Получение методом импульсного лазерного напыления и исследование гибридных структур на основе полупроводниковых нанокристаллов и плёнок

• Автор: Кайдашев, Владимир Евгеньевич
• Шифр специальности: 01.04.03
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2010
• Место защиты: Ростов-на-Дону
• Количество страниц: 169 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение.
Глава 1. Физические процессы, происходящие при импульсном лазерном напылении полупроводниковых плёнок и нитевидных кристаллов.
1.1 Процессы, протекающие при импульсном лазерном напылении плёнок и наностержней.
1.1.1 Ударные волны в газе и плазме.
1.1.2 Математические модели расширения лазерной плазмы в газ.
1.1.3 Теоретические модели роста нитевидных кристаллов из пара.
Глава 2. Исследование процессов, происходящих при импульсном лазерном напылении наностержней и плёнок на основе ZnO.
2.1 Исследование лазерной плазмы при испарении мишеней на основе ZnO в вакуум и газы.
2.1.1 Зондовая диагностика лазерной плазмы.
2.1.2 Время-разрешённая пространственная спектроскопия
лазерной плазмы.
2.1.3 Исследование динамики лазерной плазмы ZnO при испарении в вакуум.
2.1.4 Исследование динамики лазерной плазмы ZnO при
высоком давлении аргона (в рабочем диапазоне давлений синтеза наностержней).
2.1.5 Исследование динамики лазерной плазмы ZnO допированного Оа(0.4%), Mg(20%), Ег(1.75%) при высоком давлении аргона.
2.1.6 Связь динамики лазерной плазмы ZnO с параметрами ударной волны в аргоне.
2.1.7 Общие тенденции динамики лазерной плазмы чистого
и допированного ZnO при низких давлениях кислорода (в рабочем диапазоне давлении синтеза плёнок).
2.1.8 Исследование динамики лазерной плазмы ZnO, гпО:М^(20%), гпО:Мп(Ю%), гпО:Ег(1.75%) в

кислороде при давлении роста плёнок.
2.20бсуждение особенностей переноса испарённого вещества в экспериментальных условиях синтеза наностержней. ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ
Глава 3. Импульсное лазерное напыление плёнок и наностержней

3.1 Экспериментальные установки для роста плёнок и
наностержней.
3.2 Получение наностержней ZnO в различных режимах
синтеза методом ИЛН и их свойства.
3.2.1 Использование сверхтонких плёнок Au,NiO и золотого коллоида в качестве катализатора роста и свойства полученных наностержней.
3.2.2 Получение наностержней ZnO без использования катализатора и их свойства.
ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 3
Глава 4. Лазерное напыление и исследование свойств наностержней и плёнок Z1io.9Mno.1O а также структур ZnO/Zn0.9Mn0.iO вида сердцевина-оболочка
ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 4
Глава 5. Фотолюминесцентные свойства нанострежней ZnO при высоких уровнях оптической накачки.
ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 5
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Приложение 1
Благодорности
Литература

ВВЕДЕНИЕ.
Диссертация посвящена исследованию вопросов получения методом импульсного лазерного напыления (ИЛН) нитевидных нанокристаллов, плёнок и гибридных структур на основе ZnO, исследованию свойств и параметров плазмы, главным образом определяющей свойства формирующихся пленок и наноструктур, исследованию оптических и структурных свойств синтезированных объектов как основы для создания новых устройств наноэлектроники и нанофотоники. Исследован переход от фотолюминесценции к сверхлюминесцеиции при высоких уровнях оптической накачки высокоориентированных массивов ZnO наностержней.
Актуальность темы.
В настоящее время значительный интерес представляет разработка методов самоорганизованного роста полупроводниковых нитевидных нанокристаллов и гибридных структур на их основе, а также исследование их оптических, электрических и структурных свойств.
Сочетание высоких оптических, механических и пьезоэлектрических свойств ZnO определяет перспективность данного материала при разработке новых устройств наноэлектроники, нанофотоники и наномеханики. Гибридные структуры на основе высокоориентированных наностержней ZnO и пленок перспективны как базовые элементы УФ ZnO нанолазеров [1], светоизлучающих диодов [2] ,УФ фотоприемников [3], нанотранзисторов [4], эмиттеров электронов [5] , преобразователей солнечной энергии [6], наносенсоров химических [7] веществ, а также в качестве элементов устройств наномеханики [8 ]и наноспинтроники [9].
ZnO является прямозонным полупроводником с шириной запрещенной зоны -3.3 эВ при комнатной температуре и структурой вюрцита. Большая энергия связи экситона ZnO (63 теУ ), низкая пороговая мощность при оптической накачке и возможность изменения ширины запрещенной зоны при легировании позволяют считать ZnO перспективным материалом для создания новых светоизлучающих и лазерных структур ультрафиолетового

При этом требуется производить вычисления с очень малыми временными и пространственными шагами. Это приводит к значительным вычислительным и временным затратам. Как правило, с помощью этих моделей описывают начальные стадии испарения от сотен пикосекунд до нескольких наносекунд после начала испарения, когда энергия лазерного излучения переходит в тепловую и кинетическую энергию испарённого вещества.
Вторая группа моделей отражает наиболее общие механизмы, происходящие во время разлёта лазерной плазмы в газ, и более наглядно отражает физику протекающих процессов. В этой группе моделей допущен ряд упрощений, одним из которых является форма плазменного факела. Для получения упрощённого вида зависимостей полагается, что плазменный факел имеет форму полусферы[38,39]. На самом деле, форма факела имеет вид близкий к половине эллипсоида вращения и более точно зависит от угла с перпендикуляром к поверхности, как /г(6>) □ соз"(6») [24]. Наиболее простая модель оценивающая расстояние остановки плазмы при расширении в газ представлена в работе Предтеченского и Майорова [40]. Модель Арнольда [38] также основывается на законах сохранения и гидродинамических соотношениях для ударных волн, но гораздо полнее рассматривает процессы протекающие как в ударной волне в газе, так и внутри плазменного факела. Она позволяет вычислить временное развитие контактной поверхности, внешней и внутренней ударных волн, а также обсуждает вопросы преобразования кинетической энергии плазмы в тепловую. В работе [39] данная модель уточнена и расширена вопросами отражения внутренней ударной волны от мишени. Физические свойства полагаются линейными функциями расстояния в определённых областях, а не постоянными, как это полагалось в предыдущих исследованиях. Кроме уточнения траекторий внешней, внутренней ударных волн и контактной поверхности, в данном подходе повышена точность предсказания температуры и давления за счёт разогрева плазмы лазерным излучением. Данные знания важны для химического анализа на основе спектральных исследований, а также для