Наноматериалы и нанотехнологии

вает электролюминесценцию, длина волны которой изменяется путем изменения размера кластера.

Спонтанное возникновение периодически упорядоченных наноструктур на поверхности твердых тел и в эпитаксиальных пленках используется для создания нанокластеров (квантовых точек) и нанопроволок.

ав

бг

Рис. 11.14. Виды упорядочения наноструктур [2]

Выделяются четыре группы упорядоченных наноструктур:

1. Наноструктуры с периодической модуляцией состава в эпитаксиальных пленках твердых растворов полупроводников

(рис. 11.14, а).

2.Периодически фасетированные поверхности (рис. 11.14, б).

3.Периодические структуры плоских поверхностных доменов

(рис. 11.14, в).

4.Упорядоченные структуры трехмерных когерентно напряженных островков (2) (нанокластеров) в гетероэпитаксиальных наноструктурах на поверхности подложки (1) (рис. 11.14, г).

191

Для первой группы возможность спонтанного возникновения структур с периодической модуляцией состава связана с неустойчивостью однородного твердого раствора относительно спиноидального распада.

Для второй группы наноструктур причиной спонтанного фасетирования поверхности является ориентационная зависимость поверхностной энергии. Плоская поверхность стремится самопроизвольно трансформироваться в систему впадин и гребней. Периодически фасетированные поверхности дают возможность получения массивов изолированных квантовых проволок и сверхрешеток квантовых проволок.

Третья группа наноструктур плоских доменов возникает при наличии на поверхности различных фаз, островков монослойной высоты. Соседние домены имеют различные значения тензора поверхностных натяжений, что вызывает упругие деформации на поверхности.

Четвертая группа спонтанно упорядоченных наноструктур в виде массивов трехмерных когерентно напряженных островков возникает из-за наличия двух источников полей упругих напряжений и зависимости поверхностной энергии от деформации, обусловленной капиллярными эффектами. Разные постоянные решетки осаждаемого материала и подложки и скачок тензора поверхностных натяжений на ребрах островков приводят к суммированию объемной упругой энергии, упругой энергии на ребрах и энергии взаимодействия двух упругих полей.

Упорядоченные наноструктуры на основе вертикально связанных InGaAs позволяют создать лазерные устройства. Лазер включает в себя активную зону на основе упорядоченной наноструктуры в виде нанокластеров InGaAs в матрице GaAs, среду для инжектирования электронов и дырок, распределенные AlGaAs/AlO брегговские рефлекторы в качестве зеркал и электроды.

При комнатной температуре в случае оптимального количества слоев верхнего брегговского рефлектора максимальная эффективность составила 16 %, а минимальный пороговый ток – 68 мкА.

192

Наноэлектронные лазеры с вертикальными резонаторами

(ЛВР) VCSEL (Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser). Конструкция лазера на квантовых ямах приведена на рис. 11.15: два брегговских зеркала, расположенные параллельно исходной подложке, образуют резонатор лазера. Активная зона содержит одну или несколько полупроводниковых квантовых ям или точек. Инжекция носителей заряда в активную зону осуществляется непосредственно через нижнее зеркало с n-типом легирования и верхнее с p-типом легирования. Лазер представляет p-i-n-структуру. Типичная апертура ЛВР составляет 10 мкм. Излучение выводится через верхнее зеркало или через оба, что определяется соотношением коэффициентов отражения зеркал, состоящих из слоев.

На рис. 11.16 приведена зависимость излучаемой мощности от силы тока источника питания.

Полупроводниковые вертикально излучающие лазеры находят широкое применение в быстродействующих оптоволоконных системах для передачи информации. Подобные лазеры работают в диа-

193

пазоне ближнего инфракрасного излучения (ИК) длин волн 850 и 980 нм. Разработаны лазеры в диапазоне дальнего ИК 1,2–1,5 мкм.

Для лазеров на основе нанокластеров полупроводников, генерирующих излучение в оптическом и ультрафиолетовом УФ-диапазоне, используют широкозонные материалы. Таким материалом является окись цинка ZnO с запрещенной зоной 3,37 эВ, оптические переходы которого лежат в диапазоне УФ. Лазерное экситонное излучение было получено для нанопроволок ZnO на сапфировой подложке под действием оптического возбуждения.

Нанопроволоки ZnO были синтезированы из газовой фазы

спомощью эпитаксиального роста на сапфировой подложке (110).

Вкачестве катализатора использовались нанокластеры золота Au, ко-

торые включались в тонкую пленку на поверхности сапфира (рис. 11.17).

Нанопроволоки растут перпендикулярно подложке. Их диаметр 20–150 нм. Длина нанопроволок от 2–10 мкм. Концы проволок имеют

Рис. 11.17. Изображение со ска- форму правильных шестиугольни-

нирующего электронного микро- ков. Правильная форма поверхно-

скопа нанопроволок ZnO, выра- стей таких проволок необходима для создания концентрированного лазерного излучения.

Под влиянием оптического возбуждения в нанопроволоках генеририруются лазерные моды с длинами волн 370–400 нм фиолетового цвета при ширине линии 0,3 нм. Резонансных зеркал нет. Сами нанопроволоки ZnO-система монокристаллических резонансных полостей, а их торцевые поверхности выполняют роль зеркал, концентрирующих генерированное излучение.

194

12. НАНОФОТОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

Нанофотоника – наука о взаимодействии света с веществом в нанометровом диапазоне, который короче длины световой волны.

Основными направлениями исследований в нанофотонике являются:

1.Изучение процессов, вызванных в веществе при возбуждении пучком света, сфокусированным до нанометрового размера.

2.Исследование оптических свойств линейных и нелинейных наноразмерных частиц.

3.Исследование химических превращений, инициируемых светом в термодинамически устойчивых наноразмерных частицах.

4.Работа над созданием волноводов из легированного эрбием кремния и усилением сигнала в пористом кремнии. Главный недостаток кремниевой оптоэлектроники – низкий коэффициент усиления сигнала. Эффективность светового усиления отдельными чипами преодолевается в нанофотонных устройствах.

12.1. Оптические волокна с фотонно-кристаллической структурой

Фотонный кристалл – это оптическая зонная структура, в которой существуют разрешенные и запрещенные состояния для фотонов. Функцию периодического потенциала решетки выполняют периодические изменения диэлектрической проницаемости или показателя преломления в волноводной среде. Фотонный кристалл является сверхрешеткой – средой, в которой искусственно создано дополнительное поле с периодом, превышающим на порядки период кристаллической решетки. Для фотонов такое поле получают периодическим изменением коэффициента преломления среды – в одном, двух и трех измерениях. Если период оптической сверхрешетки сравним с длиной электромагнитной волны, то поведение фотонов кардинально отличается от их поведения в обычной кристаллической решетке.

На основе планарных фотонных кристаллов можно создать миниатюрный и эффективный нанорезонатор, позволяющий локализо-

195

вать мощные электромагнитные поля в малых объемах в течение длительного времени. Исследование свойств оптических наноразмерных резонаторов представляет большую практическую и научную ценность.

Создание оптического волокна на основе кварцевого стекла позволило системам магистральной связи снять ограничения на скорость передачи и ширину полосы пропускания. Коэффициент затухания упал, и сигнал стало возможным передавать на сотни километров без регенерации. В настоящее время ведутся поиски новых перспективных волокон, в том числе фотонно-кристаллических.

Фотонно-кристаллические волокна (ФКВ) – это волокна, обо-

лочка которых представляет двумерный фотонный кристалл с точечным дефектом, расположенным в центре симметрии оптического волокна. Волокно в поперечном сечении обладает периодической структурой, состоящей из множества периодически расположенных микроскопических полых капилляров в виде круглых или шестигранных плотноупакованных трубок, создающих в поперечном сечении волокна периодическую двумерную микрорешетку. Эти каналы, расположенные по всей длине волокна (капилляров), локально уменьшают показатель преломления вокруг сердцевины и эффективно заменяют оболочку нормального сплошного волокна. Период и характерный размер элементов структуры волокна меньше длины волны видимого и инфракрасного (ИК) излучения.

Основной особенностью ФКВ является распространение энергии световой волны вдоль линейного дефекта (сердцевины волокна). Сама волна существует в виде поперечной одной основной электрической моды ТЕ01 или магнитной моды ТМ01, т.е. в поперечном сечении волокна или плоскости решетки фотонного кристалла

(рис. 12.1, 12.2).

Существуют два класса оптических волокон различных по механизму удержанию света в сердцевине.

Первый класс образуют ФКВ со сплошной световедущей жилой.

Сердцевина – кварцевое стекло в оболочке из фотонного кристалла (кварцевое стекло с воздушными полостями-каналами) с более низ-

196

ким средним коэффициентом преломления в жиле. Наблюдаются два эффекта: 1) полное внутреннее отражение как в обычном световоде; 2) действие зонных свойств фотонного кристалла. Количество направляемых мод в сплошной световедущей жиле такого волокна определяется только величиной отношения диаметра d воздушных каналов к расстоянию между их осями A. Для случая d /A ≈ 0,2 такие дырчатые волноводы являются одномодовыми во всем спектральном диапазоне прозрачности кварца. В таких волокнах все высшие моды кроме мод нулевого порядка уходят в оболочку и затухают. Наличие полостей в оболочке позволяет более чем на порядок увеличить разность показателя преломления световедущей жилы и оболочки по сравнению со стандартным волокном.

аб

Рис. 12.1. Поперечное сечение фоРис. 12.2. Структура сечения двумер- тонно-кристаллических волокон со ного ФКВ с легированной стеклянной сплошной (а) и полой (б) световесердцевиной в центре простой шестидущей жилой в центре [7] гранной центрированной ячейки (уве-

личенный размер рис. 12.2, б [3]

Можно получить в волокне одномодовый режим распространения как с большой, так и малой эффективной площадью поперечного сечения моды, что важно для практических применений.

Второй класс образуют ФКВ с полой сердцевиной. Это волокна с фотонной запрещенной зоной в заданном диапазоне длин волн оптического излучения. Свет распространяется по сердцевине волокна

197

с показателем преломления меньшим, чем средний показатель преломления оболочки, даже в полой сердцевине. Это позволяет на несколько порядков увеличить мощность вводимого в них излучения и уменьшить потери на нелинейные эффекты. Появляется возможность сдвигать длину волны нулевой дисперсии в видимую область спектра, обеспечивая условия для солитонных режимов распространения видимого света. В обычных волноводах это недостижимо.

Среди фотонных волокон можно выделить отдельный класс

ФКВ с сильной нелинейностью (рис. 12.3). ФКВ с малой площадью сердцевины, тонкими кварцевыми перегородками и большими отверстиями позволяют получать не-

используются для генерации спектрального суперконтинуума (белого света с очень высокой энергетической яркостью).

Когда диаметр воздушных трубок, увеличиваясь, становится почти равным расстоянию между трубками, ФКВ по свойствам будут подобны кварцевому волокну без оболочки. ФКВ, содержащее всего одно кольцо воздушных трубок окружающих сердцевину, сочетают сильную нелинейность и малую дисперсию в нужном диапазоне длин волн (рис. 12.4).

Основные преимущества фотонно-кристаллических волокон:

•одномодовый режим для всех длин волн излучения;

•широкий диапазон изменения площади пятна основной моды;

198

•постоянное значение коэффициента дисперсии (дисперсионный наклон равен 0,002 пс·нм–1·км–1 для длин волн 1,3–1,5 мкм);

•высокие значения коэффициента дисперсии (2000 пс·нм–1·км–1 для специально разработанных структур);

•высокая нелинейность специальных волокон для генерации гармоник и суперконтинуума;

•точно управляемая поляризация, дисперсия групповой скорости, спектр пропускания и двулучепреломление;

•контролируемая локализация поля в воздушных отверстиях.

Рис. 12.4. ФКВ с упрощенной структурой (центральная жила сплошная, боковые лепестки воздушные трубки): а – сечение волокна; б – профиль коэффициента преломления [7]

199

215 нм, период – 413 нм. Данный световод обладает фотонной запрещенной зоной в интервале от 1200 до 1600 нм с коэффициентом экстинкции (ослабление света, обусловленное поглощением и рассеянием света) 12 дБ.

12.2. Технология изготовления оптических волокон с ФКВ

Фотонно-кристаллическое волокно вытягивается из специальной заготовки. Она состоит из чистых кварцевых капиллярных трубок, расположенных вокруг цельного кварцевого стержня. Эту заго-

товый нагревательный элемент защищен средой из инертного газа аргона. Заготовка медленно сверху опускается в печь, откуда вниз выходит вытягиваемое из заготовки волокно. Скорость вытягивания и скорость подачи автоматически контролируются компьютером.

200