Введение к работе
Актуальность темы
В настоящее время на основе тонких пленок и наностержней оксида цинка
создаются новые устройства микро-и наноэлектроники и фотоники . Оксид цинка-
широкозонный прямозонный полупроводник, с большой энергия связи экситона (60
мэВ ), высокой радиационной стойкостью, что позволяет использовать его в
быстродействующих высоко чувствительных фотоприемниках УФ и видимого
диапазона. При допировании магнием диапазон чувствительности фотоприемников
может быть расширен до 200 нм. Допирование его галлием и алюминием позволяет
создавать прозрачные в видимом диапазоне хорошо проводящие электроды
используемые в солнечных элементах, фотоприемниках, в качестве метаматериалов
для сверхскоростной модуляции света в ближнем ИК диапазоне. ZnO
наноструктуры используются при создании нанолазеров, оптических плазмонных
наноантенн, приемников терагерцового диапазона. Наноструктуры на основе оксида
цинка допированных галлием, алюминием, сурьмой перспективны при создании
одномерных термоэлектрических преобразователей, в том числе плазмонных
термоэлектрических преобразователей с высоким КПД. Оксид цинка обладает
хорошими пьезоэлектрическими свойствами. Высокоразвитая поверхность массивов
из наностержней оксида цинка и чувствительность его поверхности к адсорбции
различных газов или биологических веществ позволяет использовать его в
высокочувствительных пьезо-хемо-биосенсорах.
Перспективным методом создания тонкопленочных структур, массивов из
наностержней, структур пленка-наностержень необходимых при разработке ряда
радиофизических устройств является метод роста из плазменного лазерного факела.
Сохранение стехиометрии при испарении многокомпонентных соединений,
возможность в широких пределах менять плотность пара, долю ионной
составляющей, скорость осаждения , пересыщение на поверхности роста за счет
изменения энергии лазерного импульса, частоты следования, длины волны
излучения, а также возможность осаждать пленки, наностержни или массивы
наночастиц меняя давление или тип рабочего газа – преимущества этого метода.
Метод импульсного лазерного напыления- позволяет также получать как
тонкопленочные наноматериалы из сверхтонких пленок полупроводников ,
диэлектриков, металлов и сверхпроводников, включая сверхрешетки, так и
достаточно “толстые “( до нескольких мкм толщиной) пленки необходимые при
создании различных радиофизических устройств. Метод особенно перспективен при
создании в едином технологическом цикле многослойных тонкопленочных
устройств, включающих пленки высокотемпературных сверхпроводников,
сегнетоэлектриков, мультиферроиков и манганитов со структурой перовскита.
Большой вклад в развитие метода импульсного напыления тонких пленок внесли российские ученые : Гапонов С.В., Салащенко Н.Н., Быковский Ю.А. , Предтеченский М.Р., Головашкин А.И., Шефталь Р.Н., их ученики и последователи [1-5] .
Большой вклад в исследование механизмов роста одномерных наноструктур внесли российские ученые : Гиваргизов Е.И. и Дубровский В.Г.[11-12]. Важные научные результаты по лазерному напылению тонкопленочных структур на основе оксида цинка получены в группе Новодворского О.А.[8]. В работах российских ученых : Грузинцева А.Н., Редькина А.Н. и Баранова А.Н. развиты новые методы газотранспортного синтеза и синтеза из химических растворов и исследованы свойства одномерных наноструктур на основе оксида цинка [9-10].
В настоящей диссертации предложены новые подходы к созданию и исследованию элементов новых радиофизических устройств на основе тонких полупроводниковых , металлических и сверхпроводящих пленок и наноструктур из оксида цинка, получаемых методами импульсного лазерного напыления, карботермического и термического синтеза .
В последние годы интерес к оптическим плазмонным антеннам постоянно
растет благодаря их потенциальным применениям в фотоприемниках,
светоизлучающих структурах и лазерах, плазмонных поглотителях , плазмонных
эмиттерах, плазмонных термопреобразователях, нелинейно-оптических
преобразователях света, плазмонных нелинейных просветляющихся фильтрах, плазмонных волноведущих системах, высокоскоростных модуляторах света, широкополосных поглотителях солнечного света, плазмонных усилителях флюоресценции органических молекул, плазмонных сенсорах сверхмалых концентраций органических и биологических веществ на основе гиганского рамановского рассеяния. Актуальным направлением исследований является разработка плазмонных антенн УФ, видимого и ИК диапазона на основе прозрачных проводящих оксидных полупроводниковых наноструктур. В настоящей диссертации приводятся результаты по получению и исследованию плазмонных антенн нового типа – вертикально ориентированных массивов из наностержней оксида цинка, покрытого тонкой пленкой серебра.
Резонаторы, образованные в поперечном сечении наностержней, активно используются для создания лазеров УФ диапазона на основе оксида цинка. Актуальными являются исследования мод распространяющихся в гексагональном поперечном сечении ZnO наностержней c постепенно уменьшающимся размером (сравнимым с длиной волны света) резонансной полости.
Фотоприемники УФ излучения на ZnO находят широкое применение в
системах космического мониторинга (изменения озонового слоя Земли, загрязнений
атмосферы) , в системах пожарной сигнализации , для детектирования УФ
излучения от источников высоких температур, в системах космической связи, в
астрофизических исследованиях. Актуальными являются исследования
направленные на повышение их фототочувствительности УФ фотоприемников за счет использования массивов из наностержней ZnO, декорирование поверхности плазмонными наночастицами, а также расширение спектрального диапазона фоточувствительности до 200 нм за счет допирования Mg. Массивы наностержней с развитой поверхностью более эффективно (в некоторых случаях в 1000 раз) , чем
пленка ZnO, поглощают УФ излучение. Повышение поглощения УФ при декорировании наностержней оксида цинка плазмонными наночастицами вызванно резонансной связью экситонов в ZnO и локализованных поверхностных плазмонов наночастиц . Возрастание энергии поглощения приводит к увеличению генерации электронно-дырочных пар и повышению фоточувствительности. Высокую актуальность имеют исследования по повышению быстродействия фотоотклика и уменьшение времени восстановления УФ фотоприемников. В настоящей диссертации быстродействие фотоотклика и уменьшение времени восстановления металл-полупроводник-металл фотоприемника на наностержнях ZnO было улучшено за счет использования золотых пленочных контактов Шоттки к наностержням оксида цинка.
В основе сенсоров ультрафиолетового излучения на поверхностных
акустических волнах (ПАВ) лежит акустоэлектронное взаимодействие ПАВ с
носителями заряда, генерируемыми светом в слое полупроводника, расположенного
на поверхности пьезоэлектрического звукопровода. Акустоэлектронное
взаимодействие приводит к увеличению затухания ПАВ и уменьшению ее скорости, что приводит к дополнительному фазовому сдвигу и увеличению задержки . Затухание и дополнительный фазовый сдвиг в устройствах на ПАВ являются нелинейными функциями длины акустической волны, длины и интенсивности детектируемого оптического излучения. Спектральная селективность детектора и его чувствительность определяется свойствами слоя генерирующего свободные носители заряда. Часто не удатся одновременно достичь высокое быстродействие и чувствительность . Более того, большинство существующих фотодетекторов на ПАВ имеют низкое быстродействие . Поэтому актуальным является повышение чувствительности и быстродействия УФ фотоприемников на ПАВ. В настоящей диссертации исследован сенсор УФ на ПАВ нового типа со схемой детектирования, позволяющей повысить чувствительность фотоприемника за счт многократных переотражений ПАВ . При этом сенсор может быть пассивным и беспроводным.
Разработка беспроводных сенсоров на поверхностных акустических волнах
для контроля параметров газовых сред является перспективным направлением
исследований. Однако на высоких частотах, контакт газа с рабочей поверхностью
ПАВ устройства приводит к существенному затуханию волны. Поэтому актуальной
задачей является создание ПАВ сенсоров с чувствительным элементом вынесенным
из акустического канала. Для определения малых концентраций газов, например,
моноокиси углерода, можно использовать зависимость коэффициента отражения от
величины сопротивления нагрузки, подключаемой к отражательному ВШП, если в
качестве нагрузки использовать сопротивления наноструктуры из
полупроводниковых наностержней оксида цинка. В диссертации представлены результаты исследований ПАВ сенсора СО нового типа с чувствительным элементом из наностержней оксида цинка, вынесенным из акустического канала . Чувствительный элемент, имеющий определенный импеданс, подключен к отражательному ВШП линии задержки, и располагается вне герметичного корпуса.
Актуальным направлением исследований является создание
микроэлектронных СВЧ-компонент на пленках высокотемпературного
сверхпроводника YBa2Cu3O7-x (Тс =90К). Чрезвычайно широкий спектр применения
ВТСП-материалов обусловлен отсутствием потерь на постоянном токе и
небольшими потерями на переменном, экранированием магнитных и
электромагнитных полей, возможностью передачи сигналов с минимальными искажениями, а также выполнения аналоговых и цифровых функций при многократном (1000 раз) уменьшении мощности рассеяния и и значительном (10-20-раз) повышении быстродействия в сравнении с современными полупроводниковыми приборами. Сегодня уже созданы первые образцы пассивных СВЧ-компонентов (фильтры, резонаторы, фазовращатели, антенны, линии задержки и др.), рабочие характеристики которых позволяют использовать их в системах мобильной радиосвязи.
Цель работы и основные научные задачи
Целью диссертационной работы являлось создание и исследование новых
радиофизических устройств: плазмонных наноантенн , микро-и наноразмерных
резонаторов, металл-полупроводник –металл и ПАВ фотоприемников и ПАВ
хемосенсоров, на основе тонких пленок и одномерных наноструктур, в результате .
развития методов эпитаксиального роста тонких полупроводниковых и
сверхпроводящих пленок; многослойных тонкопленочных структур;
ориентированных массивов из наностержней; наногетероструктур – наностержней оксида цинка, покрытых тонкой полупроводниковой или металлической пленкой , комплексного исследования радиофизических , электрофизических, оптических, структурных и морфологических свойств полученных тонкопленочных структур и наноматериалов на основе оксида цинка.
Основные научные задачи работы:
- создание и исследование радиофизических свойств плазмонных наноантенн из ориентированных наностержней оксида цинка, покрытых тонкой пленкой серебра ; -создание и исследование оптических микро-и нанорезонаторов на наностержнях оксида цинка с постепенно уменьшающимся размером резонансной полости; -создание и исследование оптических свойств фотоприемников металл-полупроводник-металл с двойными диодами Шоттки УФ и видимого диапазона на пленках золота и массивах наностержней оксида цинка ; -создание и исследование фотоприемников УФ диапазона на основе
акустоэлектронного взаимодействия фотовозбужденных носителей с поверхностной акустической волной;
-создание и исследование сенсора монооксида углерода на поверхностных акустических волнах;
-создание и исследование СВЧ свойств плоскопараллельного резонатора образованного двумя сверхпроводящими пленками YBa2Cu3O7-x разделенных тонким диэлектриком ; -развитие новых методов синтеза эпитаксиальных пленок и одномерных
наногетероструктур на основе оксида цинка, используемых для создания устройств микро-и наноэлектроники и фотоники.
Научная новизна.
1. Разработан метод создания и исследованы оптические плазмонные наноантенны
нового типа , образованные полупроводниковым нанокристаллом, покрытым тонкой
пленкой серебра. Проведено сравнение теоретических электродинамических
расчетов и экспериментальных характеристик оптических наноантенн различной
длины. Экспериментально обнаружены максимумы в кривых коэффициента
экстинкции. Установлено, что эти максимумы определяются плазмонными
резонансами оптической антенны.
2. Методом пространственно разрешенной катодолюминесценции впервые
исследованы моды типа шепчущей галереи в диэлектрических наноразмерных ZnO
резонаторах с гексагональным поперечным сечением в видимой области спектра
для полостей резонаторов с диаметрами сравнимыми или меньшими длины волны
света. Модель интерференции волн в поперечном сечении без дополнительных
параметров описывающая спектральные позиции и ширины мод находится в
хорошем соответствии с экспериментом.
-
Методами лазерного, карботермического и термического синтеза созданы и исследованы фотоприемники УФ и видимого диапазона с двойным диодом Шоттки на массиве наностержней оксида цинка и пленок золота с высокой фоточувствительностью и быстродействием. .
-
Исследован фотоприемник УФ диапазона на поверхностных акустических волнах нового типа с повышенной фоточувствительностью за счт многократных переотражений ПАВ.
-
Создан и исследован сенсор на ПАВ нового типа для определения малых концентраций газов с чувствительным элементом в виде решетки из параллельно-соединенных наностержней оксида цинка, подсоединенного в качестве нагрузки к одному из отражательных ВШП линии задержки на ПАВ.
6. Для создания тонкопленочных элементов радиофизических устройств разработан
новый метод многоступенчатого импульсного лазерного напыления эпитаксиальных
пленок ZnO с использованием сверхтонких буферных слоев и эпитаксиальных
прослоек, осажденных при пониженной температуре, а также метод
одноступенчатого двухстороннего теневого внеосевое лазерного напыления
сверхпроводящих пленок YBa2Cu3O7-x. .
7. Для создания одномерных элементов радиофизических устройств разработан
новый метод импульсного лазерного напыления при высоком давлении аргона
высокоориентированных в направлении оси с решеток наностержней ZnO, ZnO:Mg,
ZnO:Co, ZnO:Mn и новые методики лазерного синтеза одномерных
наногетероструктур типа ZnO нанокристалл-эпитаксиальная пленка
ZnO:Mn(ZnO:Сo) или типа нитевидный ZnO нанокристалл с тонкопленочной
ZnO/MgZnO/ZnO квантовой ямой на конце.
Достоверность результатов
Все научные выводы основаны на экспериментальных или теоретических
результатах или на сравнении с результатами полученными другими авторами.
Достоверность результатов исследований подтвеждена комплексным характером
исследования структурных, электрических и оптических свойств наноструктур и
пленок на основе оксида цинка методами оптической и растровой электронной
микроскопии, дифракции быстрых электронов на отражение, высокоразрешающей
трансмиссионной электронной микроскопии, высокоразрешающей рентгеновской
дифракции, оптической спектроскопии, вынужденного комбинационного рассеяния,
методами Ван-дер Пау, фото- и катодолюминесценции. Совместные исследования
полученных ZnO наноструктур и сверхпроводящих пленок проводились с
российскими организациями ИРЭ РАН, ИФТТ РАН, ФТИ РАН. Многие исследования выполнены в соавторстве с зарубежными исследователями из Institut fr Experimentelle Physik II, Universitt Leipzig, Germany; Departamento de Fsica, Universidade de Aveiro, Portugal . Образцы ZnO наностержней исследовались также в MPI Microstructure Physics, Halle/Saale, Germany; в Electron Microscopy for Materials Science, University of Antwerp, Belgium; Institut Neel, CNRS and Universite Joseph Fourier, Grenoble, France; National Center for Scientific Research Demokritos, Institute of Materials Science, Greece. Результаты исследований представленные в диссертации докладывались и обсуждались на всероссийских и международных конференциях и опубликованы в журнальных статьях ведущих российских и международных изданий.
Научная и практическая значимость работы
Исследования оптических наноантенн, образованных полупроводниковым нанокристаллом, покрытым тонкой металлической пленкой серебра, имеют высокую научную и практическую ценность , так как открывает новое направление создания плазмонных оптических наноантенн видимого и ИК диапазона, из проводящих полупродниковых оксидов на основе ZnO.
Исследование оптических мод в кольцевых микро и -наноразмерных ZnO резонаторах образованных в гексагональном поперечном сечении наноиглы оксида цинка с высоким аспектным отношением имеют высокую научную и практическую ценность для создания нанолазеров .
Практическую ценность имеют разработанные в диссертации фотоприемники
УФ и видимого диапазона с двойным диодом Шоттки на массиве наностержней
оксида цинка и пленок золота с высокой фоточувствительностью и
быстродействием.
Практически важными являются разработанная в диссертации методика изготовления и исследования фотоприемника УФ на ПАВ нового типа, где предложена схема детектирования, позволяющая повысить чувствительность фотопреобразователя за счт многократных переотражений ПАВ . При этом сенсор может быть пассивным (без источника питания) и беспроводным.
Важным практическим результатом полученным в диссертации является
создание ПАВ сенсора монооксида углерода нового типа . Показана возможность
конструирования пассивных датчиков для определения параметров газовых сред на
основе линии задержки из двух однонаправленных ВШП, один из которых нагружен
на активное сопротивление связанных наностержней оксида цинка. Проведенные
исследования составят основу для разработки новых систем беспроводного
дистанционного контроля параметров газовых сред с чувствительными элементами из наностержней оксида цинка.
Разработанный в диссертации новый метод теневого внеосевого лазерного
напыления эпитаксиальных пленок высокотемпературного сверхпроводника может
быть использован при получении широкого круга перспективных материалов
(сегнетоэлектриков, мультиферроиков и манганитов). Данная модификация
лазерного напыления может быть успешно применена для напыления пленок ВТСП
большой площади для СВЧ применений или получения пленочных
сверхпроводящих проводов.
Для повышения чувствительности и быстродействия фотоприемников УФ диапазона имеют большую практическую ценность эпитаксиальные пленки оксида цинка с гладкой морфологией поверхности, низкими механическими напряжениями, высоким структурным и оптическим совершенством и высокой электронной подвижностью синтезированные новым методом многоступенчатого импульсного лазерного напыления с использованием сверхтонких буферных слоев и эпитаксиальных прослоек, осажденных при пониженой температуре.
Массивы из высокоориентированных высокоориентированных в направлении оси с решеток из наностержней на основе ZnO синтезируемые новым методом импульсного лазерного напыления при высоком давлении аргона составят основу для создания ряда перспективных устройств : оптических антенн, плазмонных поглотителей и эмиттеров ИК излучения, УФ фотоприемников, нанолазеров , одномерных термопреобразователей, приемников терагерцового диапазона, хемо-и био сенсоров.
Высокую научную и практическую значимость имеет разработанная в диссертации новая методика импульсного лазерного напыления наноструктур типа нитевидный ZnO нанокристалл-эпитаксиальная пленка с использованием единой технологии ИЛН наностержней при высоком давлении аргона и теневого внеосевого ИЛН эпитаксиальных пленок в атмосфере кислорода. Методика может быть успешна использована для широкого круга наноструктур, в том числе оптических плазмонных наноантен ИК диапазона на основе новых метаматериалов таких как ZnO:Ga, ZnO:Al и других.
Разработанная в диссертации методика импульсного лазерного напыления тонкопленочной гетероструктуры ZnO/MgZnO/ZnO квантовой ямы на вершине наностержней ZnO имеет высокую практическую ценность при создании нанолазеров УФ диапазона.
Разработаная в диссертации новая лазерная методика низкотемпературного синтеза наностержней ZnO диаметром менее 10 нм с высоким аспектным отношением имеет практическую ценность для создания высокочувствительных пьезо-и хемосенсоров.
При выполнении диссертации получены 4 патента на изобретения, связанные с применением тонких пленок и наностержней оксида цинка в ПАВ фотоприемниках УФ излучения и ПАВ хемосенсорах.
Полученные в диссертационной работе научные результаты соответствуют
паспорту специальности: в части формулы специальности «…изучением
общих закономерностей генерации, передачи, приема, регистрации и анализа
колебаний и волн различной физической природы и разных частотных диапазонов, а
также их применением в фундаментальных и прикладных исследованиях. Общность
изучаемых радиофизических закономерностей излучения, распространения,
взаимодействия и трансформации колебаний и волн в различных средах»; в части
область исследования: пункту 2 « Изучение линейных и нелинейных процессов
излучения, распространения, дифракции, рассеяния, взаимодействия и
трансформации волн в естественных и искусственных средах»; пункту 3 «
Разработка, исследование и создание новых электродинамических систем и
устройств формирования и передачи радиосигналов: резонаторов, волноводов,
фильтров и антенных систем в радио, оптическом и ИК – диапазоне» и пункту 6
«Разработка физических основ и создание новых волновых технологий
модификации и обработки материалов»