Получение и исследование фотонных кристаллов на основе пористого кремния

Июль 29, 2022

Главная
Физика
Получение и исследование фотонных кристаллов на основе пористого кремния

Содержание

2. Фотонные кристаллы Структуры, характеризующиеся периодическим изменением диэлектрической проницаемости в пространстве.
3. Применение Устройств оптической памяти и логические устройства Многослойные отражающие покрытия Фотонные сверхпроводники Суперпризмы Суперлинзы Волноводы Дисплеи
4. Актуальность Структуру компонентов оптического компьютера можно подобрать теоретически в соответствии с требуемыми свойствами
5. Цель работы и задачи Цель работы - расчет спектра отражения ограниченного фотонного кристалла с дефектом, являющегося
6. Методы получения фотонных кристаллов Методы самосборки Методы травления Голографические методы Другие методы литографии Методы, основанные на
7. Численные методы исследования фотонных кристаллов метод разложения электромагнитного поля по плоским волнам метод Корринга-Кона-Ростокера метод конечных
8. Метод матриц переноса Уравнение Гельмгольца для конечной 1-D многослойной структуры: Уравнения Максвелла
9. Проверка метода Поперечное СЭМ-изображение фотонного кристалла на основе пористого кремния,10 периодов n=1,365 Λ=10μm n=2,3
10. C A B Спектры отражения структуры. (а) без окисления, (б) с окислением 20 мин, с окислением
11. Подбор структуры Коэффициент отражения n1 = 1.22 … λ0 = 620 nm n2 = 1.586 50
12. Пористый кремний и фотонные кристаллы на его основе Пористый кремний – кремний, имеющий пористую структуру
13. HF + H2O + CH3CH(OH)CH3 Методика эксперимента электрохимического травления 1 – фторпластовая ячейка, 2 – кремниевая
14. В рамках одного процесса травления, варьируя плотность тока, можно получать многослойные структуры, каждый слой которых будет
15. Режимы получения пористого кремния
16. Образец ПК-1 Образец ПК-2
17. Образец ПК-4 Образец ПК-3
18. Зависимость толщины пористого слоя от силы тока анодирования. Зависимость толщины пористого слоя от времени анодирования.
19. Зависимость среднего размера пор от силы тока анодирования.
20. Результат эксперимента
21. Измеренный спектр отражения фотонного кристалла. Рассчитанный спектр отражения Результат эксперимента Коэффициент отражения
22. Реализован метод матриц переноса и проверен в сравнении с экспериментальными данными Произведена серия экспериментов по получению
23. Спасибо за внимание!
24. Одномерные фотонные кристаллы В одномерных фотонных кристаллах коэффициент преломления периодически изменяется в одном пространственном направлении
25. Примеры 3-D фотонных кристаллов[9]: 3-D фотонный кристалл с гранецентрированной решеткой и элементами в форме шаров (а);
26. Классификация фотонных кристаллов ФК делятся на три типа: Одномерные (1D) Двумерные (2D) Трехмерные (3D).
27. 1D partially oxidized porous silicon photonic crystal reflector for mid-infrared application Zhejin Wang, Jie Zhang, Shaohui
28. Метод матриц переноса Уравнение Гельмгольца для конечной 1-D многослойной структуры Уравнения Максвелла Материальные уравнения случае Далее
29. Анодом служит сама кремниевая пластина, которая помещается в электрохимическую ячейку из фторопласта. Основой электролита является плавиковая
30. Выбор режима получения пористого кремния Для получения 1D фотонных кристаллов важно, чтобы структура в поперечном направлении
31. Изображение с электронного микроскопа
32. Повышение контраста
33. Определение замкнутых областей
34. Определение площади
35. Получение образцов пористого кремния на пластинах Si (100) КЭС 0.007 – 0.015 в водном растворе плавиковой
37. Скачать презентацию

Слайд 2

Фотонные кристаллы
Структуры, характеризующиеся периодическим изменением диэлектрической проницаемости в пространстве.

Слайд 3

Применение
Устройств оптической памяти и логические устройства
Многослойные отражающие покрытия
Фотонные сверхпроводники
Суперпризмы
Суперлинзы
Волноводы
Дисплеи
Лазеры
Фильтры

Слайд 4

Актуальность
Структуру компонентов оптического компьютера можно подобрать теоретически в соответствии с требуемыми

свойствами

Слайд 5

Цель работы и задачи
Цель работы - расчет спектра отражения ограниченного фотонного

кристалла с дефектом, являющегося фильтром, его экспериментальное получение и исследование полученной структуры.
Для достижения цели поставлены задачи:
Выбор метода расчета фотонных кристаллов, его реализация и апробация, подбор структуры с желаемыми свойствами в программе.
Подбор режимов травления, получение однослойного пористого кремния, обработка результатов экспериментов, получение и исследование фотонного кристалла на основе пористого кремния.

Слайд 6

Методы получения фотонных кристаллов
Методы самосборки
Методы травления
Голографические методы
Другие методы литографии
Методы, основанные на

регулировании пористости полупроводников и диэлектриков

Слайд 7

Численные методы исследования фотонных кристаллов
метод разложения электромагнитного поля по плоским волнам
метод Корринга-Кона-Ростокера
метод

конечных разностей в пространственно-временной области
методы матриц переноса
метод разложения локализованных мод электромагнитного поля по функциям Ванье
метод конечных элементов
метод, основанный на поиске огибающей функции

Слайд 8

Метод матриц переноса
Уравнение Гельмгольца для конечной 1-D многослойной структуры:
Уравнения Максвелла

Слайд 9

Проверка метода
Поперечное СЭМ-изображение фотонного кристалла на основе пористого кремния,10 периодов
n=1,365
Λ=10μm
n=2,3

Слайд 10

C
A
B
Спектры отражения структуры. (а) без окисления, (б) с окислением 20 мин,

с окислением 30 мин. Теоретические результаты показаны пунктирными линиями.

Аналогичные спектры, рассчитанные в настоящей работе.

Проверка метода

Коэффициент отражения

Слайд 11

Подбор структуры
Коэффициент отражения

n1 = 1.22
…
λ0 = 620 nm
n2 = 1.586

50

слоев

λ0

Дефект в виде пропуска одного слоя соответствует полосе пропускания в спектре

Слайд 12

Пористый кремний и фотонные кристаллы на его основе
Пористый кремний – кремний,

имеющий пористую структуру

Слайд 13

HF + H2O + CH3CH(OH)CH3
Методика эксперимента электрохимического травления
1 – фторпластовая ячейка, 2

– кремниевая пластина,
3 – металлический электрод, 4 – графит, 5 – уплотнители.

Слайд 14

В рамках одного процесса травления, варьируя плотность тока, можно получать многослойные

структуры, каждый слой которых будет обладать необходимым эффективным показателем преломления

Слайд 15

Режимы получения пористого кремния

Слайд 16

Образец ПК-1
Образец ПК-2

Слайд 17

Образец ПК-4
Образец ПК-3

Слайд 18

Зависимость толщины пористого слоя от силы тока анодирования.
Зависимость толщины пористого слоя

от времени анодирования.

Слайд 19

Зависимость среднего размера пор от силы тока анодирования.

Слайд 20

Результат эксперимента

Слайд 21

Измеренный спектр отражения фотонного кристалла.
Рассчитанный спектр отражения
Результат эксперимента
Коэффициент отражения

Слайд 22

Реализован метод матриц переноса и проверен в сравнении с экспериментальными данными
Произведена

серия экспериментов по получению пористого кремния
Теоретически подобран фотонный кристалл с дефектом, являющийся фильтром.
Получен образец фотонного кристалла и его спектр.
Выявлено, что экспериментальный и теоретический спектр сходятся в заданном диапазоне длин волн и структура может быть использована в качестве оптического фильтра

Заключение
Основные результаты работы:

Слайд 23

Спасибо за внимание!

Слайд 24

Одномерные фотонные кристаллы
В одномерных фотонных кристаллах коэффициент преломления периодически изменяется в

одном пространственном направлении

Слайд 25

Примеры 3-D фотонных кристаллов[9]: 3-D фотонный кристалл с гранецентрированной решеткой и

элементами в форме шаров (а); 3-D фотонный кристалл с решеткой в виде «поленницы» и элементами в форме прямоугольных шпал (б); спиралевидная решетка (в), решетка, подобная алмазной (г)

Слайд 26

Классификация фотонных кристаллов
ФК делятся на три типа:
Одномерные (1D)
Двумерные (2D)
Трехмерные (3D).

Слайд 27

1D partially oxidized porous silicon photonic crystal reflector for mid-infrared application

Zhejin Wang, Jie Zhang, Shaohui Xu, Lianwei Wang, Zhishen Cao, Peng Zhan and Zhenlin Wang3

Для отработки метода была выбрана структура, полученная в Китае. Она представляет из себя фотонный кристалл на основе пористого кремния из десяти периодов, толщины слоев по 5μm каждый. Изначально структура состояла из слоев с показателями преломления 1,365 и 2,3,.После окисления в течение 20 мин при 500 ◦C слой нГн почти полностью окислен в SiO2, поэтому показатели преломления незначительно упали до 1,285 и 2,055. При дальнейшем окислении в течение 30 мин при 500 ◦C, показатели преломления достигают значений 1.5 и 1.2, контраст становится слишком мал (

Поперечное СЭМ-изображение фотонного кристалла на основе пористого кремния,10 периодов

Подложка (0.01 Ω cm) (1 0 0)
Электролит из HF (40%) и спирта в объемном соотношении 1 : 1 (V/V)
Плотности тока J1 = 10 mA cm−2 и J2 = 70 mA cm−2

Слайд 28

Метод матриц переноса
Уравнение Гельмгольца для конечной 1-D многослойной структуры
Уравнения Максвелла
Материальные

уравнения случае

Далее нужно взять ротор от первого уравнения, в этом случае можно подставить в него второе

Уравнение Гельмгольца

Условия сшивки

Слайд 29

Анодом служит сама кремниевая пластина, которая помещается в электрохимическую ячейку из

фторопласта. Основой электролита является плавиковая кислота (HF) с различными органическими добавками, которые хорошо смачивают поверхность кремния. В качестве катода используется электрод, материал которого не взаимодействует с плавиковой кислотой

Получение пористого кремния

Электрохимическое травление

Слайд 30

Выбор режима получения пористого кремния
Для получения 1D фотонных кристаллов важно, чтобы

структура в поперечном направлении была однородна для необходимых электромагнитных волн. То есть, в случае пористого кремния необходимо, чтобы размер пор был на порядок-два меньше, чем выбранный диапазон длин волн света.
Установлено, что толщина пленки пористого кремния практически линейно зависит от времени травления и может меняться от долей до сотен микрометров. Структура пористого слоя определяется плотностью тока, концентрацией HF в электролите и характером легирования кремниевой подложки. При прочих равных условиях размер пор зависит от плотности тока.

Слайд 31

Изображение с электронного микроскопа

Слайд 32

Повышение контраста

Слайд 33

Определение замкнутых областей

Слайд 34

Определение площади

Слайд 35

Получение образцов пористого кремния на пластинах Si (100) КЭС 0.007 –

0.015 в водном растворе плавиковой кислоты.

Получение и исследование фотонных кристаллов на основе пористого кремния

Содержание

Фотонные кристаллыСтруктуры, характеризующиеся периодическим изменением диэлектрической проницаемости в пространстве.

АктуальностьСтруктуру компонентов оптического компьютера можно подобрать теоретически в соответствии с требуемыми

Цель работы и задачиЦель работы - расчет спектра отражения ограниченного фотонного

Методы получения фотонных кристалловМетоды самосборкиМетоды травленияГолографические методыДругие методы литографииМетоды, основанные на

Численные методы исследования фотонных кристалловметод разложения электромагнитного поля по плоским волнамметод Корринга-Кона-Ростокераметод

Метод матриц переносаУравнение Гельмгольца для конечной 1-D многослойной структуры:Уравнения Максвелла

Проверка методаПоперечное СЭМ-изображение фотонного кристалла на основе пористого кремния,10 периодовn=1,365 Λ=10μmn=2,3

CABСпектры отражения структуры. (а) без окисления, (б) с окислением 20 мин,

Подбор структурыКоэффициент отражения n1 = 1.22…λ0 = 620 nmn2 = 1.586 50

Пористый кремний и фотонные кристаллы на его основеПористый кремний – кремний,

HF + H2O + CH3CH(OH)CH3Методика эксперимента электрохимического травления1 – фторпластовая ячейка, 2