Введение к работе
Актуальность темы диссертационной работы
В последнее время в повседневной жизни все более широко применяются оптоэлектронные устройства. Их производство достигло промышленных масштабов, они используются в приборах освещения, дисковых накопителях и т.д. Для приборов, связанных с отображением информации или освещением, наиболее перспективными считаются полупроводники групп А3В5 и АгВб. В настоящее время наиболее актуальной является проблема получения светодиодов с излучением в видимой области спектра, работающих достаточно длительное время (более 10000 часов) без дополнительного охлаждения при температурах, близких к комнатной. Для получения таких структур желательно использовать прямозонные полупроводники (дно зоны проводимости и потолок валентной зоны находятся при одинаковом значении волнового вектора), так как вероятность излучательного перехода в них значительно больше, чем у непрямозонных, а выходящее излучение имеет больший квантовый выход.
Одним из подобных материалов является оксид цинка. Сейчас интерес к этому материалу достиг, пожалуй, наиболее высокой точки за все время изучения в связи с тем, что во многих оптоэлектронных устройствах может использоваться его широкозонная структура (3.3 eV при 300 К) с прямозонным переходом. Некоторые из возможных применений ZnO частично перекрываются другим широкозонным полупроводником - нитридом галлия (GaN 3.4 eV при ЗООК), который сейчас широко используется в устройствах, где требуется зеленая, голубая и белая люминесценция. Тем не менее, ZnO имеет несколько преимуществ перед GaN, например, он обладает большей энергией связи экситона (-60 мэВ), более высокой термической и радиационной стойкостью. Помимо этого, технология получения оксида цинка более проста, поэтому оптоэлектронные приборы на основе ZnO будут иметь более низкую цену.
ZnO нашел несколько новых применений: например, изготовление тонкопленочных полевых транзисторов, которые не требуют защитного покрытия, предотвращающего световую засветку, поскольку сделанные на ZnO транзисторы не чувствительны к видимому свету. Уровень легирования ZnO может достигать значений до 2-Ю21 cm-3, причем легирование меняет свойства ZnO от изолятора через n-тип до металла, оставляя его оптически прозрачным, что делает его удобным для использования в плоских панелях дисплеев или в солнечных элементах.
Исследование оптических свойств, в частности, люминесценции наноструктур на основе оксида цинка в настоящее время представляет огромный интерес в связи с тем, что размерное квантование электронных и
фотонных волновых функций может позволить существенно модифицировать и улучшить излучательные свойства этих структур.
Целью настоящей работы является исследование люминесцентных свойств низкоразмерных квантовых структур на основе оксида цинка для создания полупроводниковых светоизлучающих структур ультрафиолетового диапазона, а также изучение влияния условий роста, формы и размеров ZnO нанорезонаторов на пороговые и модовые характеристики лазерной генерации для создания в процессе синтеза эффективных лазерных источников света.
Научная новизна
Впервые исследовано:
влияние отжига ZnO (в интервале от 100С до 1000С) на спектры люминесценции, дефектный состав и морфологию порошкообразного соединения ZnO, полученного методом пиролиза раствора нитрата цинка.
влияние формы и размеров нанокристаллов оксида цинка на пороговую мощность стимулированной люминесценции в ультрафиолетовой области спектра.
влияние пространственного квантования фотонных волновых функций в одиночных и парных микрорезонаторах из ZnO цилиндрической формы диаметром 1.8 мкм, полученных методом электронно-лучевой литографии и реактивного ионного травления на спектральную форму линий экситонного и 'зеленого свечения, а также на возникновение стимулированного излучения при оптическом импульсном возбуждении.
При изучении люминесцентных свойств нанокомпозитов опал-ZnO, полученных напылением оксида цинка на синтетический опал, обнаружено формирование квантовых точек оксида цинка на втором слое опала.
Практическая ценность:
-
Разработана технология формирования наноструктур из ZnO методом газофазного синтеза на подложках кремния ориентации (111), которая может быть использована для изготовления нанолазеров ультрафиолетового диапазона.
-
Предложены технологические приемы для создания квантовых битов -элементов квантового компьютера, состоящих из пар двух близко расположенных трехмерных ZnO микрорезонаторов цилиндрической формы диаметром 1.8 мкм с разными расстояниями между ними.
-
Продемонстрирована возможность получения ансамбля квантовых точек ZnO в порах опала, что может найти применение для изготовления оптоэлектронных приборов.
Личный вклад автора/Автором настоящей работы проведены практически все оптические измерения и часть теоретических расчетов, сформулированы положения, выносимые на защиту. Диссертация представляет собой работу, выполненную в соавторстве с сотрудниками лаборатории Интегральной оптики ИПТМ РАН (оптические измерения и получения пленок ZnO), лаборатории Роста Кристаллов ИФТТ РАН (изготовление синтетических опалов), исследовательской лабораторией из университета им. П. и М. Кюри, Париж, Франция (оптические измерения при больших мощностях накачки).
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Экспериментально продемонстрированная возможность управления
спектром и интенсивностью фотолюминесценции на нанокристаллах оксида
цинка путем их отжига в атмосфере за счет изменения содержания кислорода и
концентрации оптически активных дефектов. л .
-
Оптимизация формы и '^размеров нанокристаллов оксида цинка для минимальных порогов стимулированной люминесценции в ультрафиолетовой области спектра. Показано, что нанокристаллы столбчатой формы с гексагональной огранкой имеют минимальный порог мощности оптического возбуждения.
-
Возможность получения узких пиков свечения в экситонной области спектра оксида цинка, обусловленных одномодовой лазерной генерацией пар из двух близко расположенных трехмерных ZnO микрорезонаторов цилиндрической формы диаметром 1.8 мкм с разными расстояниями между' ними.
-
Формирование пространственно упорядоченного ансамбля квантовых точек на втором слое нанокомпозитов опал-ZnO путем напьшения оксида цинка на поверхность синтетического опала.
Публикации и апробация работы.
Основные результаты диссертационной работы изложены в 15 печатных работах, из них 13 статей, а также докладывались на 6 российских и международных конференциях:
1. XX Российская конференция по электронной микроскопии, 2004,
Черноголовка, А.Н.Грузинцев, Е.Е.Якимов, М.А.Князев, В.Т.Волков
"Исследование микронных и субмикронных микрорезонаторов ZnO методами
растровой электронной микроскопии и оптики".
-
Opto-Ireland, 2005, Dublin, G.A.Emelchenko, A.N.Gruzintsev, W.M.Masalov, E.N.Samarov, A.V.Bozhenov, E.E.Yakimov."Opal-ZnO nanocomposites, structure and emission properties".
-
XIV Российский симпозиум по растровой электронной микроскопии и аналитическим методам исследования твердых тел, 2005, Черноголовка.
А.Н.Грузинцев, В.Т.Волков, М.А.Князев, Е.Е.Якимов "Взаимодействие когерентных оптических связанных мод в близкорасположенных трехмерных ZnO микрорезонаторах цилиндрической формы".
4. PECS VI International symposium on photonic and electromagnetic crystal
structures, 2005, Crit, G.A.Emelchenko, A.B.Kulakov, E.N.Samarov,
A.N.Gruzintsev, E.E.Yakimov "Luminescense of zinc oxide nanodots".
5. OPTRO, 2005, Paris, France. A.N.Gruzintsev, C.Barthou, P.Benalloul,
E.E.Yakimov "Ultraviolet laser emission from self assembled ZnO nanopowders".
6. OPTRO, 2005, Paris, France. A.N.Gruzintsev, A.A.Redkin, E.E.Yakimov,
C.Barthou, A.B.Kulakov, E.N.Samarov, G.A.Emelchenko "Luminescence of the zinc
oxide and gallium nitride nanowire".
Структура и объем работы.
