, во-первых,
существенно расширить диапазон толщин оксидной пленки и прилагаемого к границе раздела Si-Si02 напряжения, и, во-вторых, исследовать генерацию электроиндуцированной ВГ в геометрии напросвет. Это, как показано в диссертации, приводит к появлению качественно новых эффектов в генерации ЭВГ.
Практическая ценность решения поставленных задач состоит в выяснении диагностических возможностей метода генерации электроиндуцированной ВГ для исследования зарядовых характеристик границ раздела кремний - оксид кремния и полупроводниковых структур пониженной размерности, развитии чувствительных и дистанционных методик контроля за морфологической однородностью наноструктур и тонких пленок.
Научная новизна работы состоит в следующем:
предложена новая методика исследования генерации электро-индуцированной ВГ на границе раздела центросимметричный полупроводник - диэлектрик в планарных металл - оксид - полупроводник (МОП) структурах;
экспериментально обнаружено влияние пространственного распределения электростатического поля на границе раздела Si(lll)-Si02 на генерацию электроиндуцированной ВГ; построена феноменологическая модель генерации ЭВГ, учитывающая пространственное распределение электростатического поля внутри полупроводника, дающая хорошее согласие с экспериментальными результатами;
исследовано влияние электростатического поля на генерацию анизотропной ВГ в Si-Si02 квантовых ямах; обнаружено значительное усиление нелинейно-оптического отклика Si-Si02 квантовых ям при наложении внешнего электростатического поля, связанное с локализацией электростатического поля внутри ям;
экспериментально исследовано влияние параметров пространственных флуктуации квадратичной восприимчивости на генерацию диффузной ВГ в тонких неоднородных пленках в присутствии внешнего электростатического поля;
разработана методика нелинейной интерферометрии для исследования степени когерентности излучения диффузной ВГ.
На защиту выносятся следующие результаты и выводы из экспериментальных исследований.
-
Вывод о зависимости интенсивности электроиндуцированной ВГ от пространственного распределения электростатического поля на границе раздела Si(lll)-Si02 в Si-Si02-Cr МОП структуре с толщиной оксидной пленки в диапазоне от 8 нм до 280 нм. Феноменологическое описание явления генерации электроиндуцированной ВГ в полупроводнике класса тЪт с учетом пространственного распределения электростатического поля в ОПЗ полупроводника, эффектов запаздывания и поглощения волн накачки и ВГ.
-
Обнаружение угловой анизотропии квадратичного нелинейно-оптического отклика периодических Si-Si02 квантовых ям. Обнаружение возрастания интенсивности ВГ, отраженной от Si-Si02
квантовых ям, при увеличении толщины оксидного барьера в диапазоне от 1 нм до 5 нм. Механизм обнаруженного возрастания, учитывающий запаздывание распространения волны ВГ внутри квантовых ям.
-
Обнаружение значительного (в 10 раз) усиления генерации электроиндуцированной ВГ от Si-Si02 квантовых ям. Механизм обнаруженного усиления, учитывающий локализацию электростатического поля внутри ям.
-
Результаты исследования связи характеристик случайного пространственного распределения нелинейной восприимчивости со свойствами излучения ВГ, генерируемого от неоднородных поверхностных структур, на примере тонких пленок бактериородопсина. Обнаружение значительного усиления (более чем в 10 раз) наблюдаемых электроиндуцированных изменений интенсивности ВГ при переходе от неориентированных к ориентированным пленкам бактериородопсина.
-
Обнаружение частичной когерентности и частичной поляризации излучения диффузной ВГ от пространственно-неоднородных тонких пленок бактериородопсина. Вывод о связи масштаба корреляционной длины нелинейных источников в пленках бактериородопсина и степени когерентности излучения диффузной ВГ.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на Международном семинаре "Квантовые нелинейные явления в оптике и физике конденсированных сред", Дубна, Россия, 1993; Конференции CLEO/Europe'94, Амстердам, Нидерланды, 1994; Конференции ECOSS 14, Лейпциг, ФРГ, 1994; Конференции ECOSS 15, Лилль, Франция, 1995; Конференции СЬЕО'96, Анахайм, США, 1996, Конференции CLEO/Europe'96, Гамбург, ФРГ, 1996; Конференции QELS'97, Балтимор, США, 1997.
По теме диссертации опубликовано 11 статей, список которых приведен в конце автореферата.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Объем диссертации 146 страниц, включая список литературы, 33 рисунка и 5 таблиц. Список цитированной литературы содержит 123 наименования, включая публикации автора по теме диссертации.
