Бистабильные оптические элементы на основе нанокристаллических гетерогенных структур

• Автор: Дёмин, Андрей Васильевич
• Шифр специальности: 01.04.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2004
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 152 с. : ил.

Содержание
Введение
Глава 1. Экспериментальные данные исследования
* нанокристаллнческих структур
§ 1. Описание квантово— размерных структур, их классификация и нелинейно - оптические
свойства
§ 2. Методы получения нанокристаллнческих
структур
§ 3. Анализ оптических свойств реализованных
гетероструктур
Выводы по первой главе
Глава 2. Теоретические модели для
обоснования расчетных методов
§ 1. Ангармоническое слабо-диссипативное
приближение
§ 2. Нестационарное самосогласованние
уравнение Шредингера (упругое приближение)
§ 3. Расчетные параметры прохождения частиц
через квантово - размерные структуры
Выводы по второй главе
Глава 3. Техническое применение нанокристаллнческих
структур
§ 1. Оптический переключающий элемент
§ 2. Интерферометр Фабри - Перо
Выводы по третьей главе
* Литература
Приложение

ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы. Бурный прогресс в последние десятилетия XX-го века в решении технических задач создания миниатюрных высокопроизводительных компьютерных систем разнообразного применения, потребовал развития экспериментальных, технологических и теоретических исследований в области нанотехнологий. Комплексный характер соответствующих разработок, лежащих на стыке нескольких смежных дисциплин (физика полупроводников, квантовая электроника и нелинейная оптика, а также теория неупорядоченных сред), по созданию нанокристаллических гетероструктур на основе полупроводниковых соединений, экспериментальных исследований их нелинейных оптических свойств; методы моделирования их свойств на основе слабо - диссипативной теории Колмогорова - Арнольда - Мозера, а также нестационарного самосогласованного уравнения Шредингера на основе нелинейного дисперсионного соотношения; предложения по совершенствованию методик изготовления и исследования свойств соответствующих образцов, обуславливает их сложность и нетривиальность адекватных решений.
Необходимо сразу же подчеркнуть, что развитие нелинейных моделей и соответствующих представлений теоретической физики и их приложений, восходящее к основополагающим работам Л. Больцмана, Дж. Гиббса по статистическим основам молекулярной физики, приобрело несомненную актуальность во второй половине ХХ-го столетия в связи с указанным выше развитием прикладных задач.
В данной диссертации представлены результаты анализа нелинейнооптических, спектральных и кинетических свойств тонкопленочных квантово-размерных структур; приведены способы изготовления и технической реализации на их основе узкополосных интерферометров Фабри - Перо и быстродействующих оптических переключателей.
Цель работы. Разработка и исследование способов изготовления быстродействующих бистабильных оптических элементов для создания на
их основе элементной базы оптической цифровой вычислительной техники, использующих наведенную нелинейность электронной природы. Применение современных нелинейных моделей математической физики для анализа свойств нанокристаллических полупроводниковых гетероструктур.
Задачи исследования. Для достижения поставленной цели:
- Провести классификацию имеющихся нанокристаллических структур, подготовить обзор экспериментальных данных по исследованию их нелинейных оптических свойств;
- Выполнить модельные расчеты и подгонку параметров моделей к экспериментальным данным по полупроводниковым нанокристалличе-ским гетероструктурам;
- Осуществить разработку новых предложений по дальнейшему развитию исследований;
- Разработать рекомендации по технической реализации, предложенных усовершенствований.
Научная новизна работы. Существующие квазинульмерные полупроводниковые тонкопленочные гетероструктуры на сегодня представляют собой композиционные материалы из вкраплений нанокрокристаллов в неупорядоченную среду матрицы. Теория неупорядоченных систем в настоящее время далека от своего завершения, несмотря на достаточно большое количество монографий и научных публикаций.
В диссертации предложено использовать для моделирования свойств (и выработки предложений по их реализации) указанных выше структур новые нелинейные модели математической физики: слабо - диссипативную версию теории Колмогорова - Арнольда — Мозера на примере ангармонического осциллятора и слабо - диссипативного возмущения силами (нелинейными) вязкости; самосогласованное нестационарное уравнение Шредингера на основе нелинейного дисперсионного соотношения.

2.2. Получение тонкопленочных гетероструктур.
Для получения качественных тонкопленочных гетероструктур на основе полупроводниковых и диэлектрических материалов за счет расширения спектральных областей фоточувствительности, прозрачности и оптической нелинейности и характера электронного транспорта мы использовали способ [42] поочередного напыления микрослоев полупроводниковых материалов с размерами микрокристаллов б, определяемых из выражения
ё=(0.2 - 3.0)ав, нм.
Для изготовления тонкопленочных гетероструктур полупроводник/диэлектрик с контролируемым размером микрокристаллов ё мы использовали принцип дискретности набора полной толщины экспериментальных образцов. При этом размер микрокристаллов искусственно ограничивали толщиной однократно напыляемого микрослоя. Именно этот эффект лежит в основе изобретения [21]. Были выбраны такие параметры процесса напыления (мощность испарения (распыления), температура подложки, расстояние от мишени до подложки), при которых однократно напыляемый микрослой полупроводникового материала представлял собой кристаллическую пленку. Процессы возможной перекристаллизации между отдельными микрослоями блокировались разделительными слоями диэлектрического материала.
Толщина микрослоев тонкопленочной гетероструктуры регистрируется стандартными экстремальными методами по "свидетелю", а устанавливается с помощью вращающихся диафрагм с вырезанным сегментом заданного размера, через который и производится напыление.
Исходные материалы выбираются так, что в одном технологическом режиме пленки полупроводникового материала — рабочего — имеют кристаллическую структуру с заданным ё, а диэлектрического — разделительного — могут быть как кристаллическими, так и аморфными. Материал разделительных микрослоев более широкозонен, т.е. практически не вносит вклад в спектральные и нелинейные свойства результирующей гетероструктуры [43].
Пленочные многослойные гетероструктуры, представляющие собой систему чередующихся микрослоев полупроводникового и диэлектрического материала (Приложение рис. 1г) и обозначенные в тексте как "полупроводник/диэлектрик" мы отличаем от композиционных пленок, в которых каждый микрокристалл размещен в объеме диэлектрического материала, и представляющих собой квазинульмерную