Оптические свойства рассеивающих сред на основе кремниевых нанонитей

• Автор: Гончар, Кирилл Александрович
• Шифр специальности: 01.04.05, 01.04.10
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2015
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 120 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ

Список используемых сокращений и обозначений

Введение

1. Оптические свойства кремниевых нанонитей (обзор литературы)

1.1. Функция диэлектрической проницаемости и оптические свойства кремния

1.2. Методы формирования кремниевых нанонитей

1.2.1. Пар-жидкость-твёрдое тело

1.2.2. Металл-стимулированное химическое травление

1.2.3. Другие методы формирования кремниевых нанонитей

1.3. Основные подходы к описанию оптических свойств твердотельных наноструктур

1.3.1. Приближение эффективной среды

1.3.2. Поглощение и упругое рассеяние света в случайно-неоднородных средах
1.3.3. Неупругое рассеяние света
1.3.4. Эффекты локализации света и нелинейные оптические свойства
1.3.5. Фотолюминесцентные свойства наноструктур
1.4. Выводы из обзора литературы и постановка задачи исследования
2. Методика эксперимента
2.1. Получение кремниевых нанонитей и исследование их структурных свойств
2.2. Измерение линейных и нелинейных оптических свойств кремниевых нанонитей
2.2.1. Измерения спектров отражения и пропускания в видимом и инфракрасном диапазонах
2.2.2. Методика измерений индикатрис упругого рассеяния света
2.2.3. Измерения спонтанного комбинационного рассеяния света
2.2.4. Спектроскопия когерентного антистоксова рассеяния света
2.2.5. Измерения кросс-корреляционной функции
2.2.6. Исследование процессов генерации третьей гармоники
2.2.7. Измерение спектров и кинетик фотолюминесценции
2.2.8. Исследование фотолюминесцентных свойств кремниевых нанонитей, введённых в культуру раковых клеток
3. Экспериментальные результаты и их обсуждение
3.1. Линейные оптические свойства кремниевых нанонитей
3.1.1. Спектры зеркального отражения и пропускания кремниевых нанонитей в ближнем и среднем инфракрасном диапазонах
3.1.2. Спектры полного отражения (диффузного и зеркального) и поглощения кремниевых нанонитей в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах

3.1.3. Индикатрисы упругого рассеяния света
3.2. Комбинационное рассеяние света в ансамблях кремниевых нанонитей
3.3. Результаты исследования нелинейно-оптических свойств и времен задержки фотонов
3.4. Фотолюминесцентные свойства в видимом и инфракрасном диапазонах спектра
3.4.1. Межзонная фотолюминесценция ансамблей кремниевых нанонитей
3.4.2. Спектры и кинетики фотолюминесценции нанонитей в видимом диапазоне спектра
3.5. Модельное представление о распространении света в ансамблях кремниевых нанонитей, определяющее их линейные и нелинейные свойства
Заключение
Литература

Список используемых сокращений и обозначений
КНН - кремниевые нанонити
МСХТ - метод металл-стимулированного химического травления с-Б1 - кристаллический кремний
УЬБ (уарог-^шй-БоНс!) - метод пар-жидкость-твёрдое тело СЭМ - сканирующий электронный микроскоп ПК - пористый кремний
ПЭМ - просвечивающий электронный микроскоп ГС - твердотельная гетеросистема ПК - инфракрасный ВГ - вторая гармоника ТГ - третья гармоника
КРС - комбинационное (рамановское) рассеяние света
КАРС - когерентное антистоксовое рассеяние света
ФЛ - фотолюминесценция
КРЭ - квантовый размерный эффект
I - толщина слоя (длина) кремниевых нанонитей
ё - диаметр нанонитей
О - расстояние между нанонитями
X - длина волны

принципиальные преимущества по сравнению со спонтанным КРС, такие как очень высокие уровни сигналов, малую расходимость рассеянного излучения, исключение помех, связанных с люминесценцией образцов [120,127]. КАРС спектроскопия является незаменимым инструментом для изучения микрообъектов и их молекулярного окружения [128-130], химических и биологических объектов [131-134], а также для преобразования частоты в различных средах, в том числе и в кремнии [135].
1.3.4. Эффекты локализация света и нелинейные оптические свойства
Характер распространения света в случайно-неоднородной среде зависит от параметра ХУ/рр, где /и> -длина свободного пробега фотона, на которой направление его распространения становится полностью случайным. В приближении Х//Рр « 1 фазы рассеянных волн не коррелируют между собой и распространение волн может быть описано как диффузия плотности энергии волны (плотности квантов поля). Когда параметр ХУ/Рр < 1 корреляция между рассеянными волнами приводит к их интерференции, которая замедляет среднюю скорость транспорта световой энергии. В этом случае говорят о слабой локализации света. Если выразить длину волны света X через волновой вектор к, то локализация будет слабой в случае:
Ырр>1. (1.16)
При ЛУ/ир > 1, транспорт волн определенной длины прекращается в результате интерференционных эффектов между многократно рассеянными волнами. Это проявление сильной локализации света, известное как андерсоновская локализация, которую можно рассматривать как фазовый переход от делокализованных к локализованным состояниям фотонов. Андерсоновская локализация в рассеивающей среде может быть представлена как движение фотонов по замкнутым траекториям. Андерсоновская локализация, выраженная через волновой вектор к, определяется критерием Иоффе-Регеля:
*7Рр<1. (1.17)
Имеет место аналогия между переходом от режима диффузии к режиму андерсоновской
локализации для света и переходом металл — диэлектрик для сильно легированных
полупроводников при низких температурах [136].
Необходимо отметить, что теория локализации является универсальной и справедлива для различных типов волн: электронов, классических электромагнитных и акустических волн [137,138]. Появление локализованных состояний было теоретически предсказано для всех перечисленных типов волн.
Чтобы достигнуть локализации света необходимо уменьшать соотношение к1рр. Для электронов уменьшение энергии (увеличение длины волны) действительно позволяет ожидать локализации. Напротив, для света увеличение длины волны излучения приводит к резкому