Структуры с фотонной запрещенной зоной и их использование в ближнеполевой СВЧ-микроскопии

• Автор: Фролов, Александр Павлович
• Шифр специальности: 01.04.03, 05.27.01
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2014
• Место защиты: Саратов
• Количество страниц: 147 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
1 АНАЗИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ФОТОННЫХ СТРУКТУР С ЗАПРЕЩЕННОЙ ЗОНОЙ, ИХ ХАРАКТЕРИСТИК И ВОЗМОЖНОСТЕЙ ПРИМЕНЕНИЯ В БЛИЖНЕПОЛЕВОЙ СВЧ-МИКРОСКОПИИ
2 ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК РЕЗОНАТОРОВ БЛИЖНЕПОЛЕВОГО СВЧ-МИКРОСКОПА НА ОСНОВЕ ФОТОННЫХ КРИСТАЛЛОВ
2.1 Математическая модель взаимодействия электромагнитного излучения СВЧ-диапазона с одномерными волноводными фотонными кристаллами
2.2 Особенности спектров отражения и прохождения электромагнитного излучения СВЧ-диапазона, взаимодействующего с фотонными кристаллами, содержащими равное и различное число периодически повторяющихся элементов
2.2.1 Результаты компьютерного моделирования частотных характеристик коэффициентов отражения и прохождения одномерных волноводных СВЧ фотонных кристаллов без нарушения периодичности структуры
2.2.2 Результаты компьютерного моделирования частотных характеристик коэффициентов отражения и прохождения одномерных волноводных СВЧ фотонных кристаллов с нарушением периодичности структуры
2.3 Экспериментальное исследование амплитудно-частотных характеристик коэффициентов отражения и прохождения электромагнитного излучения, взаимодействующего с резонаторами на основе фотонных кристаллов
3 ИССЛЕДОВАНИЕ СВЧ-УСТРОЙСТВ, СОЗДАННЫХ НА ОСНОВЕ РАМОЧНЫХ
ЭЛЕМЕНТОВ И ХАРАКТЕРИЗУЮЩИХСЯ НАЛИЧИЕМ ЗАПРЕЩЕННОЙ И РАЗРЕШЕННОЙ ЗОН ДЛЯ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
3.1 Модель СВЧ-устройства на основе диафрагмы и системы связанных рамочных элементов
3.2 Компьютерное моделирование СВЧ-характеристик устройства на основе диафрагмы и связанных рамочных элементов, характеризующегося наличием запрещённой и разрешённой зон
3.2.1 Волноводная структура на основе диафрагмы и связанных рамочных элементов с неоднородностью типа «штырь с зазором» и при её отсутствии
3.2.2 Электрически управляемая неоднородность в виде п-і—р—і—п-структуры
3.2.3 СВЧ-характеристики устройства на основе диафрагмы и связанных рамочных элементов с п-1-р-і-и-структурой в качестве управляющего элемента
3.3 Экспериментальное исследование СВЧ-устройства на основе диафрагмы и системы связанных рамочных элементов, характеризующегося наличием запрещённой и разрещённой зон..................... да.,-...—..гг.....г..т
3.3.1 Результаты экспериментального исследования СВЧ-устройства на основе диафрагмы и системы связанных рамочных элементов, характеризующихся наличием разрешённой зоны
3.3.2 Результаты экспериментального исследования СВЧ-устройства на основе диафрагмы и системы связанных рамочных элементов, характеризующихся наличием разрешённой зоны
3.4 Волноводное устройство на основе диафрагмы и системы рамочных элементов с п-і—р-г-/7-структурой для управления выходной мощностью генератора на диоде Ганна
4 ИССЛЕДОВАНИЕ АМПЛИТУДНО-ЧАСТОТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ЗОНДОВ
БЛИЖНЕПОЛЕВОГО СВЧ-МИКРОСКОПА
4Л Компьютерное моделирование амплитудно-частотных характеристик микрокоаксиального зонда ближнеполевого СВЧ-микроскопа с резонатором в виде
отрезка волновода
4.2 Исследование ближнеполевого СВЧ-микроскопа на основе полупроводникового автодинного генератора на диоде Ганна с использованием микрокоаксиальноволноводного перехода, центральный проводник микрокоаксиала которого выступает за пределы внешнего проводника, в качестве ближнеполевого зонда
4.2.1 Теоретическое описание эффекта автодинного детектирования в многоконтурном генераторе на диоде Ганна
4.2.2 Конструкция и принцип действия ближнеполевого СВЧ-микроскопа на основе полупроводникового автодинного генератора на диоде Ганна
4.2.3 Визуализация электрофизических характеристик микро- и наноструктур с
использованием ближнеполевого СВЧ-микроскопа на основе генератора на диоде Ганна

4.3 Компьютерное моделирование амплитудно-частотных характеристик микрокоаксиального зонда ближнеполевого СВЧ-микроскопа, центральный проводник микрокоаксиала которого выступает за пределы внешнего проводника, с резонатором в
виде фотонного кристалла с нарушением периодичности структуры
4.4 Экспериментальное исследование ближнеполевого СВЧ-микроскопа с резонатором на основе фотонного кристалла и регулируемым элементом связи в качестве зонда..
4.4.1 Конструкция ближнеполевого СВЧ-устройства с резонатором на основе фотонного
кристалла и регулируемым элементом связи в качестве зонда
4.4.2 Зондовые измерения диэлектрических пластин
4.4.3 Зондовые измерения нанометровых металлических плёнок
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ВВЕДЕНИЕ
В последние десятилетия интенсивно проводятся исследования свойств, так называемых, фотонных кристаллов, которые характеризуются наличием частотных зон разрешенных состояний (полос пропускания) и запрещенных зон (полос запирания). Аналогично ситуации, характерной для электронов, находящихся в поле периодически расположенных атомов, энергетические состояния которых образуют для электронов зоны разрешенных и запрещенных значений энергии, свойства фотонных кристаллов связаны с периодическим расположением образующих их элементов. Это открывает новые возможности создания различного типа устройств, в которых используются свойства, характерные для фотонных кристаллов в различных частотных диапазонах. Нарушение периодичности в фотонном кристалле, например, вследствие наличия в нем одного из элементов с отличающимися от других свойствами приводит к появлению в полосе запирания частоты, на которой возможно прохождение волны со сравнительно низким затуханием. Такого типа фотонные кристаллы с использованием элементов на основе различных типов линий передачи созданы, в том числе, и для СВЧ диапазона [1]. СВЧ фотонные кристаллы были использованы для создания высоконаправленных антенн, СВЧ-фильтров, улучшения характеристик С-ВЧ-детекторов, усилителей и т.д. [2-5]. Возможность рассчитывать характеристики фотонных кристаллов с точностью, позволяющей обеспечить хорошее совпадение с экспериментом, была использована для неразрушающего контроля структур с нанометровыми полупроводниковыми слоями [6-8]. При этом контролируемые структуры являлись элементами, нарушающими периодичность фотонного кристалла. Высокая чувствительность СВЧ фотонного кристалла к характеристикам структуры была обусловлена тем, что нарушающая периодичность неоднородность приводила к появлению высокоселективного резонансного прохождения излучения через кристалл, сильно зависящего от параметров

Выражения для компонент поля по разные стороны от границы между областями с различными значениями постоянной распространения электромагнитной волны имеют вид [131]:
Ej=E(x)^Aje г*+в/^,

Е|4_1 =

^Е^А^е^+В^е^2),
Ц-1 =-/і+іН(х)(аі+1є^12 _ві+1е^'2].
(2.1)
Условия непрерывности компонент поля на границе, находящейся на расстоянии 2} ! от поверхности структуры, имеют следующий вид:
А.е + в^2^1 =А]+1е г>+'х>->+' +Ві+]е^+|2м+'!
(2.2)
-у^е Г^+| +yjBjcyJгJ■J+, =-Г]+1А>1е г>+'2^' +у>1в]+1е^+|2^
Умножим первое уравнение системы (2.2) на у^, затем просуммируем эти уравнения и вычтем первое уравнение из второго, тогда получим:
А}{у]+х -Г-Уг^ +В^+1 +у-У^ =2В]+1у^у>^
Аі(гі+1 +У-УУ>1^ +Ві(уі+|-у-Уг^ =2А]+Ху^~у'^ Выразив из этой системы уравнений коэффициенты А]+і и В^:
(2.3)
. У1+| + ГІ ^н-і-ГіКш + в У1+1 Г1 ^(тн-і+УіК
-1 2^+

А]+1 А] 2уі+і
В- . - Л- Г]+х ~Гі е~^+|+^Ь.ш | в.П+1 +П е-(^1-г1К.ю ' ' 2уі+1 2у]+
(2.4)
можно записать следующее выражение для компонент матрицы передачи:
т(2.и+1)
Г*і +П е(ги- ^1+1 ^ е(г|+|+Г|)г

У1+1 с-^Ю+УіКи-і ХІ+1 + 7І с-(гю~ТіК.н1 2>>1 2Г]+
(2.5)