Брэгговское отражение высококонтрастных фотонных кристаллов на основе композитов опал-полупроводник (GaP, GaN, GaPN)

• Автор: Гаджиев, Гаджи Магомедрасулович
• Шифр специальности: 01.04.10
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2007
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 130 с. : ил.

Глава 1 Обзор литературы

1.1. Формирование фотонной запрещенной зоны

1.2. Типы фотонных кристаллов

1.3. Общая характеристика синтетических опалов

1.4. Исследование синтетических опалов

1.5 Исследование композитных материалов и инвертированных структурных на основе

опалов

1.6. Многоволновая брэгговская дифракция

1.6.1. Многоволновая дифракция рентгеновских волн в обычных кристаллах

1.6.2. Геометрия многоволновой дифракции

1.6.3. Многоволновая дифракция света в фотонных кристаллах

1.7. Постановка задачи
Глава 2. Образцы и методика экспериментов
2.1. Особенности синтеза композитов опал-полупроводник
2.2. Методика исследования структурных свойств композитов опал-полупроводник
2.3. Методика исследования оптических свойств
Глава 3. Общая характеристика структурных и оптических свойств исследованных композитов опал-полупроводник
3.1. Электронно-микроскопические исследования
3.2. Результаты рентгеноструктурного анализа
3.3. Спектры рамановского рассеяния полученных композитов
3.4. Общая характеристика спектров брэгговского отражения исходных опалов и композитов опал-полупроводник

Глава 4. Подавление люминесценции в композитах oпaл-GaPN
Глава 5. Проявление многоволновой брэгговской дифракции в спектрах отражения света высококонтрастных композитов опал-полупроводник
5.1. Зависимость спектров брэгговского отражения от поляризации и угла падения света
5.2. Влияние азимутального положения образца на спектры брэгговского отражения
5.3. Обсуждение основных особенностей проявления многоволновой дифракции в спектрах брэгговского отражения исследованных композитов
Заключение
Глава 6. Характеризация ФК на основе композитов опал-полупроводник по спектрам брэгговского отражения
6.1. Характеризация ФК с использованием уравнения Брэгга
6.2. Модель фотонно-кристаллических свойств деформированных опалоподобных структур
6.2.1. деформация кубической плотно упакованной структуры опала
6.2.2. профиль диэлектрической проницаемости в рамках приближения планарной слоисто-периодической среды
6.2.3. анализ условий соответствующих многоволновой Брэгговской дифракции
6.3. Анализ формы спектров брэгговского отражения. Оценка параметров композитов опал-полупроводник
6.4. Влияние температуры отжига на фотонно-кристаллические свойства синтетического опала
Заключение
Основные результаты и выводы. Список литературы

После опубликования экспериментальной работы Е. Яблоновича в 1987 году [1] и теоретической С. Джона [2] появился новый класс оптических материалов под названием фотонные кристаллы. Фотонные кристаллы (ФК) представляют собой объемные пространственно-периодические структуры, диэлектрическая проницаемость которых модулируется с периодом, сравнимым с длиной волны света. Взаимодействие фотонов с такими структурами приводит к существенной модификации пространственного распределения и энергетического спектра электромагнитного (ЭМ) поля. В частности, возникают фотонные запрещенные зоны (ФЗЗ) - энергетические области, в пределах которых распространение света невозможно в определенных (неполная ФЗЗ) или во всех (полная ФЗЗ) направлениях внутри ФК. Предметом особого интереса являются ФК, обладающие трехмерной (30) трансляционной симметрией, поскольку именно в таких кристаллах возможна реализация полной ФЗЗ [3-5]. Наличие запрещенных зон для фотонов создает предпосылки для управления вероятностью спонтанного излучения источника, помещенного внутрь ФК. Именно это уникальное свойство ФК определяет перспективы практического применения ФК в качестве элементов светодиодов и лазеров с низкопороговой накачкой.
Одним из наиболее часто используемых материалов для создания трехмерных ФК являются синтетические опалы, представляющие собой трехмерную решетку
плотноупакованных шаров аморфного кремнезема. Пространство между шарами образует подрешетку взаимопроникающих пор. Возможность внедрения в эти поры различных материалов создает предпосылки для создания композитных материалов, на основе которых могут быть созданы различные трехмерные ФК. Весьма перспективными являются ФК на основе композитов опал-полупроводник [6-8]. Такие композиты совмещают в себе уникальные свойства ЗЭ периодической структуры опала с характерными оптическими и электрическими свойствами полупроводника.
Использование полупроводников с разными значениями ширины запрещенной зоны и изменение степени заполнения пор материалом полупроводника позволяют
целенаправленно менять фундаментальные свойства ФК.
В представляемой работе исследуются спектры брэгговского отражения опалов, в поры которых вводились соединения СаР, ваИ и твердые растворы на их основе. Такие композиты являются весьма перспективными кандидатами для создания трехмерных ФК для видимого оптического диапазона, поскольку указанные полупроводники прозрачны в видимой области спектра и характеризуются большими значениями диэлектрической проницаемости. Кроме того, эти материалы интересны с точки зрения их

волна с волновым вектором кт. Волна диффрагированная от плоскостей (111) распространяется в направлении волнового вектора кг. После преломления на границе образца эта волна распространяется в направлении зеркального отражения. Именно в этом направлении в экспериментах и осуществляется регистрация наблюдаемых спектров брэгговского отражения. Волна, диффрагированная от плоскостей (200), как показывает рис. 1.28 распространяется в направлении, задаваемом волновым вектором кг. Такая волна вне кристалла должна превратиться в волну имеющую компоненту волнового вектора вдоль поверхности образца к , ориентированную в направлении практически противоположном направлению соответствующей компоненты для зеркально отраженного света, регистрируемого в экспериментах. В этой связи у нас возникает сомнение в возможности интерпретации дополнительных максимумов БО как максимумов отражения, возникающих непосредственно в результате дифракции света от плоскостей (200). Вследствие этого мы считаем, что необходимы дополнительные исследования МБД света в фотонно-кристаллических структурах. Кроме того, важность исследований связанных с проявлением МБД в оптических спектрах важна и в связи с тем, что условия выполнения МБД содержат информацию о трехмерной структуре ФК -информацию, которую невозможно получить из анализа обычных спектров отражения, определяемых дифракцией от одной системы плоскостей.
1.7. Постановка задачи, выбор объектов исследования
Представляемая работа осуществлялась в тесном сотрудничестве с лабораторией В.Г. Голубева. Основной целью совместной работы было создание, и исследование композитов опал- полупроводник, которые были бы перспективны для практических применений в видимом диапазоне. Для видимого диапазона весьма перспективными кандидатами для создания трехмерных ФК на основе композитов опал-полупроводник являются полупроводниковые соединения ваР, ваИ и твердые растворы на их основе. Эти полупроводники, как уже отмечалось, прозрачны в видимой области спектра и интересны с точки зрения их люминесцентных свойств, которые широко используются в современной полупроводниковой оптоэлектронике [9, 10]. Кроме того, эти материалы характеризуются большими значениями диэлектрической проницаемости, что необходимо для получения высокого контраста диэлектрических проницаемостей составляющих ФК. В этой связи в качестве объектов исследования были выбраны композиты: опал-ОаЫ, опал-СаР и опал-СаР(Ы). Кроме того, поскольку увеличение оптического контраста может быть достигнуто за счет инвертирования, в связи, с чем в работе исследовался инвертированный композит опал-СаЫ. В работе исследовались также и чистые опалы. Исследование такой «линейки» образцов позволяет проследить проявление исследуемых