Письма в ЖЭТФ, том 101, вып. 12, с. 891-896
© 2015 г. 25 июня
Рост времени жизни фотона и увеличение эффективности процессов комбинационного рассеяния света и генерации второй гармоники в
пористом карбиде кремния
Л. А. Голов&нь1^, А. А. Соколов, В. Ю. Тимошенко, А. В. Семенов^, А. П&стушенко*, Т. Ничипорук*,
В. Лысенко*
Физический факультет МГУ им. Ломоносова, 119991 Москва, Россия +Институт монокристаллов НАН Украины, 61001 Харьков, Украина * University of Lyon, Nanotechnology Institute of Lyon, UMR CNRS 5270, INSA de Lyon, F-69621, France
Поступила в редакцию 28 января 2015 г.
После переработки 29 апреля 2015 г.
Исследованы процессы комбинационного рассеяния света и генерации второй гармоники в пористых слоях, полученных электрохимическим травлением поликристаллического карбида кремния, которые содержат нанокристаллы с размерами от единиц до сотен нанометров. Установлено, что в слоях пористого карбида кремния эффективности комбинационного рассеяния света и генерации второй гармоники возрастают соответственно в несколько раз и более чем на два порядка величины по сравнению с исходным образцом. При этом эффективность преобразования во вторую гармонику достигает 0.1% при накачке фемтосекундными импульсами с длиной волны 1240 нм. Оценка времени жизни фотона в слоях пористого карбида кремния с помощью измерения кросс-корреляционных функций дала значение более 2 пс, что указывает на замедление света в данной оптически неоднородной среде за счет многократного рассеяния. Этот эффект в слоях пористого карбида кремния объясняет наблюдаемый рост эффективностей комбинационного рассеяния света и генерации второй гармоники.
DOI: 10.7868/S0370274X15120048
В последнее время исследователи всего мира активно изучают методы изготовления и свойства наноструктур на основе карбида кремния. Интерес к ним обусловлен тем, что они позволяют сочетать уникальные свойства этого материала - разнообразие политипов, широкую запрещенную зону, сравнительно высокую нелинейную восприимчивость, высокую термическую и радиационную стойкость, биосовместимость - и возможности реализовать в наноструктурах квантово-размерный эффект и создать нанокомпозитные среды (см., например, [1]). Одной из таких сред является пористый карбид кремния (рог-БЮ), который может быть получен с помощью анодного травления [2-4]. В зависимости от условий травления и исходного образца размеры пор и остающихся нанокристаллов карбида кремния варьируются в пределах от единиц нанометров до единиц микрометров.
Оптические свойства рог-БЮ исследовались в основном с точки зрения описания его эффективной диэлектрической проницаемости в среднем инфра-
e-mail: golovan@physics.msu.ru
красном диапазоне в рамках модели эффективной среды [5] и характеризации сформированных слоев с помощью методов комбинационного рассеяния света и фотолюминесценции (ФЛ) [3,6-8]. Нелинейно-оптические свойства рог-БЮ, в отличие от монокристаллического БЮ [9], отдельных наночастиц БЮ [10] и наночастиц БЮ, внедренных в полимерную матрицу с объемной долей частиц не более 0.5 % [11], практически не изучены.
Стоит отметить, что в пористых полупроводниках в зависимости от их структуры (соотношения размеров пор, нанокристаллов, длины волны и длины когерентности, упорядоченности пор) были зарегистрированы как существенное падение эффективности нелинейно-оптических процессов (генерация второй гармоники в микропористом 81), так и ее заметный рост (более чем на порядок величины для генерации второй и третьей гармоник в мезо-пористом и генерации второй гармоники в макропористом СаР) по сравнению с исходным полупроводниковым материалом (см., например, [12-15]). Последний может быть вызван различными причинами, в числе которых можно назвать оптическую
SEM МАО: 250 кх
Dâtt<m4!/y): 0026114
анизотропию, влияние поверхностных состояний, наличие фотонных сред, эффективное упругое рассеяние света.
Для структур рог-БЮ, размер пор в которых составляет сотни нанометров [7], невозможно в видимом диапазоне пользоваться приближением эффективной среды ввиду существенного рассеяния света на слоях рог-БЮ. Вместе с тем эффективное упругое рассеяние света может привести к существенному увеличению времени жизни фотона в пористой среде и, следовательно, к росту эффективности многих оптических процессов, включая комбинационное рассеяние света и генерацию оптических гармоник, как это наблюдалось в пористом СаР [13, 16], нано-частицах БЮ [11] и порошках Ва8С>4 [17].
Целью настоящей работы являлось исследование влияния увеличения времени жизни фотона в рог-БЮ на эффективность таких оптических процессов, как комбинационное рассеяние света (КРС) и генерация второй гармоники (ВГ). Кроме того, чтобы выявить влияние размера нанокристаллов БЮ на эффективность последнего процесса, было выполнено измерение сигнала ВГ в изученном ранее образце наноструктурированного БЮ толщиной 5 мкм, полученном методом прямого ионного осаждения [18]. Образец содержал нанокристаллы БЮ и размером 10-30 нм в соотношении 80 ат. % и 20 ат. % соответственно.
Спектры КРС были получены на установке М1сго11атап ЬаЬИАМ НИ 800 (НопЬа ,1оЬт Утоп). В качестве источника возбуждения использовалось фокусированное излучение Не-Ме лазера на длине волны 632.8 нм. Для измерения ВГ в качестве источника возбуждения применялся лазер
(Авеста Проект) с излучением на длине волны 1240 нм, генерируемым в кристалле Сг-форстерита (длительность импульса 90 фс, частота следования импульсов 80 МГц, энергия импульса, приходившего на образец, не более 0.7 нДж). Излучение лазера накачки, отраженное дихроичным зеркалом, фокусировалось на образце линзой с фокусным расстоянием 5 мм и числовой апертурой 0.5. Излучение второй гармоники, генерируемое на поверхности образца, собиралось той же линзой и попадало на входную щель спектрометра М266 (Solar LS), снабженного камерами TCD 1304 АР (Toshiba) и G9212 (Hamamatsu). Излучение того же лазера и его вторая гармоника (620 нм) были использованы и для измерения кросс-корреляционных функций лазерного импульса и импульса, рассеянного образцом назад. Для этого применялся интерферометр Майкельсона, одно из зеркал которого совершало периодические колебания с частотой 0.1 Гц. Лазерные импульсы, разделенные полупрозрачным зеркалом на два канала, направлялись на колеблющееся зеркало и на образец. Во втором случае рассеянное излучение собиралось линзой с фокусным расстоянием 14 мм. Отраженные в обоих каналах сигналы совмещались на фотодиоде (InGaAs и GaAs для 1240 и 620 нм соответственно). В результате регистрируемое диодом излучение содержало, помимо постоянной составляющей, сигнал на частоте V/X, где V - скорость зеркала, а А - длина волны. По сути, последний сигнал представлял собой кросс-корреляционную функцию
£'i(í)£'|(í - T)eiUTdt,
-ОО
где Е1 и En - амплитуды волн, отраженных от образца и подвижного зеркала соответственно, из - частота излучения, г - время задержки импульсов друг относительно друга [13, 19, 20]. Дополнительную информацию об образце предоставляло измерение спектров полного отражения, включающего в себя как зеркальную, так и диффузную компоненты, с использованием соединенной с монохроматором интегрирующей сферы RTC-060 (Labsphere) и ксеноновой лампы в качестве источника излучения.
Используемые в эксперименте образцы por-SiC были получены методом анодного травления подложки, представлявшей собой пластину поликристаллического SiC (poly-SiC) модификации ЗС с удельным сопротивлением ~ 1 Ом • см, в спиртовом растворе плавиковой кислоты (HF^HsOH = 1:1). Подложка SiC была изготовлена методом химического осаждения из газовой фазы (изготовитель - компания Rohm and Haas) и обладала химической чистотой >99.9995% SiC. Размер кристаллита составлял около 5мкм. Процесс травления проходил при плотности тока 25мА/см2 в течение 1ч. Толщина пористого слоя составила 20мкм. На рис.1 представлены полученные с помощью сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) изображения срезов данного образца. Их анализ показал, что образец por-SiC содержит неоднородности самого разного масштаба: от единиц нм (дендритная структура на рис. 1а) до включений с-SiC диаметром порядка нескольких мкм (рис. lb).
В силу указанных морфологических особенностей образец por-SiC обладал сильным рассеянием света. Спектры полного отражения (рис. 2) показывают, что полное отражение в por-SiC оказы-
ох
О D
53
Р
£
400 500
600 700 800 X (nm)
900 1000
вается в два раза выше, чем в исходном poly-SiC, за исключением спектральной области 400-600 нм, в которой происходит резкий спад величины полного отражения, обусловленный поглощением в SiC.
Результаты измерений кросс-корреляционных функций для poly-SiC и por-SiC приведены на рис. 3.
В первом случае кросс-корреляционная функция
t
с о
U
-0.5
1.0 1.5 2.0 t (ps)
Рис. 2. Спектры полного отражения образца рог-ЯЮ (сплошная линия) и исходной подложки ро1у-8Ю (штриховая линия)
Рис.3. Кросс-корреляционные функции для poly-SiC (длина волны 1240 нм) и пористого SiC (длины волн 620 и 1240 нм). На вставке показана мощность сигнала на частоте V/X в зависимости от времени задержки
практически неотличима от автокорреляционной функции фемтосекундного лазерного импульса, т.е. в исходной подложке poly-SiC не происходит увеличения времени жизни фотонов. В отличие от poly-SiC, кросс-корреляционная функция для por-SiC оказывается ненулевой даже при времени задержки свыше Зпс. Проведенный анализ полученных данных заключался в выделении в кросс-корреляционной функции сигнала на частоте У/Л с помощью быстрого преобразования Фурье в каждый момент времени, построении зависимости мощности этого сигнала (т.е. квадрата модуля амплитуды сигнала на частоте V/X) от времени
X, (шп)
660 680 700 720 740 760 780 800 820
10
1
-|—I—|—I—|—I—|—I—|—I—|—I—|—I—|—I—[■
500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 750
Stokes shift (cm
920 960 1000
Рис.4, (а) - Спектры KPC и фотолюминесценции por-SiC (сплошная линия) и poly-SiC (штриховая линия). (Ь) - Линии KPC por-SiC после вычета фотолюминесцентного пьедестала (сплошная линия) и нормированные на них линии KPC pol
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.