Исследование оптических свойств одномерных и двумерных кремниевых нано-и микроструктур
Диссертация
Основные результаты диссертации докладывались на следующих конференциях: XII Международная конференция «Физика диэлектриков», С. Петербург, Россия, 2008; 31rd Symposium of Microscopical Society of Ireland, Dublin, Ireland, 2008; International conference and symposium Laser and Laser Informational Technologies, Smolyan, Bulgaria, 2009; Конференция «Микроэлектроника и наноэлектроника», Звенигород… Читать ещё >
Содержание
- Глава 1. Теоретические методы исследования оптических свойств твердотельных структур
- 1. 1. Метод матрицы переноса
- 1. 1. 1. Расчет пассивного оптического отклика
- 1. 1. 2. Расчет активного оптического отклика
- 1. 2. Метод матрицы рассеяния
- 1. 2. 1. Уравнения Максвелла в периодических слоях
- 1. 2. 2. Матрица рассеяния
- 1. 2. 3. Расчет оптических характеристик методом матрицы рассеяния
- 1. 1. Метод матрицы переноса
- 2. 1. Оптические свойства щелевых кремниевых микроструктур (обзор литературы)
- 2. 1. 1. Щелевые кремниевые структуры как одномерный фотонный кристалл
- 2. 1. 2. Усиление комбинационного рассеяния света в щелевых кремниевых структурах
- 2. 1. 3. Оптическая анизотропия щелевых кремниевых структур
- 2. 2. Исследуемые образцы
- 2. 3. Исследование свойства оптической анизотропии щелевых кремниевых микроструктур
- 3. 1. Введение (обзор литературы)
- 3. 2. Исследуемые структуры двумерных фотонных кристаллов и детали расчета
- 3. 3. Фотонные стоп-зоны двумерного фотонного кристалла
- 3. 4. Поверхностные состояния в двумерных фотонных кристаллах
- 3. 5. Резонаторные состояния в двумерных фотонных кристаллах
- 3. 6. Взаимодействие поверхностных и резонаторных состояний в двумерных фотонных кристаллах
- 3. 7. Экспериментальное наблюдение поверхностной моды в двумерном фотонном кристалле
- 3. 7. 1. Экспериментальная методика исследования слоев двумерных фотонных кристаллов
- 3. 7. 2. Экспериментальные спектры отражения и пропускания и их сравнение с теоретическими данными
- 4. 1. Оптические свойства фотонно-кристаллических структур на основе пористого кремния (обзор литературы)
- 4. 2. Исследуемые образцы одномерного фотонного кристалла на основе пористого кремния и детали расчета
- 4. 3. Моделирование усиления сигнала комбинационного рассеяния света в одномерном фотонном кристалле на основе пористого кремния
- 5. 1. Оптические свойства нанокристаллов кремния (обзор литературы)
- 5. 2. Метод приготовления слоистых структур с кремниевыми нанокристаллами
- 5. 3. Интерференционное усиление ФЛ в структурах с кремниевыми нанокристаллами
Список литературы
- Born М., Wolf Е., Bhatia А. В. Principles of optics: electromagnetic theory of propagation, interference and diffraction of light. Cambridge Univ Pr, 1999.
- Sakoda K. Optical Properties of Photonic Crystals. Springer, 2001.
- Tikhodeev S. G., Yablonskii A. L., Muljarov E. A. et al. Quasiguided modes and optical properties of photonic crystal slabs // Phys. Rev. B. 2002. Vol. 66. P. 45 102.
- Benisty H., Stanley R., Mayer M. Method of source terms for dipole emission modification in modes of arbitrary planar structures // J. Opt. Soc. Am. A. 1998. Vol. 15, no. 5. Pp. 1192−1201.
- Ко D. Y. K, Inkson J. C. Matrix Method For Tunneling in Heterostruc-tures: Resonant Tunneling in Multilayer System // Phys. Rev. B. 1988. Vol. 38. Pp. 9945−9951.
- Whittaker D. M., Culshaw I. S. Scattering-matrix treatment of patterned multilayer photonic structures // Phys. Rev. B. 1999. Vol. 60, no. 24. Pp. 2610−2618.
- Taflove A. Computational Electrodinamics: The Finite-Difference TimeDomain Method. Boston: Artech House, 1995.
- Azzam R. M. A., Bashara N. M. Ellipsometry and polarized light. North Holland, 1987. Vol. 31.
- Markos P., Soukoulis С. M. Wave propagation: from electrons to photonic crystals and left-handed materials. Princeton Univ Pr, 2008.
- Астрова Е. В., Perova Т. S., Толмачев В. А. Двулучепреломление инфракрасного света в искусственном кристалле, полученном с помощью анизотропного травления кремния // ФТП. 2003. Т. 37, № 4.
- Tolmachev V. A., Perova Т. S., Astrova Е. V. Vertically etched silicon as ID photonic crystal // Phys. Stat. Sol. (A). 2003. Vol. 197, no. 2.
- Tolmachev V. A., Astrova E. V. ID photonic crystal fabricated by wet etching of silicon // Opt. Mat. 2005. Vol. 28, no. 5. Pp. 831−835.
- Круткова E, Ю., Тимошенко В. Ю., Головань JI. А. и др. Инфракрасная и субмиллиметровая спектроскопия щелевых кремниевых структур // ФТП. 2006. Т. 40, № 7.
- Mamichev D. A., Timoshenko V. Y., Zoteyev А. V. et al. Enhanced Raman scattering in grooved silicon matrix //Phys. Status Solidi B. 2009. Vol. 246, no. 1. Pp. 173−176.
- Tolmachev V. A., Perova T. S., Astrova E. V. et al. Optical characteristics of ordinary and tunable ID Si photonic crystals in the mid-infrared range. Vol. 5825 of Proc. SPIE. 2005.
- Astrova E. V., Tolmachev V. A., Fedulova G. V. et al. Optical properties of one-dimensional photonic crystals fabricated by photo-electrochemical etching of silicon // Appl. Phys. A. 2010. Vol. 98, no. 3. Pp. 571−581.
- Mamichev D. A., Gonchar K. A., Timoshenko V. Y. et al. Enhanced Raman scattering in multilayer structures of porous silicon //J. Raman. Spectrosc. 2011. Vol. 42. Pp. 1392−1395.
- Zoteev A. V., Golovan L. A., Krutkova E. Y. et al. Enhancement of the
- Raman scattering in grooved silicon structures // Semiconductors. 2007.. Vol. 41, no. 8. Pp. 970−972.
- Ахманов G. А., Никитин С. H. Физическая оптика. Москва: Наука, 2004. С. 537.
- Elwenspoek М., Jansen Н. V. Silicon micromachining. United Kingdom: Cambridge University Press, 2004.
- Готра 3. Ю. Технология микроэлектронных устройств: Справочник. Радио и связь, 1991.
- Kendall D. L. Vertical Etching of Silicon at very High Aspect R. atios // Ann. Rev. Mater. Sci. 1979. Vol. 9. Pp. 373−403.
- Barillaro G., Nannini A., Pieri F. Dimensional constraints on high aspect ratio silicon microstructures fabricated by HF photoelectrochemical etching // J. Electrochem. Soc. 2002. Vol. 149, no. 3. Pp. C180-C185.
- Astrova E. V., Fedulova G. V. Formation of deep periodic trenches in photo-electrochemical etching of n-type silicon //J. Micromech. Microeng.2009. Vol. 19. 95 009.
- Hoffmann M., Voges E. Bulk silicon micromachining for MEMS in optical communication systems //J. Micromech. Microeng. 2002. no. 12. Pp. 349−360.
- Astrova E. V., Tolmachev V. A., Zharova Y. A. et al. Silicon periodic structures and their liquid crystal composites // Solid State Phenomena.2010. Vol. 156. Pp. 547−554.
- Chu A., Zaidi S. H., Brueck S. R. J. Fabrication and Raman scatteringstudies of one-dimensional nanometer structures in (100) silicon // Appl. Phys. Lett. 1993. Vol. 63, no. 7. Pp. 905−907.
- Гук E. Г., Ткаченко А. Г., Токранова H. А. и др. Кремниевые структуры с диэлектрической изоляцией, полученные вертикальным анизотропным травлениесм // Письма в ЖЭТФ. 2001. Т. 27, № 9. С. 64−71.
- Holke A., Henderson Н. Т. Ultra-deep anisotropic etching of (110) silicon // J. Micromech. Microeng. 1999. Vol. 9, no. 1. Pp. 51−57.
- Benisty H., Labilloy D., Weisbuch C. et al. Radiation losses of waveguide-based two-dimensional photonic crystals: Positive role of the substrate // Appl. Phys. Lett. 2000. Vol. 76. P. 532.
- Benisty H., Lalanne P. H., Olivier S. et al. Finite-depth and intrinsic losses in vertically etched two-dimensional photonic crystals // Opt. Quant. Electron. 2002. Vol. 34, no. 1. Pp. 205−215.
- Maradudin A. A., Mills D. L. Scattering and absorption of electromagnetic radiation by a semi-infinite medium in the presence of surface roughness // Phys. Rev. B. 1975. Vol. 11, no. 4. Pp. 1392−1415.
- Geppert Т. M. Towards Photonic Crystal-Based Spectroscopic Gas Sensors. 2005.
- Pergande D., von Rhein A., Geppert Т., Wehrspohn R. Coupling Schemes for Low-Group Velocity Photonic Crystal Devices //J. Comput. Theor. Nanos. 2009. Vol. 6, no. 9. Pp. 1993−2000.
- Pergande D., Geppert Т. M., von R, hein A. et al. Miniature infrared gas sensors using photonic crystals // J. Appl. Phys. 2011. Vol. 109. P. 83 117.
- Joannopoulos J. D., Johnson S. G, Winn R. D. Photonic Crystals. Molding the Flow of Light. 2 edition. Princeton University Press, 2008.
- Malkova N., Ning С .Z. Shoekley and Tamm surface states in photonic crystals // Phys. Rev. B. 2006. Vol. 73, no. 11. P. 113 113.
- Vinogradov A. P., Dorofeenko A. V., Erokhin S. G. и др. Surface state peculiarities in one-dimensional photonic crystal interfaces // Phys. Rev. B. 2006. T. 74, № 4. C. 45 128.
- Виноградов A. FL, Дорофеенко А. В., Мерзликин А. В., Лиеян-ский А. А. Поверхностные состояния в фотонных кристаллах // УФН. 2010. Т. 180, № 3. С. 249−263.
- Malkova N., Ning С. Z Tamm surface states in a finite chain of defects in a photonic crystal // J. Phys.: Condens. Matter. 2007. Vol. 19. P. 56 004.
- Moreno E., Garcia-Vidal F., Martin-Moreno L. Enhanced transmission and beaming of light via photonic crystal surface modes // Phys. Rev. B. 2004. Vol. 69, no. 12. P. 121 402.
- Namdar A., Shadrivov I. V., Kivshar Y. S. Backward Tamm states in left-handed metarnaterials // Appl. Phys. Lett. 2006. Vol. 89. P. 114 104.
- Kivshar Y. S. Nonlinear Tamm states and surface effects in periodic photonic structures // Laser Phys. Lett 2008. Vol. 5, no. 10. Pp. 703−713.
- Yeh P., Yariv A., Cho A. Optical surface waves in periodic layered media // Appl. Phys. Lett. 1978. Vol. 32. P. 104.
- Lederer F., Leine L., Muschall R. et al. Strongly nonlinear effects with • weak nonlinearities in smart waveguides // Opt. Commun. 1993. Vol. 99, no. 1−2. Pp. 95−100.
- Malkova N., Hromada I., Wang X. et al. Observation of optical Shockley-like surface states in photonic superlattices // Opt. Lett. 2009. Vol. 34, no. 11. Pp. 1633−1635.
- Xiao S., Qiu M., Ruan Z., He S. Influence of the surface termination to the point imaging by a photonic crystal slab with negative refraction // Appl. Phys. Lett. 2004. Vol. 85. P. 4269.
- Mihi A., Miguez H., Rodriguez I. et al. Surface resonant modes in colloidal photonic crystals // Phys. Rev. B. 2005. Vol. 71, no. 12. P. 125 131.
- Song B. S., Noda S. Ultra-high-Q photonic double-heterostructure nanocavity // Nature materials. 2005. Vol. 4, no. 3. Pp. 207−210.
- Istrate E., Sargent E. H. Photonic crystal heterostructures and interfaces // Rev. Mod. Phys. 2006. Vol. 78. Pp. 455−481.
- Takahashi Y., Hagino H., Tanaka Y. et al. High-Q nanocavity with a 2-ns photon lifetime // Optics Express. 2007. Vol. 15, no. 25. Pp. 17 206−17 213.
- Tomljenovic-Hanic S., de Sterke C. M., Steel M. J. Design of high-Q cavities in photonic crystal slab heterostructures by air-holes infiltration // Optics Express. 2006. Vol. 14, no. 25. Pp. 12 451−12 456.
- Fan S., Johnson S. G., Joannopoulos J. D. et al. Waveguide branches in photonic crystals // J. Opt. Soc. Am. B. 2001. Vol. 18, no. 2. Pp. 162−165.
- Mekis A., Chen J. C., Kurland I. et al. High Transmission through Sharp Bends in Photonic Crystal Waveguides // Phys. Rev. Lett. 1996. — Oct. Vol. 77. Pp. 3787−3790.
- Johnson S. G., Manolatou C. Elimination of cross talk in waveguide intersections // Opt. Lett. 1998. Vol. 23, no. 23. Pp. 1855−1857.
- Fan S., Villeneuve P. R., Joannopoulos J. D., Haus H. A. Channel Drop Tunneling through Localized States // Phys. Rev. Lett. 1998. —Feb. Vol. 80. Pp. 960−963.
- Soljacic M., Ibanescu M. Optimal bistable switching in nonlinear photonic crystals // Phys. Rev, E. 2002.-Nov. Vol. 66. P. 55 601.
- Notomi M., Shinya A., Mitsugi S. et al. Optical bistable switching action of Si high-Q photonic-crystal nanocavities // Optics Express. 2005. Vol. 13, no. 7, Pp. 2678−268?.
- Astrova E. V., Fedulova G. V., Zharova Y. A., Gushchina E. V. Side-wall roughness of deep trenches m ID and 2D periodic silicon structures fabricated by photoelectrochemical etching. // physica status solidi ©. 2011. Vol. 8, no. 6. Pp. 1936−1940.
- Azzam R. M. A., Bashara N. M. Polarization characteristics of scattered radiation from a diffraction grating by ellipsometry with application to surface roughness // Phys. Rev. B. 1972. Vol. 5, no. 12. P. 4721.
- Wu S.-T. // Opt. Eng. 1987. Vol. 26, no. 2. P. 1208.
- Schilling J., Birner A., Miiller F. et al. Optical characterisation of 2D macroporous silicon photonic crystals with bandgaps around 3.5 and 1.3 /im // Opt, Mat. 2001. Vol. 17, no. 1. Pp. 7−10.
- Geppert T., Schweizer S. L., Gosele U., Wehrspohn R. B. Deep trench etching in macroporous silicon // Appl. Phys. A. 2006. Vol. 84, no. 3. Pp. 237−242
- Wehrspohn R. B., Schweizer S. L., Sandoghdar V. Linear and non-linearoptical experiments based on macroporous silicon photonic crystals // Phys. Stat. Sol. A. 2007. Vol. 204, no. 11. Pp. 3708−3726.
- Astrova E. V., Fedulova G. V., Guschina E. V. Formation of 2D photonic crystal bars by simultaneous photoelectrochemical etching of trenches and macropores in silicon // Semiconductors. 2010. Vol. 44, no. 12. Pp. 1617−1623.
- Жарова Ю. А., Федулова Г. В., Астрова Е. В. Технология получения гетеропереходов в решетке фотонного кристалла на основе макропористого кремния // ФТП. 2011. Т. 45, № 8. С. 1136−1143.
- Lehmann V. Electrochemistry of Silicon. D-69 469 Weinheim: Wiley-VCH, 2002.
- Lehmann V., Foil H. Formation Mechanism and Properties of Electro-chemically Etched Trenches in n-Type Silicon //J. Electrochem. Soc. 1990. Vol. 137, no. 2. Pp. 653−659.
- Dyakov S. A., Tolmachev V. A., Astrova E. V. et al. Numerical methods for calculation of optical properties of layered structures // Proceedings of SPIE. Vol. 7521. 2009. P. 75210G.
- Ziaie В., Baldi A., Atashbar M. Handbook of nanotechnology // Ed. by B. Bhushan. Springer, Berlin Heidelberg New York: Springer, 2004. P. 52.
- Bisi O., Ossicini S., Pavesi L. Porous silicon: a quantum sponge structure for silicon based optoelectronics // Surface Science Reports. 2000. Vol. 38, no. 1−3. Pp. 1−126.
- Kompan M., Novak I., Kulik V., Kamakova N. Enhancement of Ramanscattering intensity in porous silicon // Physics of the Solid State. 1999. Vol. 41, no. 7. Pp. 1207−1209.
- Kompan M., Kulik V., Novak I. et al. Anomalous polarization of Raman scattering spectra from porous silicon //JETP Letters. 1998. Vol. 67, no. 2. Pp. 106−112,
- Golovan L., Zheltikov A., Kashkarov P. et al. Generation of the second optical harmonic in porous-silicon-based structures with a photonic band gap-// JETP Letters. 1999. Vol. 69, no. 4. Pp. 300−305.
- Soboleva I., Murchikova E., Fedyanin A., Aktsipetrov O. Second-and third-harmonic generation in birefringent photonic crystals and microcavi-ties based on anisotropic porous silicon // Appl. Phys. Lett. 2005. Vol. 87. P. 241 110.
- Golovan L. A., Kashkarov P. K., Syrchin M. S., Zheltikov A. M. One-Dimensional Porous-Silicon Photonic Band-Gap Structures with Tunable Reflection and Dispersion // Physica Status Solidi (a). 2000. Vol. 182, no. 1. Pp. 437−442.
- Golovan L., Timoshenko, VYu P., Kashkarov. Optical properties of porous-system-based nanocomposites // Phys.Usp. 2007. Vol. 50, no. 6. Pp. 595−612.
- Daldosso N., Pavesi L. Nanosilicon photonics // Laser & Photonics Reviews. 2009. Vol. 3, no. 6. Pp. 508−534.
- Godefroo S., Hayne M., Jivanescu M. et al. Classification and control of the origin of photoluminescence from Si nanocrystals // Nat. Nanotechnol. 2008. Vol. 3, no. 3. Pp. 174−178.
- Pavesi L., Dal Negro L., Mazzoleni C. et al. Optical gain in silicon nanocrystals // Nature. 2000. Vol. 408, no. 6811. Pp. 440−444.
- Walters R. J., Bourianoff G. I., Atwater H. A. Field-effect electroluminescence in silicon nanocrystals // Nature Mater. 2005. Vol. 4, no. 2. Pp. 143−146.
- Iacona F., Franzo G., Spinella C. Correlation between luminescence and structural properties of Si nanocrystals //J. Appl. Phys. 2000. Vol. 87. P. 1295.
- Iacona F., Bongiorno C., Spinella C. et al. Formation and evolution of luminescent Si nanoclusters produced by thermal annealing of SiO^ films // J. Appl. Phys. 2004. Vol. 95. P. 3723.
- Comedi D., Zalloum O. H. Y., Irving E. A. et al. X-ray-diffraction study of crystalline Si nanoeluster formation in annealed silicon-rich silicon oxides // J. Appl. Phys. 2006. Vol. 99. P. 23 518.
- Falconieri M., Borsella E., De Dominicis L. et al. Probe of the Si nanoclusters to Er energy transfer dynamics by double-pulse excitation // Appl. Phys. Lett. 2005. Vol. 87. P. 61 109.
- Pi X., Zalloum O., Roschuk T. et al. Light emission from Si nanoclusters formed at low temperatures // Appl. Phys. Lett. 2006. Vol. 88. P. 103 111.
- Walters R. J., Kalkman J., Polman A. et al. Photoluminescence quantum efficiency of dense silicon nanocrystal ensembles in Si02 // Phys. R.ev. B. 2006. Vol. 73, no. 13. P. 132 302.
- Neyts K. A. Simulation of light emission from thin-film microcavities // J. Opt. Soc. Am. A. 1998. Vol. 15, no. 4. Pp. 962−971.
- Meerheim R., Furno M., Hofmann S. et al. Quantification of energy loss mechanisms in organic light-emitting diodes // Appl. Phys. Lett. 2010. Vol. 97. P. 253 305.
- Penninck L., Mladenowski S., Neyts K. The effects of planar metallic interfaces on the radiation of nearby electrical dipoles // J. of Optics. 2010. Vol. 12. P. 75 001.
- Mladenovski S., Reineke S., Neyts K. Measurement and simulation of ex-citon decay times in organic light-emitting devices with different layer structures // Opt. Lett. 2009. Vol. 34, no. 9. Pp. 1375−1377.
- Lu A. W., Rakic A. D. Design of microcavity organic light emitting diodes • with optimized electrical and optical performance // Appl. Opt. 2009. Vol. 48, no. 12. Pp. 2282−2289.
- Mladenovski S., Neyts K., Pavicic D. et al. Exceptionally efficient organic light emitting devices using high refractive index substrates // Opt. Express. 2009. Vol. 17, no. 9. Pp. 7562−7570.
- Reed C. E., Giergiel J., Hemminger J. C., — Ushioda S. Dipole radiation in a multilayer geometry // Phys. Rev. B. 1987. Vol. 36, no. 9. P. 4990.
- Yoon J. H., Jeong H. S., Park I. S. Investigation of emission location in top-emitting green organic light-emitting devices by optical analysis // Thin Solid Films. 2010. Vol. 518, no. 19. Pp. 5588−5592.
- Iacona F., Franzo G., Moreira E. C., Priolo F. Silicon nanocrystals and Er ions in an optical microcavity //J. Appl. Phys. 2001. Vol. 89. P. 8354.
- Takeda E., Nakamura T., Fujii M. et al. Surface plasmon polariton mediated photoluminescence from excitons in silicon nanocrystals // Appl. Phys. Lett. 2006. Vol. 89. P. 101 907.
- Hryciw A., Jun Y., Brongersma M. L. Plasmon-enhanced emission from optically-doped MOS light sources // Opt. Exp. 2009. Vol. 17, no. 1. Pp. 185−192.
- Purcell E. Spontaneous emission probabilities at radio frequencies // Physical Review. 1946. Vol. 69. P. 681.
- Nakamura T., Fujii M., Miura S. et al. Enhancement and suppression of energy transfer from Si nanocrystals to Er ions through a control of the photonic mode density // Phys. R, ev. B. 2006. Vol. 74, no. 4. P. 45 302.
- Miura S., Nakamura T., Fujii M. et al. Size dependence of photoluminescence quantum efficiency of Si nanocrystals // Phys. Rev. B. 2006. Vol. 73, no. 24. P. 245 333.
- Imakita K., Fujii M., Nakamura T. et al. Enhancement of radiative recombination rate of excitons in Si nanocrystals on Au film // Jpn. J. Appl. Phys. 2006. Vol. 45, no. 8. Pp. 6132−6136.
- Takeoka S., Fujii M., Hayashi S. Size-dependent photoluminescence from surface-oxidized Si nanocrystals in a weak confinement regime // Phys. R, ev. B. 2000.-Dec. Vol. 62. Pp. 16 820−16 825.
- Handbook of optical constants of solids, Ed. by E. D. Palik. San Diego: Academic Press, 1998. Vol. 3.
- Fang Y. C., Li W. Q., Qi L. J. et al. Photoluminescence from SiO^ thin films: effects of film thickness and annealing temperature // Nanotechnol-ogy. 2004. Vol. 15. P. 494.