Исследование формирования структуры синтетического опала и возможность управления их характеристиками

Тип работы:
Дипломная
Предмет:
Производство и технологии


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

  • Содержание
    • Задание

Аннотация

Введение

  • 1. Исследовательская часть
    • 1.1 Фотонные кристаллы на основе опаловых наноструктур8
    • 1.1.1 Типы фотонных кристаллов
    • 1.1.2 Фотонный кристалл с управляемой шириной ФЗЗ
    • 1.1.3 Синтетический опал
    • 1.1.4 Анализ возможности формирования фотонных кристаллов вакуумными методами
    • 1.1.5 Анализ методов формирования опаловых фотонных кристаллов
    • 1.1.6 Анализ факторов, влияющих на параметры ФЗЗ
    • 1. 2Экспериментальные исследования
    • 1.2.1 Описание аналитического оборудования
    • 1.2.2 Исследование наноструктур на основе опала
    • 1.2.3 Результаты исследования опала с углеродными пленками
    • 1.2.4 Результаты исследования опала с другими пленками
    • 1.2.5 Исследование электрооптических свойств наноструктур
    • 1.2.7 Исследование магнитооптических свойств наноструктур на основе опала
    • 2. Конструкторская часть
    • 2.1 Анализ структурно-компоновочных вариантов привода поворота подложкодержателя
    • 2.1.1 Базовый вариант
    • 2.1.2 Предлагаемый вариант
    • 2.1.3 Вариантность привода механизма позиционирования
    • 2.2 Описание многопозиционной установки ВУП
    • 2.2.1 Технические характеристики установки ВУП
    • 2.2. 2 Внутрикамерная оснастка
    • 2.2.3 Деление технологии на процессы
    • 2.2. 4 Плата гальванической развязки дискретных сигналов
    • 3. Технологическая часть
    • 3.1.1 Краткое описание конструкции, назначение узла в машине
    • 3.1.2 Анализ технологических требований на сборку и разработка схем проверки по заданным требованиям
    • 3.1.3. Анализ технологичности конструкции узла
    • 3.1.4 Разработка технологических схем сборки
    • 3.1.5 Разработка технологического процесса сборки и заполнение карт
    • 3.1.6 Расчёт силы напрессовки подшипников на вал
    • 3.2.1 Назначение детали в узле
    • 3.2.2 Анализ технических требований
    • 3.2.3 Анализ технологичности детали
    • 3.2.4 Выбор заготовки
    • 3.2.5 Расчет припуска на обработку
    • 3.2.6 Разработка маршрута обработки основных поверхностей детали
    • 3.2.7 Выбор баз и проектирование маршрута обработки
    • 3.2.8 Выбор режима обработки и техническое нормирование операций с расчетом штучного времени
    • 3.2. 9 Расчет основного времени на операции обработки
    • отдельных поверхностей
    • 4. Организационно — экономическая часть
    • 4.1 Технико-экономическое обоснование разработки и внедрения модернизированной установки ВУП
    • 4.1.1 Выбор базы и обеспечение сопоставимости вариантов проекта
    • 4.1.2 Расчёт себестоимости и цены проектируемого оборудования
    • 4.1.3 Расчет предпроизводственных затрат
    • 4.1.4 Расчёт капитальных затрат
    • 4.1.6 Экономически целесообразная область применения нового оборудования. Экономическая эффективность инвестиционного проекта
    • 4.2 Оценка эффективности инвестиционного проекта
    • 4.2.1 Оценка инвестиционного проекта по сроку окупаемости (PP — Payback Period)
    • 4.2. 2 Оценка инвестиционного проекта по критерию учетной доходности APR (Accounting Rate of Return)
    • 4.2.3 Оценка инвестиционного проекта по критерию чистой дисконтированной (приведенной) стоимости (эффекту), (NPV — Net Present Value)
    • 4.2.4 Оценка инвестиционного проекта по критерию внутренней доходности (IRR — Internal Rate of Return)
    • 4.2.5 Оценка инвестиционого проекта по критерию индекса рентабельности (PI — Profitability Index)
    • 5. Экология и промышленная безопасность
    • 5.2 Анализ опасных и вредных факторов
    • 5.3.1 Средства обеспечения электробезопасности при эксплуатации установки
    • 5.3. 2Требования электробезопасности при работе с установкой
    • 5.3. 3 Мероприятия по обеспечению безопасной работы с газовыми баллонами
    • 5.3.4 Требования по обеспечению безопасности эксплуатации системы с баллонами высокого давления
    • 5.3. 5 При работе непосредственно циклогексаном, должны быть обеспечены следующие требования:
    • 5.3. 6 Требования пожаробезопасности
    • 5.3.7 Требования по обеспечению безопасности при сборочно-сварочных работах
    • 5.3.8 Эргономические требования
    • 5.3. 9 Вибрация
    • 5.3. 10 Освещение
    • 5.4 Разработка средств защиты от шума
    • Список использованной литературы
    • Аннотация

Целью дипломного проекта являлось исследование вопроса формирования структуры синтетического опала с заданными оптическими свойствами и создание возможности управления их характеристиками.

Задачами дипломного проекта являлись:

1. Разработать математическую модель формирования запрещенной фотонной зоны при создании опаловых наноструктур вакуумными методами.

2. Провести анализ факторов, влияющих на процессы модификации запрещенной фотонной зоны.

3. Подготовить и исследовать образцы опаловых наноструктур.

Графическая часть дипломного проекта содержит 12 листов формата А1 и расчетно-пояснительную записку на 120 страницах. Дипломный проект соответствует всем необходимым требованиям, предъявляемым к оформлению текстовых и графических документов.

Для выполнения проекта использовались: MS Word 2005, Auto Cad 2006, Corel Draw 11.

Введение

Бурный прогресс в микроэлектронике и грандиозные проекты развития информационных технологий в последнее время все ближе сталкиваются с проблемой существования фундаментальных ограничений быстродействия полупроводниковых устройств. В связи с этим все большее число исследований посвящается разработке принципиальных основ альтернативных полупроводниковой электронике областей — микроэлектронике сверхпроводников, спинтронике и фотонике.

Основой многих устройств фотоники могут служить фотонные кристаллы — пространственно упорядоченные системы со строго периодической модуляцией диэлектрической проницаемости (строго периодическим изменением коэффициента преломления в масштабах, сопоставимых с длинами волн излучений в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах). Указанная периодичность, по аналогии с электронной зонной структурой в регулярной кристаллической решетке, обуславливает возникновение фотонной запрещенной зоны — спектральной области, в пределах которой распространение света в фотонном кристалле подавлено во всех (полная фотонная запрещенная зона) или в некоторых избранных направлениях (будучи прозрачными для широкого спектра электромагнитного излучения, фотонные кристаллы не пропускают свет с длиной волны, сравнимой с периодом структуры фотонного кристалла). Наличие фотонной запрещенной зоны обуславливает эффект локализации света, что позволяет осуществлять контроль спонтанного излучения внутри фотонного кристалла и открывает путь к созданию низко пороговых лазерных излучателей для видимого и ближнего инфракрасного диапазонов. Кроме того, использование фотонных кристаллов при конструировании телекоммуникационных систем может привести к снижению коэффициента затухания в оптических волокнах и созданию не имеющих аналогов сверхбыстрых, полностью оптических, переключателей потоков информации. Разработка этого направления началась в и очень быстро стала модной для многих ведущих лабораторий мира. В настоящее время число публикаций по проблеме фотонных кристаллов (в их числе многочисленные статьи в журналах Nature, Science, Advanced Materials и др.) ежегодно удваивается. В последние годы созываются специализированные представительные международные конференции, целиком посвященные этой тематике. Лаборатории ведущих компаний и университетов мира (IBM, NEC, Sandia National Laboratories, MIT) в течение последних 10 лет прикладывают серьезные усилия для изготовления фотонных кристаллов с оптическим контрастом и структурой, удовлетворяющих достижению полной фотонной запрещенной зоны в видимой и ближней инфракрасной областях спектра. Однако, используя даже самые современные и дорогостоящие методы субмикронной электронной литографии и анизотропного ионного травления, к настоящему моменту удалось искусственно изготовить фотонные кристаллы с толщиной менее 10 структурных ячеек.

Для получения необходимых фотонно-кристаллических свойств, весьма перспективными считаются самопроизвольно формирующиеся синтетические опалы и материалы на их основе. Видимым проявлением существования фотонных запрещенных зон является иризация опалов, образованных монодисперсными микросферами SiO2*xH2O диаметром 150−900 нм, упакованными в кубическую гранецентрированную решетку.

1. Исследовательская часть

1.1 Фотонные кристаллы на основе опаловых наноструктур

Фотонные кристаллы (ФК) — это искусственные периодические диэлектрические структуры (материалы) с запрещенной зоной, препятствующей распространению света в определенном частотном диапазоне. Создавая точечные дефекты (или резонансные полости) в таком кристалле, можно захватить фотоны в «ловушки» запрещенной зоны (локализовать фотоны в полостях дефекта), а затем определенным образом использовать. Частотный диапазон и другие параметры такой полости можно задавать достаточно просто. Регулярные структуры интегральных оптических волноводов (или диэлектрических стержней) с круглым, прямоугольным или шестигранным сечением позволяют формировать диэлектрическую (оптическую) и даже гибридную (диэлектрически-металлическую) кристаллические структуры, которые обладают удивительными свойствами [1].

Идея фотонных кристаллов впервые была предложена в 1987 году Эли Яблоновичем (Eli Yablonovitch, сейчас — сотрудник университета UCLA в Калифорнии). Однако предложенная им технология мало подходила для формирования структуры кристаллов, которая позволяла бы работать с оптическими длинами волн в широко известных окнах прозрачности (850, 1310, 1550 нм). С этой проблемой справляется новая технология, разработанная специалистами Scandia Lab. (США).

В простейшем случае ФК можно получить путем добавления периодической структуры к обычному оптическому волноводу.

Технологический процесс заключается в осаждении слоя кремния на подложку SiO2 с последующим формированием в Si-слое точечных дефектов, в целом периодических, но с локальной нерегулярностью, которая и создает необходимые эффекты. Фотонные кристаллы позволяют реализовать такие недоступные для обычных оптических устройств эффекты, как передача оптического луча с поворотом на 90о практически без потерь мощности и пересечение двух оптических волноводов в одной плоскости с пренебрежимо малым уровнем переходных помех.

1.1.1 Типы фотонных кристаллов

Фотонных кристаллы делятся на три типа:

· одномерные

· двумерные

· трехмерные

Рис. 1.1 Три типа фотонных кристаллов

Одномерный периодический ФК можно создать путем нанесения полосы кремния с прямоугольным сечением на подложку SiO2 и вытравливания в ней отверстий, расположенных на одной линии вдоль полосы на равном расстоянии друг от друга (рис. 1. 2). Такая структура формирует запрещенную зону, в чем-то аналогичную запрещенной зоне в полупроводниковых материалах. Для создания точечного дефекта (резонансной полости) расстояние между двумя отверстиями должно незначительно превышать период структуры. Так, для прототипа ФК с резонансной длиной волны 4500 нм расстояние между щелевыми (с продольной осью щели вдоль продольной оси полосы) отверстиями составляло 1800 нм [2]. Примерно такой же была длина щели в продольном направлении. В другом прототипе (с центральной резонансной длиной волны 1540 нм) на кремниевой полосе вытравливалось восемь отверстий диаметром 200 нм с периодом 220 нм, кроме интервала между четвертым и пятым (центрально-симметричными) отверстиями, который был чуть больше.

Точечный дефект (резонансная полость) действует следующим образом. Белый свет, вошедший с торца планарного волновода (кремниевой полосы) распространяется вдоль него. Волна с резонансной частотой захватывается между двумя центральными отверстиями (благодаря сформированной в структуре запрещенной зоне) и многократно отражается назад-вперед между этими отверстиями (внутреннее отражение из-за зеркального эффекта в резонансной полости). Оптические колебания на резонансной частоте усиливаются за счет энергии поступающего света аналогично тому, как это происходит, например, в оптических усилителях Фабри-Перо. Другие же спектральные компоненты экспоненциально угасают (из-за запрещенной зоны). При достаточном усилении свет резонансной частоты вырывается из резонансной полости и выходит из торца волновода. Например, для второго прототипа резонансная полоса длин волн может составить 400 нм: от 1300 до 1700 нм с центральной длиной волны 1540 нм, что практически перекрывает используемые для оптической связи последние два окна прозрачности. Зеркальный эффект обусловлен значительной разницей в коэффициентах преломления Si (высокий) и SiO2 (низкий).

Рис. 1.2 Одномерный фотонный кристалл

Двумерный периодический ФК получают, формируя периодическую структуру вертикальных диэлектрических (Si) стержней, посаженных «квадратно-гнездовым способом» на подложке из двуокиси кремния. Ячейкой двумерного ФК может служить симметричная решетка из девяти стержней, оптический дефект в которой вызван изменением диаметра центрального стержня на 50% (рис. 1. 3) [3]. Двумерная регулярно-симметричная решетка также формирует запрещенную зону, которая препятствует прохождению оптического луча вдоль стержней. В двумерном ФК можно создать не только точечный, но и линейный дефект, который позволяет задавать направление распространения луча на резонансной частоте.

Рис. 1.3 Ячейка двумерного ФК с точечным дефектом

Трехмерный периодический ФК — это трехмерная регулярно-симметричная решетка, создающая трехмерную же запрещенную зону, препятствующую прохождению света через ФК. В таком ФК можно создать пространственный дефект, способствующий прохождению света определенной частоты в заданном направлении в пространстве. В силу сложности создания трехмерного ФК его часто моделируют двумерным ФК, создать который значительно проще.

Рис. 1.4 Структура трехмерного ФК Яблоновича

Первый трехмерный ФК был получен Яблоновичем в 1991 году для работы в микроволновом диапазоне. В качестве заготовки использовался куб диэлектрика, на поверхность которого наносилась маска с массивом отверстий, каждое из которых затем рассверливалось по трем направлениям под углом 35о к вертикали и 120о друг к другу так, что в горизонтальном сечении формировались массивы из трех отверстий, расположенных в вершинах равностороннего треугольника (рис. 1. 4). Данная структура получила название кристалла Яблоновича. Учитывая сложность изготовления такого кристалла, были предприняты другие попытки его получения. Так, в 1994 году Фан (Fan) и его коллеги предложили структуру кубического ФК, рассчитанного на субмикронные технологии и собранного послойно из двух различных диэлектрических материалов (Si и SiO2). Каналы из материала с низким коэффициентом диэлектрической проницаемости e расположены в шахматным порядке и проходят через материал с высоким e. В кубе вытравливались строго вертикальные отверстия, формирующие в плоскости ту же треугольную структуру, что и в Ф К Яблоновича (рис. 1. 5).

Рис. 1.5 Трехмерный Ф К с вертикальными каналами

Однако наиболее технологична структура трехмерного ФК, формируемая по методу Лина-Флеминга (Shawn Lin и Jim Fleming из Scandia Lab.) [4]. На кремниевую подложку наносят первый слой SiO2, в котором нарезают параллельные борозды, заполняемые поликремнием. Этот процесс повторяют, но так, что в каждом следующем слое двуокиси кремния направление нарезки борозд перпендикулярно предыдущему. После изготовления многослойной заготовки (первоначально в лаборатории была получена шестислойная структура) двуокись кремния удаляют, оставляя трехмерный остов из поликремниевых стержней (рис. 1. 6). Эффективность захвата светового потока такой структурой — 95%. Однако наибольшая эффективность достигается при девятислойной структуре.

Рис. 1.6 Остов трехмерного ФК Лиина-Флеминга

Для создания световодного канала в этой структуре (например, для эффективного поворота светового потока под углом 90о) из нее нужно удалить один или несколько стержней, что непросто, но вполне возможно в рамках описанного технологического процесса.

Фотонные кристаллы найдут широкое применение в фотонных (оптических) интегральных технологиях для создания фотонных интегральных схем (ФИС). Эти схемы необходимы не только для перспективного оборудования оптических сетей связи, но и для сверхбыстродействующих компьютерных систем. Так, используя систему связанных линейных и пространственных дефектов, можно формировать сложную геометрию пространственного оптического волновода, аналогично топологии электрических связей в электрических интегральных схемах (ЭИС). Следовательно, технология формирования ФК может ФК Лина-Флеминга быть использована для изготовления ФИС, способных в будущем заменить ЭИС в микропроцессорной технике. Такая замена позволит резко сократить высокое энергопотребление, характерное для всех ЭИС, а также увеличить тактовые частоты и скорость передачи данных за счет более высокой скорости распространения оптического луча по сравнению с фазовой скоростью электрического сигнала.

Кроме того, ФК применимы в ряде сложных, хотя и частных функциональных задач, таких как поворот оптического луча на 90о, пересечение в плоскости двух оптических волноводов с минимальными переходными помехами и эффективная фильтрация отдельной оптической несущей.

Поворот оптического луча в оптическом волноводе без существенных потерь возможен только при условии, что радиус поворота значительно больше длины волны луча света. Соблюдениеэтого условия в интегральной оптике затруднительно, а то и невозможно, особенно для диапазона, соответствующего третьему окну прозрачности, — 1550 нм.

Рис. 1.7. Схема поворота оптического луча на 900

Поворот луча удобнее рассматривать в плоскости и применительно к двумерному ФК. Запрещенная зона препятствует прохождению света (определенной спектральной полосы) в слое материала. Для прохождения луча формируется не точечный, а линейный дефект структуры (например, убирается один ряд стержней). Для поворота луча на 90о формируют два линейных дефекта, соединенных под прямым углом. Физически это сводится к удалению ряда стержней на предполагаемом пути следования луча, — в периодической двумерной структуре создают прямоугольный канал (рис. 1. 7), выходу излучения из которого препятствует запрещенная зона.

Теоретически прохождению луча препятствуют отражения, однако фактически эффективность передачи может быть близка к 100%. Как видно из рис. 1. 7, радиус поворота имеет порядок 2a, (где a — период решетки), что меньше длины волны луча. Такой поворот можно рассматривать как явление, аналогичное одномерному резонансному туннельному эффекту в квантовой механике.

1.1.2 Фотонный кристалл с управляемой шириной ФЗЗ

Описанные выше ФК формировались так, что ширина их запрещенной зоны была фиксированной и неуправляемой. В 1999 году усилиями группы Саджива Джона (Sajeev John из университета Торонто) удалось создать структуру фотонного кристалла с управляемой шириной запрещенной зоны. ФК построен на основе искусственного кристалла опала, причем воздушные пустоты кристалла заполняют кремнием, затем субстанцию опала вытравливают, формируя инверсную опалу кристаллическую структуру с периодически расположенными сферическими пустотами (рис. 1. 11) [7]. Запрещенная зона данной структуры препятствует распространению длин волн в диапазоне 1380−1620 нм (8% относительно центральной длины волны 1500 нм). Для управления шириной запрещенной зоны внутренние поверхности сфер покрывались (методом инфильтрации) жидкокристаллическим нематиком с низким коэффициентом преломления (темно-голубая полусфера на верхнем срезе кристалла, рис. 1. 11). В результате относительная ширина запрещенной зоны уменьшилась с 8 до 1,6%. Кроме того, прикладывая внешнее магнитное поле, можно управлять шириной запрещенной зоны в диапазоне 1,6−0%. Этот эффект сравним с управлением потоком электронов в полупроводнике с помощью электрического поля.

Рис. 1. 11. Структура Ф К с управляемой шириной запрещенной зоны

Управление шириной запрещенной зоны с помощью магнитного поля позволит создать более эффективные и простые, чем на основе фильтров канала вывода, структуры коммутаторов (в том числе и распределенные, так как свет может коммутироваться в нужном направлении путем приложения поля к определенной области ФК). Кроме того, возможно более точно управлять положением луча, проходящего через распределенную структуру ФК, что облегчает его маршрутизацию — динамическую или статическую, в плоскости или пространстве. Однако еще предстоит преодолеть такие проблемы, как управление степенью инфильтрации жидких кристаллов и равномерность их распределения по внутренним поверхностям сфер.

1.1.3 Синтетический опал

Cинтетический опал — регулярная упаковка глобул кремнезема образует трехмерную решетку с указанной периодичностью, которая может быть охарактеризована как 3D (трехмерная) оптическая решетка. При диаметрах сфер 150−450 нм правильные упаковки содержат структурные пустоты размерами 60−200 нм, которые могут быть частично или полностью заполнены полупроводниковыми, сверхпроводящими, оптически активными или магнитными материалами. Таким образом, в опаловидной структуре будет образовываться трехмерная решетка из частиц материала заполнения.

Рис. 1. 12 Синтетический опал

Наличие запрещенной фотонной зоны синтетического опала обусловлено периодичностью его трехмерной структуры, приводящей к возникновению эффекта Брегговской дифракции в видимом диапазоне электромагнитных волн.

Технология формирования опаловой матрицы значительно проще типовой планарной технологии формирования 3-D структур.

Рис. 1. 13 Планарные технологии получения фотонных кристаллов и получение опала

Многообразие составов и предполагаемых областей применения 3Dнанокомпозитов, изготовленных на основе опаловых матриц (Табл. 1), определяет необходимость в систематизации имеющейся информации и приведении данных к совместимому между собой виду и делает актуальным применение в данной области баз данных.

Таблица 1.1 Составы и некоторые области применения 3Dнанокомпозитов на основе опаловых матриц

Тип материала

заполнения

Состав наполнителя

Физическая модель

нанокомпозита

Возможности применения

Полупроводник

CdS, CdTe

Зеебековские 3Dнаноструктуры

Термоионные энергетические

конвертеры

InN, GaN

Квантовые точки

Полупроводниковые

наноэлектронные устройства

GaAs, CdTe,

InP, GaSb

3Dсверхрешетки

из элементов типа

диодов Шоттки

Сверхпроводник

In, Pb

ВТСП

3Dcверхрешетки

Джозефсоновских

контактов

(переходов)

Генераторы и усилители электромагнитных волн гигагерцового диапазона (> 10 20 ГГц)

Оптически активные среды

П/п «фотодиодные материалы»

3Dсверхрешетки

фотодиодов

Счетчики элементарных частиц

Материалы с большим показателем преломления,

C, Si, Ge

3Dнанооптические

системы

Активные элементы систем усиления, генерации, управления в лазерных и т. п. устройствах волоконной оптики

Металлы, в том числе ферромагнитные

Ga, Ti, Fe, Mn, Ag

3Dнанокомпозиты и нанорешетки, «металлические» фотонные кристаллы

Элементы магнитной памяти, отражатели, аттенюаторы

Люминофоры

Er, Yb, ZnS

Нанокомпозиты

Элементы оптических систем

1.1.4 Анализ возможности формирования фотонных кристаллов вакуумными методами

Типы наноструктур

Непосредственно опаловые матрицы, т. е системы на основе упорядоченных наносфер кремнезема SiO2, могут быть получены множеством методов: седиментацией, центрифугованием, вертикальным осаждением, электрофорезом, выпариванием растворов. Виды наноструктур на основе синтетического опала представлены на рис. 1.

Рис. 1. 14 Наноструктуры на основе матриц синтетического опала: а — «чистый» опал, б — тонкопленочная структура, в — заполненный материалом внедрения опал (нанокомпозит), г — инверсный опал.

Расчет параметров ФЗЗ наноструктур

Для рассмотрения отражения лучей от опаловой матрицы с пленкой вспомним некоторые положения теории интерференции и дифракции света, на которые мы в дальнейшем будем опираться.

Рассмотрим рассеяние монохроматической волны от слоев опаловой матрицы. Пусть на них падает параллельный монохроматический пучок длины волны л. Рассматривая глобулы как центры новых когерентных элементарных волн, мы получаем для каждой из плоскостей отраженную волну под углом, равным углу падения. Отражение для одной единственной плоскости будет происходить одинаково для любой длины волны, так как длины путей для всех лучей равны между собой, а, следовательно, разности хода всегда равны нулю. Однако отражение происходит не от одной плоскости, а от системы равноотстоящих плоскостей. Все эти волны когерентны между собой, поскольку порождаются одной и той же первичной волной.

Рис. 1. 15 Рассеяние излучения от двух плоскостей матрицы, которые отстоят друг от друга на расстояние d.

Лучи 1 и 2, отраженные от плоскостей I, II, имеют разность хода, равную, как легко видеть, 2dsinи, где и — угол скольжения, т. е. дополнение до 90 ° к углу падения. Если разность фаз между вторичными волнами кратна 2, то они усилят друг друга, и под углом отражения действительно будет распространяться отраженная волна. Если же эта кратность отсутствует, то никакой отраженной волны не будет. Поэтому отражение будет иметь место только для тех волн, для которых эта разность хода равна целому числу длин волн.

Таким образом, для интерференционного отражения должно быть соблюдено условие

(1)

где m — целое число, d — диаметр глобул, — угол падения.

Это и есть формула Брэгга-Вульфа. Волны другой длины рассеиваются более или менее равномерно по всем направлениям, давая лишь общий фон и не приводя к образованию максимумов, наблюдаемых для волны, удовлетворяющей условию Брэгга-Вульфа.

Тонкие пленки — это твердые слои толщиной не свыше 1−3 мкм.

Тонкие пленки различаются по материалу, структуре, характеру распределения вещества в слое. Их физические свойства могут значительно отличаться от соответствующих свойств массивных материалов. Это связано с размерными эффектами, влиянием поверхности пленок и подложки, иной, нежели у массивных материалов, структурой. Для тонких пленок становится важным такой обычно не существенный для массивных материалов фактор, как шероховатость поверхности, поскольку от неё зависит коэффициент зеркальности отражения электронов поверхностью, определяющий проводимость и другие кинетические характеристики пленки. Размеры структурных дефектов в тонких пленках могут быть сравнимыми с их толщиной и поэтому существенно влиять на их свойства. В пленках возможны механизмы прохождения тока, отсутствующие в массивных образцах, например, туннелирование электронов в островковых плёнках. Отношение площади поверхности к объёму у тонких пленок намного больше, чем у массивных тел. В результате их поверхностная энергия оказывается сравнимой с полной свободной энергией. Это проявляется в изменении, по сравнению с массивными материалами, равновесной концентрации вакансий и других термодинамических характеристик и в конечном счёте сказывается на механических, тепловых и других свойствах тонких пленок.

Электрофизические и эксплуатационные характеристики тонких пленок зависят от структуры и состава пленок (размера зерна, количества загрязняющих примесей), адгезии пленки к подложке, механических напряжений, окисляемости пленки и т. д. Наибольшее влияние на эти факторы оказывают чистота подложки и исходного материала, температура подложки и скорость осаждения, давление и состав остаточных газов вакуумной камеры, способ генерации осаждаемых атомов и молекул, сродство материала пленки и кислорода, привносимые дефекты и т. п.

Тонкие пленки широко и многообразно применяются в электронике (активные и пассивные элементы, межсоединения), архитектуре и строительстве (энергосберегающие и светозащитные покрытия на стекла), машиностроении (износостойкие покрытия на инструмент, твердосмазочные покрытия на детали узлов трения), оптике (просветляющие покрытия), медицине (антисептические покрытия) и многих других областях.

Рис. 1. 16. Оптические свойства пленки

Для рассмотрения интерференции на тонких пленках — слоях материала с толщиной < 50мкм (интересующие нас явление образование ФЗЗ базируется на явлении интерференции) — воспользуемся законами отражения и преломления, которые мы выведем чуть позже:

1) угол падения и1 равен углу отражения

2)соотношение между углами падения и преломления имеет вид:

(1)

Пусть из воздуха (для воздуха n1 = 1) свет (электромагнитная волна) падает под углом и1 на поверхность пластины с показателем преломления n и толщины d. Находим оптическую разность хода 2-х лучей — 1 и 2 (см рисунок):

Д = nS2-S1

где S1 — разность хода лучей в воздухе (в среде с показателем преломления n1)

S1=

а S2 — разность хода первого луча при прохождении пластинки:

S2 =

Используя (1), получаем:

Кроме того, как покажем позже, при отражении от оптически более плотной среды (n2 > n1) фаза волны скачком меняется на угол р. Поскольку мы имеем 2 акта отражения, то в любом случае одно отражение (либо для луча 1, либо для луча 2) происходит от оптически более плотной среды. Поэтому окончательно для разности хода получаем:

При оптической разности хода Д=mл (где л длина волны в вакууме) получаем максимум в отраженной волне. А при разности хода Д= - минимум.

Пленки, обладающие различными свойствами (толщиной, преломлением, шероховатостью), можно создавать, варьируя параметрами нанесения пленок.

Интерференция света при отражении от тонких пленок

рис. 1. 17

При падении световой волны на тонкую прозрачную пластинку (или пленку) происходит отражение от обеих поверхностей пластинки. В результате возникают две световые волны, которые при известных условиях могут интерферировать.

Пусть на прозрачную плоскопараллельную пластинку падает плоская световая волна, которую можно рассматривать как параллельный пучок лучей (рис. 1). Пластинка отбрасывает вверх два параллельных пучка света, из которых один образовался за счет отражения от верхней поверхности пластинки, второй -- вследствие отражения от нижней поверхности (на рис1 каждый из этих пучков представлен только одним лучом). При входе в пластинку и при выходе из нее второй пучок претерпевает преломление. Кроме этих двух пучков, пластинка отбросит вверх пучки, возникающие в результате трех-, пяти- и т. д. кратного отражения от поверхностей пластинки. Однако ввиду их малой интенсивности мы эти пучки принимать во внимание не будем. Не будем также интересоваться пучками, прошедшими через пластинку.

Разность хода, приобретаемая лучами 1 и 2 до того, как они сойдутся с точке С , равна

где s1 -- длина отрезка ВС, a s2 -- суммарная длина отрезков АО и ОС, n -- показатель преломления пластинки, b — толщина пластинки. Показатель преломления среды, окружающей пластинку, полагаем равным единице. Из рис. 1 видно, что

Подстановка этих значений дает, что

Учитывая, что

Получим:

При вычислении разности фаз д между колебаниями в лучах 1 и 2 нужно, кроме оптической разности хода Д, учесть возможность изменения фазы волны при отражении. В точке А (см. 1) отражение происходит от границы раздела среды, оптически менее плотной, со средой, оптически более плотной. Поэтому фаза волны претерпевает изменение на р. В точке О отражение происходит от границы раздела среды, оптически более плотной, со средой, оптически менее плотной, так что скачка фазы не происходит. В итоге между лучами 1 и 2 возникает дополнительная разность фаз, равная р. Ее можно учесть, добавив к Д (или вычтя из нее) половину длины волны в вакууме. В результате получим

Дифракция света на опаловой матрице

Рис. 1. 18

Русский ученый Ю. В. Вульф и английские физики У. Г. и У. Л. Брэгги показали независимо друг от друга, что расчет дифракционной картины от кристаллической решетки (в нашем случае опаловой матрицы) можно осуществить следующим простым способом. Проведем через узлы кристаллической решетки параллельные равноотстоящие плоскости (рис. 2). Если падающая на кристалл волна плоская, огибающая вторичных волн, порождаемых глобулами, лежащими в таком слое, также будет представлять собой плоскость. Таким образом, суммарное действие глобул, лежащих в одном слое, можно представить в виде плоской волны, отразившейся от усеянной глобулами поверхности по обычному закону отражения.

Плоские вторичные волны, отразившиеся от разных слоев, когерентны и будут интерферировать между собой подобно волнам, посылаемым в данном направлении различными щелями дифракционной решетки. При этом, как и в случае решетки, вторичные волны будут практически погашать друг друга во всех направлениях, кроме тех, для которых разность хода между соседними волнами является кратной л. Из рис. 2 видно, что разность хода двух волн, отразившихся от соседних слоев, разна

где d -- период идентичности кристалла в направлении, перпендикулярном к рассматриваемым слоям,

и -- угол, дополнительный к углу падения и называемый углом скольжения падающих лучей.

Отражение света от опаловой матрицы с пленкой

Рис. 1. 19

Для того, чтобы наблюдались максимумы необходимо выполнения условий:

Сложив уравнения, получим:

Из материала, рассмотренного выше, следует:

Т.к., то:

При вычислении разности фаз д между колебаниями в лучах 1 и 2, а также лучах 3 и 4 нужно, кроме оптической разности хода Д, учесть возможность изменения фазы волны при отражении. Между лучами 1 и 2 возникает дополнительная разность фаз, равная р.(было рассмотрено ранее). Аналогично, рассматривая лучи 3 и 4 можно сказать, что их разность фаз равна 2р.

Учитывая данные рассуждения, получим:

В результате получим:

Приведем данную формулу к такому виду:

1.1.5 Анализ методов формирования опаловых фотонных кристаллов

Метод термического испарения в вакууме

Этот метод заключается в испарении металла или сплава в вакууме и конденсации его паров на поверхности пластинки (подложки). Качество и прочность пленок в большей степени зависят от чистоты подложки. Поэтому поверхность подложки предварительно полируется и тщательно очищается. Часто во время напыления подложка нагревается при помощи специального нагревателя до температуры 100−3000С. При подогретой подложке частично снимаются внутренние напряжения в пленке, и улучшается ее сцепление с подложкой. Подложки могут быть изготовлены из стекла, кварца, слюды и немагнитных металлов. В качестве подложки в некоторых случаях используются сколы монокристаллов поваренной соли NaCl.

Процесс термовакуумного нанесения можно разбить на четыре этапа:

· Термовакуумное испарение вещества. Вещества переходят в пар при любой температуре выше абсолютного нуля, но чтобы увеличить интенсивность парообразования их нагревают. С увеличением температуры повышается средняя кинетическая энергия атомов и вероятность разрывов межатомных связей. Атомы отрываются от поверхности и распространяются в свободном пространстве, образуя пар.

· Распространение молекулярного потока испаряемых частиц от испарителя к подложке. Молекулярный поток испаряемых частиц на своем пути встречает молекулы остаточного газа. Возникающие при этом неблагоприятные столкновения, изменяя траектории частиц пара, оказывают влияние на физико-механические свойства осаждаемых пленок, приводят к потерям испаряемого материала за счет нанесения на внутрикамерную оснастку и стенки камеры, уменьшают скорость нанесения пленки. Такие столкновения не происходят, если длина свободного пробега молекул пара ? превышает расстояние испаритель-подложка d.

· Конденсация пара на поверхности подложки зависит от температуры подложки и плотности атомарного потока. Молекулы (атомы) пара, достигшие подложки, могут мгновенно отразиться от нее (упругое столкновение), адсорбироваться и через некоторое время отразиться от подложки (реиспарение), адсорбироваться и после кратковременного мигрирования по поверхности окончательно остаться на ней (конденсация).

Конденсация молекул (атомов) происходит, если их энергия связи с подложкой больше средней энергии атомов подложки, в противном случае молекулы отражаются. Если подложка нагрета, энергия ее атомов выше, вероятность конденсации пара ниже.

· Образование зародышей происходит в результате нахождения молекулами мест сильной связи (сил Ван-дер-Ваальса) с подложкой, соответствующих минимуму свободной энергии системы молекула-подложка. Если же на пути своего движения обладающая избытком энергии молекула встречает место слабой связи с подложкой, то происходит реиспарение. Рост зародышей продолжается за счет присоединения новых молекул, мигрирующих по поверхности или попадающих в зародыши непосредственно из пролетного промежутка источник-подложка.

· Рост пленки. По мере конденсации зародыши растут, между ними образуются соединяющиеся мостики, зародыши сливаются в крупные островки. После этого наступает стадия слияния островков с образованием единой сетки. Сетка переходит в сплошную пленку, которая начинает расти в толщину. С этого момента влияние подложки исключается и частицы пара от поверхности пленки практически не отражаются.

Метод химического осаждения

Метод химического осаждения тонких пленок осуществляется при напуске в рабочую камеру (реактор) смеси газов, содержащей компоненты получаемой пленки. Существуют методы непосредственно химического осаждения атомов и молекул из газовой фазы (CVD-методы: Chemical Vapour Deposition), газофазная эпитаксия, термическое окисление, методы плазмо-химического осаждения. Химическое осаждение пленки из газовой фазы подразумевает собой процесс, при котором химическая реакция, происходящая в газовой фазе над поверхностью подложки, вызывает рост пленки на этой поверхности (рис. 18).

Рис. 1. 20.

Процесс CVD нанесения пленок можно разбить на следующие этапы:

· Подача исходных реагентов в зону осаждения к подложкам.

· Взаимодействие исходных реагентов и образование промежуточных продуктов. В ряде случаев полные молекулы рабочего газа (или смеси рабочих газов) являются химически пассивными и не могут участвовать в процессе роста пленки. Поэтому рабочий газ активируют. Для активации обычно используют методы температурного или плазменного стимулирования взаимодействия реагентов. Промежуточные продукты взаимодействия переносятся к поверхности подложек.

· Образование зародышей. На этом этапе происходит процесс адсорбции. Активные радикалы легко диффундируют на поверхности подложки и образуют химические связи, осуществляя, таким образом, первую стадию образования пленочного слоя. Газообразные продукты реакции десорбируют с поверхности и эвакуируются из зоны осаждения.

· Рост пленки. С течением реакции количество зародышей растет, между ними образуются соединяющиеся мостики, зародыши сливаются в крупные островки. После этого наступает стадия слияния островков с образованием единой сетки. Сетка переходит в сплошную пленку, которая начинает расти в толщину.

Ниже представлена таблица, в которой сравниваются методы получения наноструктур.

Таблица 1. 2

Метод

Суть метода

Характерные режимы

Добавляемые (внедряемые) материалы

Электрохимическое осаждение (гальваника)

Напряжение — > 0,1В

pH электролита — 6…6,5

Температура — 25…60оС

Металлы, полупроводники

Химическое (плазмохимическое) осаждение в вакууме (CVD)

Давление — 105…10-1Па

Напряженность — 0,1…10эВ

Температура — 20…1520оС

С, Si, Ge, GaAs, GaAlAs, InP, GaN

Одновременное с кремнеземом осаждение испарением из коллоидного раствора

Температура — 600…850oC

Размер наночастиц — до 5 нм

Si, GaP, CdS, …

Золь-гель метод (пропитка)

Мнгогократная обработка

Температура — 300. 850оС

Время — 0,5…1ч

TiO2, SiO2, GeO2, шпинели, …

Метод высоких давлений

Давление — до10*105Па

Температура — 350…400оС

Время — 30мин

Sn, Pb, Te, Ga, …

Восстановление из оксида

GeO2

GeO2 + H2

Ge

Температура — 550оС

Металлы

Осаждение в вакууме магнетронным распылением

Давление — 10…10-2 Па

Напряженность — 3…5эВ

Температура — 20…470оС

Любые

Осаждение в вакууме термическим испарением

Давление- 10-4…10-8Па

Металлы

Проведенный анализ методов формирования наноструктур опала позволил сделать вывод, что из вакуумных методов наиболее эффективным является — плазмохимическое осаждение. Этот метод позволяет как осаждать на поверхности кристалла тонкие пленки так и внедрять материалы внутрь. Методы магнетронного распыления и термического осаждения также заслуживают внимания, так как с помощью них можно получать структуры с осажденной на поверхности пленкой. Также были рассмотрены методы внедрения материалов гальваническим методом и осаждением из раствора солей металлов.

1.1.6 Анализ факторов, влияющих на параметры ФЗЗ

На основе базы данных, созданной по результатам собственных экспериментов и обзора литературных источников, были выделены факторы оказывающие наибольшее влияние на параметры фотонной запрещенной зоны:

Таблица 1.3 Список характеризующих опаловые наноструктуры параметров

Характеристика наноструктуры

Диапазон значений

Вид наноструктуры

«чистый» опал, тонкопленочная структура, нанокомпозит, инверсный опал

Добавляемый материал

металлы, оксиды, …

Метод изготовления опаловой матрицы

седиментация, центрифугование, вертикальное осаждение, электрофорез, выпаривание растворов

Диаметр глобул диоксида кремнезема, нм

200…1200

Метод внедрения

см. табл. 2

Степень заполнения пор опаловой матрицы, %

0…100

Размер внедренных наночастиц, нм

2…50

Толщина пленки на поверхности опаловой матрицы, нм

20…800нм

Оптический контраст нанокомпозита

до 3,5

Кристаллографическая ориентация поверхности

{111}, {100}

Спектр воздействующего излучения

УФ…СВЧ

Угол падения излучения, град

0…90

Длина волны, на которой наблюдается максимум отражения для незаполненного опала, нм

300…5000

Длина волны, на которой наблюдается max отражения для опаловой наноструктуры, нм

300…5000

Ширина запрещенной зоны, нм

5…500

Напряженность эл. поля при исследовании эффекта Керра, В*м

1…3

Электрооптический эффект Керра, ТКЕ

Напряженность магн. поля при исследовании эффекта Керра, Э

1…3

Магнитооптический эффект Керра, ТКЕ

Напряженность магнитного поля придостижении насыщения, Э

10…

Величина магнтного момента, Э

10…100

Электрическое сопротивление, мОм*см

1…

Наблюдаемые эффекты

Фотонная запрещенная зона (ФЗЗ), люминесценция, ферромагнитный резонанс, туннелирование, комбинационное рассеяние.

1.2. Экспериментальные исследования

1.2.1 Описание аналитического оборудования

Спектрофотометр AOS-4SL

Основным назначением спектрофотометра AOS-4SL является измерение спектральной зависимости коэффициентов отражения и пропускания диэлектрических покрытий, нанесенных на плоские поверхности оптических деталей. Прибор может использоваться также для измерений указанных характеристик других оптических элементов с плоскими поверхностями.

Спектрофотометр позволяет измерять в поляризованном и неполяризованном свете коэффициент отражения в условиях, близких к нормальному падению света (угол 7,5о), а коэффициент пропускания — в диапазоне углов падения 0…70о).

Спектрофотометр работает только под управлением IBM-совместимой персональной ЭВМ с процессором не ниже 486 модели, использующей операционную систему MS DOS, Windows 95 или Windows 98.

В спектрофотометре используется процедура относительных измерений. Требуемый коэффициент определяется как отношение двух световых сигналов: отраженного (пропущенного) деталью, для которой измеряется коэффициент отражения (пропускания), и эталонной деталью (именуемой далее эталоном), для которой соответствующий коэффициент считается известным.

Акустооптический спектрофотометр AOS-4SL состоит из:

— оптического блока (ОБ), включающего в себя источник света, акустооптический монохроматор, держатели измеряемых деталей и приемник излучения (рис. 2);

Рис. 1. 21. Оптическая схема оптического блока

— блока управления и регистрации (БУР), который вырабатывает высокочастотное (ВЧ) напряжение для управления перестройкой длины волны и стабилизированное напряжение для питания лампы источника света, осуществляет первичную обработку регистрируемого сигнала, а также обеспечивает связь с управляющей ПЭВМ.

Неотъемлемой частью спектрофотометра является программное обеспечение (ПО) для ПЭВМ, с помощью которого задается режим работы спектрофотометра, осуществляется управление перестройкой длины волны, обработка регистрируемого сигнала, а также представление результатов измерения на экране монитора и их запись на магнитный носитель.

В основе метода спектрофотометрии лежит процесс взаимодействия вещества со светом, с электромагнитным излучением. Электромагнитное излучение имеет двойственную природу — с одной стороны, оно обладает волновыми свойствами, а с другой стороны, представляет собой поток частиц, называемых фотонами.

Рис. 1. 22. Структурная схема акустооптического спектрофотометра AOS-4SL (АОФ — акустооптические фильтры; R, T — держатели для установки деталей при измерении коэффициента отражения и пропускания соответственно).

Процесс взаимодействия вещества с электромагнитным излучением сводится к поглощению, абсорбции молекулярной частицей энергии фотона. Вот почему спектрофотометрию иначе называют молекулярной абсорбционной спектроскопией в ближней ультрафиолетовой, видимой и ближней инфракрасной областях спектра. В результате поглощения энергии фотонов молекула переходит из основного в возбужденное состояние. Этот переход сопровождается увеличением энергии колебательного и энергии вращательного движения молекулы. Излучение поглощается веществом избирательно, т. е. при одних длинах волн абсорбция происходит интенсивно, при других оно практически не происходит. Это обусловлено тем, что интенсивно взаимодействуют с молекулами вещества лишь те фотоны, энергия которых равна или больше энергии возбуждения молекулы. Графическое изображение распределения энергии фотонов, поглощаемой молекулами вещества, по длинам волн называется его оптическим спектром. Оптический спектр представляет собой кривую Гаусса в координатах энергия излучения — длина волны, частота или волновое число. В спектрофотометрии на оси ординат откладывают значения поглощение излучения, т. е. оптической плотности раствора, а на оси абсцисс — длину волны. Измерение поглощения веществом энергии электромагнитного излучения веществом производят с помощью спектрофотометров. Основными блоками этого измерительного прибора являются источник излучения, монохроматор (стеклянный светофильтр или дифракционная решетка), кварцевая кювета, детектор (фотоэлемент или фотоумножитель), зеркало, кварцевые линзы и призмы.

1.2.2 Исследование наноструктур на основе опала

Описание образцов

Таблица 1.4 Исследуемые образцы

Основа

Пленка

Метод нанесения

Толщина

Фото

1

Опал

нет

нет

2

Опал

Ag

Термическое испарение в вакууме

3

Опал

Cu

Термическое испарение в вакууме

4

Опал

Ni

Термическое испарение в вакууме

D1

5

Опал

Ni

Термическое испарение в вакууме

D2> D1

6

Опал

Ni

Термическое испарение в вакууме

D3> D2

7

Опал

Ni

Термическое испарение + гальваника

8

Опал

Алмазоподобная углеродная

Плазмохимическое осаждение в вакууме

D1

9

Опал

Алмазоподобная углеродная

Плазмохимическое осаждение в вакууме

D2> D1

Результаты исследования чистого опала

Рис. 1. 23. Опал (с двух сторон)

Основные проблемы экспериментов — несовпадение полученных результатов, разница результатов измерений одного образца, отсутствия эффекта. Причины возникновения этих проблем — это плохое качество исходного опала.

Пример этого можно увидеть на рис. 12 где:

а) — это образцы полученные методом седиментации, используемые нами при экспериментах.

б) — это образцы полученные неизвестным методом

Из этого рисунка мы совершенно отчетливо видим, что образцы а) используемые нами, имеют крайне неровную слоистую поверхность. Поэтому нет четко выраженных пиков и в разных точках получается совершенно разный спектр отражения и очень сложно судить о его свойствах. На рис. 12 б) видно, что практически все глобулы опала лежат ровными слоями, то есть получить расхождения в результатах практически невозможно и можно ожидать ярко выраженный пик ФЗЗ. Также на вид этот образец более гладкий и блестящий.

А б

Рис. 1. 24 а — образцы опала 1

б — образцы опала 2

Рис. 1. 25. Опал c различной структурой.

На рис. 1. 25 мы наблюдаем подтверждение этого. Зеленая линия — опал со слоистой поверхностью, используемый нами для экспериментов. Красная — опал с гладкой поверхностью.

1.2.3 Результаты исследования опала с углеродными пленками

Образцы опала с углеродными пленками получают плазмо-химическим методом (PCVD). Были испробованы различные режимы, наносились пленки при 3, 5, 10 и 20 минутах нанесения.

Напускаемый газ: Циклогексан — С6Н12

Подложка: Опал, Пленка: б-С-Н (углеродная, алмазоподобная пленка)

Режимы: Pотк., нап. = 0,1Па, Pнан. = 10Па,

U = 700 В,

tоткачки = 30 мин., tнапуска = 5 мин., tнанесения = 3 мин.

Результаты первых экспериментов были неточными, хотя и довольно интересными. Режимы были еще не точно продуманы и рассчитаны, поэтому все пленки были разными (Рис. 7). В основном результаты были приближены к чистому опалу, но было получено несколько спектров на которых ясно обозначался сдвиг и увеличение пика спектральной кривой, что говорит об изменении свойств образца и его структуры. Но мы точно не можем отследить, что конкретно привело к таким результатам.

Рис. 1. 26. Опал — б-С-Н: Синий — чистый опал; Сиреневый — Опал — б-С-Н-1;

Бордовый — Опал — б-С-Н-2;

Затем были отработаны технологические режимы получения углеродных пленок на установке УВН-1 методом плазмохимического осаждения получены новые образцы с алмазоподобными пленками. Были также выявлены рациональные режимы нанесения углеродных пленок на поверхность подложки

Во время проведения эксперимента по внедрению углеродных наноструктур в опал образец сдвинулся с подложки (рис. 1. 27). Это не помешало проведению исследований, а наоборот: мы смогли проверить различия между двумя сторонами — целой и поврежденной со светлым и темным участками; и проверить различия непосредственно между этими участками.

Рис. 1. 27. Схема эксперимента: 1 — целая сторона;

2 — светлый участок; 3- темный участок.

Из этих результатов мы можем увидеть что:

1. Спектр целой стороны не имеет пика, в отличии от опала, то есть скорее всего была нанесена слишком толстая пленка, которая скрывает структуру опала (рис. 9).

2. Спектр участка съехавшего с подложки похож на опаловый, но пик увеличен и сдвинут. Это говорит влиянии внедренных наноструктур углерода на общую картину (рис. 10).

3. Спектр светлого участка остававшегося на подложке имеет большой пик на той же длине волны, что и у чистого опала, что свидетельствует что какие-то частички туда все равно попали, возможно не только углерода (рис. 11).

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой