ОПТИКА И СПЕКТРОСКОПИЯ, 2009, том 106, № 1, с. 149-153
ЛАЗЕРЫ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ
УДК 621.373
ФОРМИРОВАНИЕ РАЗЛИЧНЫХ ПЕРИОДИЧЕСКИХ НАНОСТРУКТУР
НА ПОЛУПРОВОДНИКАХ
© 2009 г. Р. А. Танеев
Научно-производственное объединение "Академприбор" АН Узбекистана, 100125 Ташкент, Узбекистан
E-mail: rashid_ganeev@mail.ru Поступила в редакцию 19.08.2008 г.
Исследовано взаимодействие импульсов фемтосекундной длительности с поверхностями полупроводников, при котором наблюдалось появление различных наноструктур и наноотверстий. Наблюдалось формирование наноструктур при помещении полупроводников в различные среды, а также проанализировано влияние различных параметров (угол падения излучения, поляризация, количество выстрелов, длительность импульса и т.д.) на формирование подобных образований. При этом наблюдалось одновременное появление упорядоченных структур с периодом, как близким к длине волны воздействующего излучения (700-800 нм), так и со значительно меньшим (180 нм).
PACS: 78.67.-n, 42.50.Vk, 78.40.Fy, 78.20.Nv
ВВЕДЕНИЕ
Формирование параллельных полос с характерным расстоянием между ними порядка длины волны воздействующего излучения (так называемая "папойрр1е", нанорябь) является одним из интересных явлений при взаимодействии ультракороткого лазерного импульса с полупроводниками и другими материалами. Первоначально сообщалось, что эти расстояния между полосами были в диапазоне длины волны фемтосекундных лазеров, использовавшихся в исследованиях, в частности, порядка 800 нм в большинстве случаев, когда использовались титан-сапфировые лазеры. Эти периодические поверхностные структуры вызвали интерес, обусловленный как фундаментальными проблемами воздействия ультракороткого импульса на различные материалы, так и практическим применением. Формирование подобных наноструктур (НС) связывали с образованием дифракционных решеток с субмикронными расстояниями между полосами, взаимодействием между лазерным излучением и плазмон-поляритонными волнами, образуемыми в результате изначальной поверхностной неоднородности [1], бозе-конден-сацией [2] и т.д. В то же время появившиеся в последнее время сообщения об образовании НС с периодом, значительно меньшим длины волны излучения, их образующего (~200 нм [3-5]), вызвали повышенный интерес, в том числе в связи с неопределенной природой формирования этих структур. Различные теоретические модели пытались применить для объяснения появления подобных короткопериодических структур на основе тех же принципов, что и появление широкополосных НС [1, 2, 6-9]. Отметим, что общей особенностью последних структур было пример-
ное соответствие между длиной волны лазерного излучения и расстоянием между полосами. В то же время недавно наблюдавшиеся короткоперио-дические структуры, образованные на поверхности полупроводников отличаются значительно меньшими расстояниями между полосами, а также другими особенностями, среди которых следует отметить наличие влияния поляризации лазерного излучения, величины запрещенной зоны полупроводника, угла падения и т.д. на структурные свойства короткопериодических НС. Прояснение механизмов формирования короткопериодических наноструктур (КНС) требует дополнительных исследований, поскольку никакой из предложенных ранее механизмов не мог в полной мере объяснить все особенности этого процесса.
Целью настоящих исследований был анализ особенностей процессов формирования как обычных НС, так и КНС на поверхности различных полупроводников под действием варьируемых экспериментальных условий. В данной работе анализируется влияние как вышеупомянутых, так и ряда других параметров экспериментов (поляризации излучения, длительности воздействующих фемтосекундных импульсов, величины запрещенной зоны полупроводников, угла взаимодействия лазерного излучения с поверхностью, окружающей среды и т.д.) на изменение картины нанострукту-рирования образцов, в том числе и для случая, когда можно отличить режимы формирования широкополосных и узкополосных периодических структур. Сообщается также об образовании в ряде случаев наноотверстий и наноточек на поверхности различных полупроводников.
Рис. 1. Структуры (а) центральной части облученной поверхности ОаАв и (б) периферийной области того же самого пятна. Наноструктуры, полученные на поверхности кремния в случае (в) линейной и (г) круговой поляризаций лазерного излучения.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Для получения НС на поверхности полупроводников использовалось излучение титан-сапфирового лазера (длина волны X = 790 нм, длительность импульса t = 120 фс, энергия импульса E = 0.5 мДж). В ряде случаев также использовалось излучение с более короткой длительностью импульсов (X = 800 нм, t = 35 фс, E = 1 мДж). Это излучение фокусировалось сферической (в ряде случаев цилиндрической) линзой с фокусным расстоянием 150 мм при нормальном угле падения на полупроводниковые полированные пластины GaAs, InAs, Si, Ge, ZnSe, GaN и ZnO. Облучение в большинстве случаев производилось в атмосферных условиях, а также в вакууме и при погружении образцов в этанол. Плотность энергии на поверхности полупроводников варьировалась в диапазоне 0.1-0.3 Дж см-2. При частоте следования импульсов 10 Гц и энергии импульса 0.05 мДж облучение поверхности осуществлялось в течение 0.2-2 минут. В некоторых случаях формирование НС анализировалось при облучении 2-10 импульсами. Размер облученной поверхности варьировался в диапазоне 100-200 мкм. Также было проанализировано появление НС для угла падения 76°, и при взаимодействии лазерного излучения с образцами, находящимися в разных средах (атмосфера, жидкость, вакуум). Структура сформированных НС анализировалась с использованием сканирующего электронного микроскопа JEOL JSN-5600.
Во время этих исследований наблюдались различные типы наноструктурированной ряби. При интенсивности лазерного излучения в диапазоне 1012 Вт см-2 на поверхности образцов в большинстве случаев расстояние между полосами ряби было близко (или немного меньше) к длине вол-
ны лазерного излучения (790 нм). При этой интенсивности НС главным образом появлялись в области краев облученных областей. Центральная часть облученной поверхности была в значительной степени разрушена при интенсивностях выше порога разрушения после многократных выстрелов в одно и то же место и представляла собой нерегулярную структуру (рис. 1а), в то время как края лазерных кратеров состояли из нано-полос (рис. 16). Сравнение структур для случаев линейной и круговой поляризаций лазерного излучения представлено на рис. 1в и 1г. Характерная структура ряби, получаемая с использованием линейно поляризованных фемтосекундных импульсов и расположенная ортогонально направлению поляризации (рис. 1в), сменялась на хаотическую либо точечную структуру в случае излучения с круговой поляризацией (рис. 1г). Размер этих наноточек (папо^в) варьировал в диапазоне 100-130 нм. В этом случае наблюдались также и хаотично ориентированные нанополосы. Для проверки зависимости направления поверхностных структур от направления поляризации мы вращали плоскость поляризации электромагнитной волны с помощью полуволновой пластины. В этом случае рябь вращалась таким образом, что всегда оставалась ортогональной направлению поляризации (рис. 2). Эта особенность наблюдалась и в большинстве предыдущих исследований [2, 3, 6, 8], в то время как в некоторых случаях сообщалось, что направление полос совпадало с электрическим вектором электромагнитной волны [10, 11].
В ряде случаев проявлялось одновременное появление двух типов НС с различными расстояниями между полосами - КНС и "обычных" широкополосных НС (рис. 3). Механизм подобного
Рис. 2. Изменение направления полос ряби, полученных при различных направлениях поляризации лазерного излучения, воздействующего на поверхность кремния. Направление поляризации указано стрелками.
Рис. 3. Картины наноряби, показывающие образование НС на поверхности Б1С с различными расстояниями между полосами (770 и 200 нм).
разделения в структуре полос при одинаковых условиях облучения представляется неясным. Эти двойные структуры были получены при использовании сферической фокусировки. Появление КНС с характерными расстояниями между полосами ряби ~^/5 - А,/3 контрастировало как с наблюдавшимися нами более широкополосными структурами, так и с большинством ранее наблюдавшихся НС, генерируемых фемтосекундными импульсами (начиная с работы Бирнбаума [12], впервые наблюдавшего подобные образования с расстоянием между полосами порядка длины волны лазерного излучения). Как отмечалось выше, появление таких КНС, полученных в различных экспериментальных условиях, уже наблюдалось несколькими группами [3-5, 13]. К настоящему моменту есть различные предложения по применению этих КНС, такие как производство дифракционных решеток с малым расстоянием между полосами, увеличение площади поверхности объектов, приводящее к росту каталитических реакций около таких структурированных образований, запись информации с использованием КНС, применение в спектроскопии, нелинейной оптике и т.д.
В случае взаимодействия лазерного излучения с поверхностями при больших углах падения (в частности, вблизи углов Брюстера для этих полупроводников, 70°-80°) наблюдалось образование ряда экзотических структур типа протяженных последовательностей наноотверстий, нанотре-щин и т.д. Период этих структур зависел от угла падения ф и поляризации лазерного излучения.
Для ^-поляризованной волны этот период определяется соотношением йр = АД1 + вт ф), в то время как для ^-поляризованного излучения эта зависимость соответствует = ^/сов ф. Мы провели лазерную абляцию ряда материалов (Б1, Б1С и ваЛв) при угле падения ф = 76° и нашли, что расстояние между полосами (400-500 нм) было близко к ожидаемому результату для случая р-поляри-зованной волны.
Анализ наноструктурирования различных полупроводников показал, что структура и само появление наноряби зависели и от соотношения между величиной запрещенной зоны этих образцов и энергией фотона. Ранее сообщалось, что структуры с характерным периодом в доли длины волны образуются на материалах, для которых энерги
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.