close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Создание и исследование элементов новых радиофизических устройств на основе тонких пленок и одномерных наноструктур

код для вставкиСкачать
Ha npanax pyKorrucll
W
Kafiaauren Enrenufi Mnxafi.nos[q
CO3AAHkIEVVCCJIEAOBAIII,TESJIEMEHTOBHOBbTX
PAMO OI43I[IIE CKI,D( YCTPOfrCTB IIA OCHOBE TOIIKI,D(
IIJTEHOKr4 OTTOMEPIIbIX HAHOCTpyKTyp
0 1.04.03-paAnoQu3r{Ka
Anrope(peparArrcceprallur{HacolrcKaHlreyreuofi crerreHr4
HayK
AoKTopaQusuro-vrareMarlrrrecKrrx
?
Pocros-Ha-Aorry
2018
Pa6ora BbItIoJIHeHa
n ra6oparopurr HaHoMarepriaJron
I4HcuEryra MareMarvtKvr, MexaHlrKHlr
KoMnblorepHbrxHayK um. A. Z. Boponuqa 14Ha ra(fe4pe <HanorexnoJrorurn)$usnuecroro
(f arynrrera OfAOY B O <IOxnuft (f e4epa.nrnrrfiynr..rBepcr4rer)
Haynruft KoHcyJrbraHT:
HayK,
AoKTopSusuro-rr,rateMarr4rrecKr,rx
npo(peccop
JlepepAlercan4p Mllxafinoeuq
OtpuqnanrubreorrroHeuTbr:
'
Kournor f esua,uuftOnfl.rnnoel,r.r
AoKrop (prsuro-uareMarr,rqecKr4x HayK )
npo(peccop O|BOY
BO
<Ky6ancxufi
rocy,uapcrnennrrft ynuBepcr4Ter)),3aB. Ka$.
pa4uo(furuKr{ r,rHanorexnolorr.rfi
Pegrxun Apragllft H[roraenz.r
AoKTop
$usuxo-uareMarr,rqecKr,rx H&yK,
OfFyH
Zucruryr npo6lena rexHoJroflrr{
pr
MI4KpOSJreKTpOHLrKr,r
ocooo
qucrbfx
Marepr,raJroBPoccnficroft aKaAeM[r,rHayK ,
ruasnrrfi nayrHufi corpyAHr,rK
9eprecona llapwca Bna,4uuraponna
AoKTop
Sr,rauro-rrlareMarr{qecKux HayK,
OfBOy
BO <,{oucr<ofi rocyAapcrBennrul
rexurnqecruft ynr,rBepcrrrer , npo(peccop
rca$e,qp <Marenaarr,makr nH(fopuaruru Lr
<Kr.r6ep6esoracHocrb
ran$opuaquoHHbur
cI,IcreMD (parynmera <I,Iu(fopuarura 14
BbITI}ICJII{TEJIbHTUI TEXH}IKD)
OfyII <PocroscKuit- ua-Aony HalnruoI,IccJleAoBarenrcxrafi
raHcrr,rryrpaAuocB{3r.r)
Be,uyrqasopraHr.r3arlr.rfi
:
3aqnra cocrol4Tct ( 8 ) rarouq2018 r. n 14 qac. Ha 3aceAa:nuurrtcceprarlrdoHHoroconera ,{
212.208.10s IOxHor{ (pegepzurruoM
yHuBepcrlrereno aApecy: 344090,r.Pocros-Ha-,{ouy,yn.
3opre ,4.5,IOxurrft $e4epanrnrrft yHI,IBepcI4Ter,
ynnnepcr{Ter,ayA.3l8
Qr.rsra.recruft
C 4uccepraqueftuoxno o3HaKoMlrrbcgs 3onamnofi nayrnofi6u6nuoreKe r,rrrl.IO.A.XaaHoBa
IOxnoro (pe4epanruoroyHr,rBepclrrera
rro aApecy: r.Pocron-na-,{ouy, yl.3opre, l.2lX.u:aa
cailne; http ://hub. sfedu.nr/di ss/
Anrope(peparpa:locnaH( 5
) rrrapra2018 r.
Y.IeHHficeKperapb,AlrcceprarluoHHoro
iorera 1212.208.10,
HayK,npo$eccop
Aorrop (pusrExo-uareMarnrrecKrx
f.@.3aprano
Общая характеристика работы
Актуальность темы
В настоящее время на основе тонких пленок и наностержней оксида цинка
создаются новые устройства микро-и наноэлектроники и фотоники . Оксид цинкаширокозонный прямозонный полупроводник, с большой энергия связи экситона (60
мэВ ), высокой радиационной стойкостью, что позволяет использовать его в
быстродействующих высоко чувствительных фотоприемниках УФ и видимого
диапазона. При допировании магнием диапазон чувствительности фотоприемников
может быть расширен до 200 нм. Допирование его галлием и алюминием позволяет
создавать прозрачные в видимом диапазоне хорошо проводящие электроды
используемые в солнечных элементах, фотоприемниках, в качестве метаматериалов
для сверхскоростной модуляции света в ближнем ИК диапазоне. ZnO
наноструктуры используются при создании нанолазеров, оптических плазмонных
наноантенн, приемников терагерцового диапазона. Наноструктуры на основе оксида
цинка допированных галлием, алюминием, сурьмой перспективны при создании
одномерных термоэлектрических преобразователей, в том числе плазмонных
термоэлектрических преобразователей с высоким КПД. Оксид цинка обладает
хорошими пьезоэлектрическими свойствами. Высокоразвитая поверхность массивов
из наностержней оксида цинка и чувствительность его поверхности к адсорбции
различных газов или биологических веществ позволяет использовать его в
высокочувствительных пьезо-хемо-биосенсорах.
Перспективным методом создания тонкопленочных структур, массивов из
наностержней, структур пленка-наностержень необходимых при разработке ряда
радиофизических устройств является метод роста из плазменного лазерного факела.
Сохранение стехиометрии при испарении многокомпонентных соединений,
возможность в широких пределах менять плотность пара, долю ионной
составляющей, скорость осаждения , пересыщение на поверхности роста за счет
изменения энергии лазерного импульса, частоты следования, длины волны
излучения, а также возможность осаждать пленки, наностержни или массивы
наночастиц меняя давление или тип рабочего газа – преимущества этого метода.
Метод импульсного лазерного напыления- позволяет также получать как
тонкопленочные наноматериалы из сверхтонких пленок полупроводников ,
диэлектриков, металлов и сверхпроводников, включая сверхрешетки, так и
достаточно “толстые “( до нескольких мкм толщиной) пленки необходимые при
создании различных радиофизических устройств. Метод особенно перспективен при
создании в едином технологическом цикле многослойных тонкопленочных
устройств, включающих пленки высокотемпературных сверхпроводников,
сегнетоэлектриков, мультиферроиков и манганитов со структурой перовскита.
Большой вклад в развитие метода импульсного напыления тонких пленок внесли
российские ученые : Гапонов С.В., Салащенко Н.Н., Быковский Ю.А. ,
Предтеченский М.Р., Головашкин А.И., Шефталь Р.Н., их ученики и последователи
[1-5] .
3
Большой вклад в исследование механизмов роста одномерных наноструктур
внесли российские ученые : Гиваргизов Е.И. и Дубровский В.Г.[11-12]. Важные
научные результаты по лазерному напылению тонкопленочных структур на основе
оксида цинка получены в группе Новодворского О.А.[8]. В работах российских
ученых : Грузинцева А.Н., Редькина А.Н. и Баранова А.Н. развиты новые методы
газотранспортного синтеза и синтеза из химических растворов и исследованы
свойства одномерных наноструктур на основе оксида цинка [9-10].
В настоящей диссертации предложены новые подходы к созданию и
исследованию элементов новых радиофизических устройств на основе тонких
полупроводниковых , металлических и сверхпроводящих пленок и наноструктур из
оксида цинка, получаемых методами импульсного лазерного напыления,
карботермического и термического синтеза .
В последние годы интерес к оптическим плазмонным антеннам постоянно
растет благодаря их потенциальным применениям в фотоприемниках,
светоизлучающих структурах и лазерах, плазмонных поглотителях , плазмонных
эмиттерах,
плазмонных
термопреобразователях,
нелинейно-оптических
преобразователях света, плазмонных нелинейных просветляющихся фильтрах,
плазмонных волноведущих системах, высокоскоростных модуляторах света,
широкополосных поглотителях солнечного света, плазмонных усилителях
флюоресценции органических молекул, плазмонных сенсорах сверхмалых
концентраций органических и биологических веществ на основе гиганского
рамановского рассеяния. Актуальным направлением исследований является
разработка плазмонных антенн УФ, видимого и ИК диапазона на основе прозрачных
проводящих оксидных полупроводниковых наноструктур. В настоящей диссертации
приводятся результаты по получению и исследованию плазмонных антенн нового
типа – вертикально ориентированных массивов из наностержней оксида цинка,
покрытого тонкой пленкой серебра.
Резонаторы, образованные в поперечном сечении наностержней, активно
используются для создания лазеров УФ диапазона на основе оксида цинка.
Актуальными являются исследования мод распространяющихся в гексагональном
поперечном сечении ZnO наностержней c постепенно уменьшающимся размером
(сравнимым с длиной волны света) резонансной полости.
Фотоприемники УФ излучения на ZnO находят широкое применение в
системах космического мониторинга (изменения озонового слоя Земли, загрязнений
атмосферы) , в системах пожарной сигнализации , для детектирования УФ
излучения от источников высоких температур, в системах космической связи, в
астрофизических
исследованиях.
Актуальными
являются
исследования
направленные на повышение их фототочувствительности УФ фотоприемников за
счет использования массивов из наностержней ZnO, декорирование поверхности
плазмонными наночастицами, а также расширение спектрального диапазона
фоточувствительности до 200 нм за счет допирования Mg. Массивы наностержней с
развитой поверхностью более эффективно (в некоторых случаях в 1000 раз) , чем
4
пленка ZnO, поглощают УФ излучение. Повышение поглощения УФ при
декорировании наностержней оксида цинка плазмонными наночастицами вызванно
резонансной связью экситонов в ZnO и локализованных поверхностных плазмонов
наночастиц . Возрастание энергии поглощения приводит к увеличению генерации
электронно-дырочных пар и повышению фоточувствительности. Высокую
актуальность имеют исследования по повышению быстродействия фотоотклика и
уменьшение времени восстановления УФ фотоприемников. В настоящей
диссертации быстродействие фотоотклика и уменьшение времени восстановления
металл-полупроводник-металл фотоприемника на наностержнях ZnO было
улучшено за счет использования золотых пленочных контактов Шоттки к
наностержням оксида цинка.
В основе сенсоров ультрафиолетового излучения на поверхностных
акустических волнах (ПАВ) лежит акустоэлектронное взаимодействие ПАВ с
носителями заряда, генерируемыми светом в слое полупроводника, расположенного
на
поверхности
пьезоэлектрического
звукопровода.
Акустоэлектронное
взаимодействие приводит к увеличению затухания ПАВ и уменьшению ее скорости,
что приводит к дополнительному фазовому сдвигу и увеличению задержки .
Затухание и дополнительный фазовый сдвиг в устройствах на ПАВ являются
нелинейными функциями длины акустической волны, длины и интенсивности
детектируемого оптического излучения. Спектральная селективность детектора и
его чувствительность определяется свойствами слоя генерирующего свободные
носители заряда. Часто не удаѐтся одновременно достичь высокое быстродействие
и чувствительность . Более того, большинство существующих фотодетекторов на
ПАВ имеют низкое быстродействие . Поэтому актуальным является повышение
чувствительности и быстродействия УФ фотоприемников на ПАВ. В настоящей
диссертации исследован сенсор УФ на ПАВ нового типа со схемой детектирования,
позволяющей повысить чувствительность фотоприемника за счѐт многократных
переотражений ПАВ . При этом сенсор может быть пассивным и беспроводным.
Разработка беспроводных сенсоров на поверхностных акустических волнах
для контроля параметров газовых сред является перспективным направлением
исследований. Однако на высоких частотах, контакт газа с рабочей поверхностью
ПАВ устройства приводит к существенному затуханию волны. Поэтому актуальной
задачей является создание ПАВ сенсоров с чувствительным элементом вынесенным
из акустического канала. Для определения малых концентраций газов, например,
моноокиси углерода, можно использовать зависимость коэффициента отражения от
величины сопротивления нагрузки, подключаемой к отражательному ВШП, если в
качестве
нагрузки
использовать
сопротивления
наноструктуры
из
полупроводниковых наностержней оксида цинка. В диссертации представлены
результаты исследований ПАВ сенсора СО нового типа с чувствительным
элементом из наностержней оксида цинка, вынесенным из акустического канала .
Чувствительный элемент, имеющий определенный импеданс, подключен к
отражательному ВШП линии задержки, и располагается вне герметичного корпуса.
5
Актуальным
направлением
исследований
является
создание
микроэлектронных
СВЧ-компонент
на
пленках
высокотемпературного
сверхпроводника YBa2Cu3O7-x (Тс =90К). Чрезвычайно широкий спектр применения
ВТСП-материалов обусловлен отсутствием потерь на постоянном токе и
небольшими потерями на переменном, экранированием магнитных и
электромагнитных полей, возможностью передачи сигналов с минимальными
искажениями, а также выполнения аналоговых и цифровых функций при
многократном (1000 раз) уменьшении мощности рассеяния и и значительном (10-20раз) повышении быстродействия в сравнении с современными полупроводниковыми
приборами. Сегодня уже созданы первые образцы пассивных СВЧ-компонентов
(фильтры, резонаторы, фазовращатели, антенны, линии задержки и др.), рабочие
характеристики которых позволяют использовать их в системах мобильной
радиосвязи.
Цель работы и основные научные задачи
Целью диссертационной работы являлось создание и исследование новых
радиофизических устройств: плазмонных наноантенн , микро-и наноразмерных
резонаторов, металл-полупроводник –металл и ПАВ фотоприемников и ПАВ
хемосенсоров, на основе тонких пленок и одномерных наноструктур, в результате .
развития методов эпитаксиального роста
тонких полупроводниковых и
сверхпроводящих
пленок;
многослойных
тонкопленочных
структур;
ориентированных массивов из наностержней; наногетероструктур – наностержней
оксида цинка, покрытых тонкой полупроводниковой или металлической пленкой ,
комплексного исследования радиофизических , электрофизических, оптических,
структурных и морфологических свойств полученных тонкопленочных структур и
наноматериалов на основе оксида цинка.
Основные научные задачи работы:
- создание и исследование радиофизических свойств плазмонных наноантенн из
ориентированных наностержней оксида цинка, покрытых тонкой пленкой серебра ;
-создание и исследование оптических микро-и нанорезонаторов на наностержнях
оксида цинка с постепенно уменьшающимся размером резонансной полости;
-создание и исследование оптических свойств фотоприемников металлполупроводник-металл с двойными диодами Шоттки УФ и видимого диапазона на
пленках золота и массивах наностержней оксида цинка ;
-создание и исследование фотоприемников УФ диапазона на основе
акустоэлектронного взаимодействия фотовозбужденных носителей с поверхностной
акустической волной;
-создание и исследование сенсора монооксида углерода на поверхностных
акустических волнах;
-создание и исследование СВЧ свойств плоскопараллельного резонатора
образованного двумя сверхпроводящими пленками YBa2Cu3O7-x разделенных
тонким диэлектриком ;
-развитие новых методов синтеза эпитаксиальных пленок и одномерных
6
наногетероструктур на основе оксида цинка, используемых для создания устройств
микро-и наноэлектроники и фотоники.
Научная новизна.
1. Разработан метод создания и исследованы оптические плазмонные наноантенны
нового типа , образованные полупроводниковым нанокристаллом, покрытым тонкой
пленкой серебра. Проведено сравнение теоретических электродинамических
расчетов и экспериментальных характеристик оптических наноантенн различной
длины. Экспериментально обнаружены максимумы в кривых коэффициента
экстинкции. Установлено, что эти максимумы определяются
плазмонными
резонансами
оптической
антенны.
2. Методом пространственно разрешенной катодолюминесценции впервые
исследованы моды типа шепчущей галереи в диэлектрических наноразмерных ZnO
резонаторах с гексагональным поперечным сечением в видимой области спектра
для полостей резонаторов с диаметрами сравнимыми или меньшими длины волны
света. Модель интерференции волн в поперечном сечении без дополнительных
параметров описывающая спектральные позиции и ширины мод находится в
хорошем соответствии с экспериментом.
3. Методами лазерного, карботермического и термического синтеза созданы и
исследованы фотоприемники УФ и видимого диапазона с двойным диодом Шоттки
на массиве наностержней оксида цинка и пленок золота
с высокой
фоточувствительностью
и
быстродействием.
.
4. Исследован фотоприемник УФ диапазона на поверхностных акустических
волнах нового типа с повышенной фоточувствительностью за счѐт многократных
переотражений
ПАВ.
5. Создан и исследован сенсор на ПАВ нового типа для определения малых
концентраций газов с чувствительным элементом в виде решетки из параллельносоединенных наностержней оксида цинка, подсоединенного в качестве нагрузки к
одному
из
отражательных
ВШП
линии
задержки
на
ПАВ.
6. Для создания тонкопленочных элементов радиофизических устройств разработан
новый метод многоступенчатого импульсного лазерного напыления эпитаксиальных
пленок ZnO с использованием сверхтонких буферных слоев и эпитаксиальных
прослоек, осажденных при пониженной температуре, а также метод
одноступенчатого двухстороннего теневого внеосевое лазерного напыления
сверхпроводящих
пленок
YBa2Cu3O7-x.
.
7. Для создания одномерных элементов радиофизических устройств разработан
новый метод импульсного лазерного напыления при высоком давлении аргона
высокоориентированных в направлении оси с решеток наностержней ZnO, ZnO:Mg,
ZnO:Co, ZnO:Mn и новые методики
лазерного синтеза одномерных
наногетероструктур
типа
ZnO
нанокристалл-эпитаксиальная
пленка
ZnO:Mn(ZnO:Сo) или типа нитевидный ZnO нанокристалл с тонкопленочной
ZnO/MgZnO/ZnO квантовой ямой на конце.
7
Достоверность результатов
Все научные выводы основаны на экспериментальных или теоретических
результатах или на сравнении с результатами полученными другими авторами.
Достоверность результатов исследований подтвеждена комплексным характером
исследования структурных, электрических и оптических свойств наноструктур и
пленок на основе оксида цинка методами оптической и растровой электронной
микроскопии, дифракции быстрых электронов на отражение, высокоразрешающей
трансмиссионной электронной микроскопии, высокоразрешающей рентгеновской
дифракции, оптической спектроскопии, вынужденного комбинационного рассеяния,
методами Ван-дер Пау, фото- и катодолюминесценции. Совместные исследования
полученных ZnO наноструктур и сверхпроводящих пленок
проводились с
российскими организациями ИРЭ РАН, ИФТТ РАН, ФТИ РАН. Многие
исследования выполнены в соавторстве с зарубежными исследователями из Institut
für Experimentelle Physik II, Universität Leipzig, Germany; Departamento de Física,
Universidade de Aveiro, Portugal . Образцы ZnO наностержней исследовались также в
MPI Microstructure Physics, Halle/Saale, Germany; в Electron Microscopy for Materials
Science, University of Antwerp, Belgium; Institut N´eel, CNRS and Universit´e Joseph
Fourier, Grenoble, France; National Center for Scientific Research Demokritos, Institute
of Materials Science, Greece. Результаты исследований представленные в
диссертации докладывались и обсуждались на всероссийских и международных
конференциях и опубликованы в журнальных статьях ведущих российских и
международных изданий.
Научная и практическая значимость работы
Исследования оптических наноантенн, образованных полупроводниковым
нанокристаллом, покрытым тонкой металлической пленкой серебра, имеют
высокую научную и практическую ценность , так как открывает новое направление
создания плазмонных оптических наноантенн видимого и ИК диапазона, из
проводящих полупродниковых оксидов на основе ZnO.
Исследование оптических мод в кольцевых микро и -наноразмерных ZnO
резонаторах образованных в гексагональном поперечном сечении наноиглы оксида
цинка с высоким аспектным отношением имеют высокую научную и практическую
ценность для создания нанолазеров .
Практическую ценность имеют разработанные в диссертации фотоприемники
УФ и видимого диапазона с двойным диодом Шоттки на массиве наностержней
оксида цинка и пленок золота
с высокой фоточувствительностью и
быстродействием.
Практически важными являются разработанная в диссертации методика
изготовления и исследования фотоприемника УФ на ПАВ нового типа, где
предложена схема детектирования, позволяющая повысить чувствительность
фотопреобразователя за счѐт многократных переотражений ПАВ . При этом сенсор
может быть пассивным (без источника питания) и беспроводным.
8
Важным практическим результатом полученным в диссертации является
создание ПАВ сенсора монооксида углерода нового типа . Показана возможность
конструирования пассивных датчиков для определения параметров газовых сред на
основе линии задержки из двух однонаправленных ВШП, один из которых нагружен
на активное сопротивление связанных наностержней оксида цинка. Проведенные
исследования составят основу для разработки новых систем беспроводного
дистанционного контроля параметров газовых сред с чувствительными элементами
из наностержней оксида цинка.
Разработанный в диссертации новый метод теневого внеосевого лазерного
напыления эпитаксиальных пленок высокотемпературного сверхпроводника может
быть использован при получении широкого круга перспективных материалов
(сегнетоэлектриков, мультиферроиков и манганитов). Данная модификация
лазерного напыления может быть успешно применена для напыления пленок ВТСП
большой площади для СВЧ применений или получения пленочных
сверхпроводящих проводов.
Для повышения чувствительности и быстродействия фотоприемников УФ
диапазона имеют большую практическую ценность эпитаксиальные пленки оксида
цинка с гладкой морфологией поверхности, низкими механическими напряжениями,
высоким структурным и оптическим совершенством и высокой электронной
подвижностью синтезированные новым методом многоступенчатого импульсного
лазерного напыления с использованием сверхтонких буферных слоев и
эпитаксиальных прослоек, осажденных при пониженой температуре.
Массивы из высокоориентированных высокоориентированных в направлении
оси с решеток из наностержней на основе ZnO синтезируемые новым методом
импульсного лазерного напыления при высоком давлении аргона составят основу
для создания ряда перспективных устройств : оптических антенн, плазмонных
поглотителей и эмиттеров ИК излучения, УФ фотоприемников, нанолазеров ,
одномерных термопреобразователей, приемников терагерцового диапазона, хемо-и
био сенсоров.
Высокую научную и практическую значимость имеет разработанная в
диссертации новая методика импульсного лазерного напыления наноструктур типа
нитевидный ZnO нанокристалл-эпитаксиальная пленка с использованием единой
технологии ИЛН наностержней при высоком давлении аргона и теневого внеосевого
ИЛН эпитаксиальных пленок в атмосфере кислорода. Методика может быть
успешна использована для широкого круга наноструктур, в том числе оптических
плазмонных наноантен ИК диапазона на основе новых метаматериалов таких как
ZnO:Ga, ZnO:Al и других.
Разработанная в диссертации методика импульсного лазерного напыления
тонкопленочной гетероструктуры ZnO/MgZnO/ZnO квантовой ямы на вершине
наностержней ZnO имеет высокую практическую ценность при создании
нанолазеров УФ диапазона.
Разработаная в диссертации новая лазерная методика низкотемпературного
синтеза наностержней ZnO диаметром менее 10 нм с высоким аспектным
отношением имеет практическую ценность для создания высокочувствительных
пьезо-и хемосенсоров.
9
При выполнении диссертации получены 4 патента на изобретения, связанные с
применением тонких пленок и наностержней оксида цинка в ПАВ фотоприемниках
УФ излучения и ПАВ хемосенсорах.
Полученные в диссертационной работе научные результаты соответствуют
паспорту специальности: в части формулы специальности
«…изучением
общих закономерностей генерации, передачи, приема, регистрации и анализа
колебаний и волн различной физической природы и разных частотных диапазонов, а
также их применением в фундаментальных и прикладных исследованиях. Общность
изучаемых радиофизических закономерностей излучения, распространения,
взаимодействия и трансформации колебаний и волн в различных средах»; в части
область исследования: пункту 2 « Изучение линейных и нелинейных процессов
излучения, распространения, дифракции, рассеяния, взаимодействия и
трансформации волн в естественных и искусственных средах»; пункту 3 «
Разработка, исследование и создание новых электродинамических систем и
устройств формирования и передачи радиосигналов: резонаторов, волноводов,
фильтров и антенных систем в радио, оптическом и ИК – диапазоне» и пункту 6
«Разработка физических основ и создание новых волновых технологий
модификации
и
обработки
материалов»
Основные положения выносимые на защиту
1. Установлено, что радиофизические свойства наностержней оксида цинка,
покрытых тонкой пленкой серебра, позволяют рассматривать их как новый тип
плазмонных оптических антенн видимого и ближнего ИК диапазона. Теоретически
и экспериментально обнаружены плазмонные резонансы оптической антенны.
2. Методом пространственно разрешенной катодолюминесценции в видимой
области спектра впервые исследованы моды типа шепчущей галереи в
диэлектрических наноразмерных ZnO резонаторах с гексагональным поперечным
сечением для полостей резонаторов с диаметрами сравнимыми с длиной волны
света.
Модель интерференции волн в поперечном сечении, описывающая
спектральные позиции и ширины мод, находится в хорошем соответствии с
экспериментом.
3. Показано, что созданные методом импульсного лазерного напыления и
исследованные фотоприемники УФ диапазона на поверхностных акустических
волнах нового типа имеют повышенную фоточувствительность и быстродействие
благодаря детектированию импульсных откликов после мнократного прохождения
ПАВ волной фоточувствительной пленки оксида
цинка, вызванных
переотражениями от однонаправленных ВШП линии задержки. В отличие от ранее
использованных подходов для УФ ПАВ детекторов света использованы вторые,
третьи и более высокие отражения ПАВ для регистрации низкой интенсивности
света.
4. Исследованы, созданные методами лазерного, карботермического и термического
синтеза, фотоприемники УФ и видимого диапазона с двойным диодом Шоттки на
10
основе массива наностержней оксида цинка и пленок золота с высокой
фоточувствительностью и быстродействием .
5. Установлено ,что эпитаксиальные пленки оксида цинка синтезированные новым
методом многоступенчатого импульсного лазерного напыления с использованием
сверхтонких буферных слоев и эпитаксиальных прослоек, осажденных при
пониженной температуре, имеют высокую электронную подвижность , гладкую
морфологию поверхности, низкие механические напряжения, высокое структурное
и оптическое совершенство,
что позволяет создавать из них элементы
фотоприемников УФ и видимого диапазона, в том числе ПАВ фотоприемников, с
высокой фоточувствительностью и быстродействием.
6. Для создания одномерных элементов радиофизических устройств разработан
новый метод импульсного лазерного напыления при высоком давлении аргона
высокоориентированных в направлении оси с решеток из структурно-совершенных
наностержней оксида цинка. Сохранение стехиометрии при испарении в атмосфере
аргона, позволило использовать данный метод
для получения ряда новых
наноматериалов на основе оксида цинка : ZnMgO, ZnMnO, ZnCoO. Оптимизация
условий лазерного синтеза позволяет получать массивы из наностержней оксида
цинка диаметром менее 10 нм по самокаталитическому механизму.
7. Созданы и исследованы сверхпроводящие тонкопленочные элементы СВЧ
устройств с низкими потерями и ZnO наностержни с тонкопленочной
ZnO/MgZnO/ZnO квантовой ямой на конце. Для этого разработаны новый метод
одноступенчатого двухстороннего теневого внеосевое лазерного напыления
сверхпроводящих пленок и новые методики лазерного синтеза одномерных
наногетероструктур типа ZnO наностержень-эпитаксиальная пленка.
Работа выполнена в рамках аналитической ведомственной целевой программы
“Развитие научного потенциала высшей школы, тема №2.1.1.6758
, проектов
РФФИ (№09-02-13530 офи_ц, 213.01-12/2016-35 РФФИ-Россия-Тайвань) ,
госконтракта № 16.552.11.7024, тем госзадания Министерства образования и науки
РФ ( № 01201155213, №2.5896 , № 16.219.214/К, № 16.5405.2017/БЧ)
Апробация работы.
Основные результаты диссертационной работы были доложены на следующих
Международных и Российских конференциях, симпозиумах и совещаниях: 26th Int.
Conf. on the Physics of Semiconductors- Edinburgh.-UK.- 2002;9th International
Workshop on Oxide Electronics 2002.- St. Pete Beach.- Florida.-USA.- 2002; DPGFrühjahrstagung.- Regensburg .-Germany.- 2002.; Second International Workshop on Zinc
Oxide.-2002- Dayton.-USA; DPG.- Frühjahrstagung .-2003.- Dresden.-Germany; 3rd
International Workshop on ZnO and Related Materials.-2004.-Japan;ODPO-2004.Россия; Int. Conf. on the Physics of Semiconductors (ICPS-27), 2004. Flagstaff,
USA;ODPO-2005.-Россия ; Int. Conf. on the Physics of Semiconductors (ICPS-28), 2006,
Wien, Austria; 5th bilateral Russian-french workshop on Nanosciences and
Nanotechnologies, Moscow, GPI RAS, 2008 ; XII Международный,
11
междисциплинарный симпозиум “Порядок, беспорядок и свойства оксидов” (ODPO12).2009.-Россия; European Materials Research Society, 2009 , Strasbourg, France;
International Sumposium «Nanoplasmonic sensors and spectroscopy», 2011,Chalmers
University of Technology,Goeteborg, Sweden; International Symposium on Physics and
Mechanics of New Materials and Underwater Application(PHENMA), 2013, Kaohsiung
,Taiwan; 21 st International Sumposium “Nanostructures: Physics and Technology”,2013,
Saint Petersburg, Russia ; International Conference on Antenna Theory and Techniques,
2013, Odessa, Ukraine,International Symposium on Physics and Mechanics of New
Materials and Underwater Applications((PHENMA),2014,Thailand; International
conference on “Physics and Mechanics of New Materials and their Applications
“(PHENMA-2015),Azov,Russia ; International conference on “Physics and Mechanics of
New Materials and their Applications” (PHENMA-2016),Indonesia; International
conference on “Physics and Mechanics of New Materials and their Applications”
(PHENMA-2017),India.
Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 65
печатных работах и получено 4 патента РФ на изобретение. Из них 17 научных
статей опубликованы в российских журналах из перечня ВАК, 38 статей в
зарубежных журналах, 10 глав в зарубежных монографиях. Все 65 научных статей
индексированы в Web of Science или Scopus.
Личный вклад автора в диссертационную работу.
Участие автора заключалось в постановке всех задач, синтезе тонких пленок и
наноструктур на основе оксида цинка, создании элементов радиофизических
устройств , планировании и проведении изложенных в работе экспериментов.
Диссертация является обобщением работ, выполненных автором в лаборатории
Наноматериалов Института математики , механики и компьютерных наук им.
И.И.Воровича Южного федерального университета и на кафедре Нанотехнологии
физического факультета Южного федерального университета. Часть результатов
получена автором в лаборатории импульсного лазерного напыления Института
экспериментальной физики II Лейпцигского университета (Германия). При
проведении исследований методом рентгеноструктурного анализа была оказана
помощь к.ф.-м.н. Захарченко И.Н. и д.ф.-м.н. Абдулвахидовым К.Г.,
при
исследованиях ZnO наноструктур методами растровой-электронной микроскопиик.ф.-м.н. Лянгузовым Н.В., в компьютерном моделировании-д.ф.-м.н. Лерером А.М.
Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения и списка литературы. Объем
диссертации составляет 303 страницы , включая 167 рисунков и 9 таблиц. Список
цитированной литературы содержит 293 ссылки.
12
Содержание работы
Во введении обосновывается актуальность диссертационной работы, указывается
цель, новизна и практическая значимость исследований, дается характеристика
работы
В первой главе приведен обзор по механизмам роста полупроводниковых
нанокристаллов , методу импульсного лазерного напыления полупроводниковых
нанокристаллов, фотоприемникам метал-полупроводник-металл
на основе
полупроводниковых пленок и наностержней ZnO, фотоприемникам на
поверхностных акустических волнах с чувствительным элементом на пленках и
наностержнях ZnO, оптическим плазмонным наноантенны на полупроводниковых и
металлических наностержнях
Во второй главе исследован метод многоступенчатого импульсного лазерного
напыления эпитаксиальных пленок ZnO высокого структурного совершенства , с
улучшенными электронными и оптическими свойствами , а также малыми
механическими напряжениями за счет использования сверхтонких ZnO буферных
слоев и ZnO эпитаксиальных прослоек , осажденных при пониженной температуре.
Пленки анализировались методом высокоразрешающей трансмиссионной
электронной микроскопии, методом дифракции быстрых электронов на отражение ,
методом атомно-силовой микроскопии, высокоразрешающей рентгеновской
дифракции,
методом
Ван-дер-Пау,
а
также
методами
фотои
катодолюминесценции. Температура подложки при напылении ZnO составляющая
780С, типичная для роста эпитаксиальных пленок ZnO, снижалась до 600С при
осаждении тонкого релаксирующего слоя. Давление кислорода PO2 , составляло 1.5 и
4.010-2 Па (таблица 1 ). Скорость осаждения была 0.1 нм за импульс. Слой
зарождения, низкотемпературный релаксационный слой и высокотемпературный
слои были осаждены за 300 и 1200 импульсов соответственно. Для
низкотемпературного роста слоя зарождения на сапфире, а также для верхнего
релаксирующего слоя в трехступенчатом процессе использовалась низкая частота
следования лазерных импульсов (Таблица 1 ) . При этом временной интервал между
лазерными импульсами больше , чем характеристическое время релаксации
монослоя ( около 0.5 с ). При росте пленки гомоэпитаксиально на собственном
буферном подслое, энергетический барьер зарождения снижается. Поэтому,
последующий высокотемпературный рост пленок ZnO (толщина пленки
приблизительно 1200 нм, температура осаждения 750С, PO2 1.5 Па) осуществлялся
нами лазерными импульсами с частотой следования 10Гц .
13
Таблица 1. Структурные, оптические, электронные свойства пленок ZnO на
подложке (0001)Al2O3 для одно-, двух-, трех-, четырехступенчатого процесса ИЛН в
зависимости от давления кислорода, толщины слоев пленки , температуры
подложки.
ИЛН пленки
P(O2),
мбaр
Толщина
пленки,
нм
Tп,
C
-скан
FWHM,
arcsec
Одно-ступ.
ZnO/(0001)Al2O3
Двух-ступ
ZnO/ZnO/
(0001)Al2O3
Двух-ступ.
ZnO/ZnO
(0001)Al2O3
Трех-ступ.
ZnO/ZnO/
ZnO/
(0001)Al2O3
Четырех-ступ.
ZnO/ZnO/ZnO/
ZnO/(0001)Al2O3
1.510-2
1200
750
410-4/
1.510-2
30/
1200
410-4/
1.510-2
4104/
1.510-2/
1.510-2
410-4 /
1.510-2/
1.510-2/
1.510-2
µH ,
см2/Вс
n,
cм-3
446
ФЛD0XA.
FWHM,
мэВ
3.2
30
51017
750/
750
320
2.4
60
1.41016
30/
1200
600/
750
338
2.2
141
5.41016
30/
1200/
30
30/
1200/
30/
1200
600/
750/
600
600/
750/
600/
750
241
2.0
119
2.81016
256
1.9
101
5.41016
Состав и совершенство структура пленок ZnO (30 nm)/ ZnO (1200 nm)/ ZnO(30
nm)/(0001) Al2O3 исследовались также методом обратного Резерфордовского
рассеяния/каналирования ионов гелия с энергией 2 МэВ и токе пучка 150 нА.
Кристаллическое качество пленок оценивалось по минимуму отраженного пучка
при ионном каналировании пучка ионов гелия перпендикулярно базовой плоскости
пленки (0001)ZnO.Эпитаксиальные пленки ZnO , полученные в одноступенчатом
процессе без слоя зарождения имеют минимум коэффициента каналирования ионов
мин = (4-6)%, что показывает хорошее кристаллическое качество пленок. Однако
для пленок ZnO (30 nm)/ ZnO (1200 nm)/ ZnO(30 nm)/(0001) Al2O3 ,полученных с
использованием тонкого буферного и релаксационного слоя толщиной 30 нм ,
измеренное значение мин снижается до 3.3% указывая на значительное улучшение
структуры и релаксацию в ней механических напряжений. Пленки ZnO полученные
в трехступенчатом процессе ИЛН толщиной 1.2-1.4 мкм имели максимальную
электронную подвижность. Рисунок 3,а показывает воспроизводимость электронной
подвижности для трехступенчатого процесса ИЛН в зависимости от концентрации
носителей пленок ZnO на подложке (0001)Al2O3 .Более 50 % пленок, полученных
при одних и тех же параметрах ИЛН показывают холловскую подвижность от 115
до 155 см2/Вс при комнатной температуре с концентрацией носителей от 2 до
51016 см-3. Уменьшение подвижности с уменьшением концентрации свободных
носителей связано с возрастанием концентрации компенсирующих акцепторов ,
приводящих к уменьшению концентрации свободных носителей. Понижение
14
подвижности с возрастанием концентрации носителей возле максимума связано с
увеличением числа электрически активных границ зерен .
Картины дифракции быстрых электронов на отражение ZnO пленок на подложках
(0001) Al2O3 для направлений [2110] и [1100] приведены на рис. 1а,б.
а)
б)
Рис.1 Картины дифракции быстрых электронов: а)дифрактограмма пленки ZnO (30
nm)/ ZnO (1200 nm)/ ZnO(30 nm)/(0001) Al2O3
, направление [2110]; б)
дифрактограмма пленки ZnO (30 nm)/ ZnO (1200 nm)/ ZnO(30 nm)/(0001) Al 2O3 ,
направление [1100]
Вид дифрактограмм повторяется ровно через 60° при вращении подложки вокруг
оси перпендикулярной поверхности, что свидетельствует о гексагональной
структуре эпитаксиальной пленки с осью с перпендикулярной поверхности.
Слившиеся в линии рефлексы, которые видны на рис.1 а,б, cвидетельствуют о
двумерном механизме роста и гладкой морфологии поверхности. Неровность
поверхности эпитаксиальной пленки ZnO, измеренная микропрофилометром Sloan
DEKTAK 3030 для оптимального режима осаждения , составила (0.7-1.1) нм.
Измерения методом атомно-силовой микроскопии показали слоевой рост и высокую
гладкость поверхности (менее 1 нм) пленок ZnO(1 мкм)/ ZnO(30 нм)/ ZnO(1 мкм)/
ZnO(30 нм)/(11-20)Al2O3 (рис.2а). Исследования методами высокоразрешающей
трансмиссионной микроскопии показали, что пленки
ZnO на подложках
(0001)Al2O3 эпитаксиальны. Ориентационные соотношения плѐнки и подложки
следующие: [0001]ZnO  [0001] сапфира и [2110]ZnO  [1100]сапфира (рис. 2б).
Резкая граница раздела поверхности сапфира и пленки свидетельствуют о низком
количестве дефектов тонкого эпитаксиального подслоя, определяющего структуру
основного слоя. Для образцов ZnO , имеющих ширину пика
15
а)
б)
Рис. 2 : а)AFM изображение поверхности для пленки (атомно-силовой микроскоп)
ZnO(1 мкм)/ ZnO(30 нм)/ ZnO(1 мкм)/ ZnO(30 нм)/(11-20)Al2O3; б)изображение
границы раздела и дифрактограмма плѐнки ZnO на Al2O3 (0001), полученные
методом высокоразрешающей трансмиссионной электронной микроскопии
(0002)(XRD) 191 и 86 arcsec ( и -2 сканирование соответственно) линия
фотолюминесценции D0XA (3.3618 эВ) имеет полуширину 1.7 мэВ при 2 К (3,б).
Полученное в настоящей работе максимальное значение холловской подвижности
равное 155 см2/Вс для эпитаксиальных пленок ZnO (30 nm)/ZnO(1200 nm)/ ZnO(30
nm)/(0001) Al2O3
является рекордным для пленок ZnO на сапфировых
подложках(рис.3а).
а)
б)
Рис.3 -а)график зависимости электронной подвижности для многоступенчатого
процесса ИЛН в зависимости от концентрации носителей пленок ZnO на подложке
(0001)Al2O3 ; б)спектр фотолюминесценции для трехступенчатого процесса роста
ZnO пленок на подложках(0001)Al2O3
Основные характеристики пленок ZnO, допированных Ga,Al,Cd в таблице 2.
При толщине пленок 400 нм наблюдался максимум холловской подвижности.
Максимум холловской подвижности плѐнок ZnO:Ga2O3(0.5%) на Al2O3 (0001)
наблюдался при давлении кислорода 3x10-4 мбар. Зависимость оптического
пропускания пленок ZnO:Ga2O3 (0.5%) от длины волны показывает, что
пропускание легированных пленок T достигает 80 % , при этом пленка имеет
16
достаточно высокую подвижность  = 66 и низкое удельное сопротивление 3×10-3
Омсм. При увеличении содержания кадмия в пленках ZnO:CdO до 17 % ширина
запрещенной зоны пленок уменьшилась с 3.3эВ до 3.18 эВ.
Таблица2.1Основные характеристики пленок ZnO, допированных Ga,Al,Cd
Cостав
мишени
Полуширина
кривой
качания,
Сопротивление Концентрация
электронов
[ cm]
[cm--3]
Холловская
подвижность
[cm2/Vs]
ZnO (002)
Zn1Cd0.02O1..02
0.188
9510-1
21017
30
Zn1Ga 0.004O1.006
0.189
310-3
21019
66
Zn1Al
0.183
910-4
91019
65
0.008O1.012
В третьей главе нами изучен селективный рост решеток ZnO микро-и
нанокристаллов на сапфире методом импульсного лазерного напыления при
относительно высоком давлении аргона (5000-20000 Па) (рис.4). Основное
преимущество метода импульсного лазерного напыления - сохранение
стехиометрии состава при испарении многокомпанентных соединений, позволило
нам использовать данный метод для синтеза массивов из наностержней ZnO,
ZnO:Mg, ZnO:Mn,ZnO:Co. Двумерный механизм роста эпитаксиальных пленок,
протекающий при давлении 100 мкбар изменяется на смешанный двумерноодномерный рост слившихся микрокристаллов (диаметром 300 нм) при давлении 10
мбар и на преимущественно одномерный рост нанокристаллов при давлении 100
мбар. Особенности импульсного лазерного напыления связаны с процессами в
лазерном факеле, резко уменьшающемся в размерах при повышении давления
аргона. Вблизи мишени при этом возникают большие пересыщения адатомов и на
ориентированных подложках наблюдается ориентированный рост микро- и
нанокристаллов со скоростями до 10 нм/имп. На рис. 5а,б приведены изображения
микро-и нанокристаллов ZnO выросших на различных расстояниях мишеньподложка при давлении аргона 10000 Па. При увеличении расстояния мишеньподложка от 5 до 30 мм диаметр кристаллов ZnO уменьшается от 1500 нм до150 нм
(рис.3.2). Высота нанокристаллов 1.5-3.0 мкм при диаметре (30-100) нм и (20-100)
мкм для микрокристаллов диаметром 1.0-3.0 мкм. Наностержни и микрокристаллы
селективно вырастают на участках покрытых тонким слоем (1-2 нм) Au.
Одномерному росту нанокристаллов ZnO способствует как Повышенная скорость
роста кристаллов над самоорганизованными расплавленными нанокаплями ZnO/Au
на поверхности сапфира при ~900C и высокая анизотропия использованных
подложек (0001) и (1120)Al2O3 способствует одномерному росту нанокристаллов
ZnO. Главными направлениями селективного роста микро- и нанокристаллов ZnO
на подложках (0001) и (1120)Al2O3 являются направления {0001} и {1120}.
17
Рис.4 Схема установки для роста нанокристаллов оксида цинка методом лазерного
напыления при высоком давлении аргона
На дифрактограмме наблюдаются только (002) и (004) рефлексы плоскостей ZnO
нанокристаллов , что свидетельствует об ориентации оси с кристаллов ZnO
перпендикулярно подложке. После оптимизации процесса роста ширина пика (002)
ZnO составила 0.066 (рис.6а). Хорошую взаимную ориентацию нанокристаллов
между собой в плоскости подложки подтверждают результаты -сканирования
рефлекса {1124} ZnO (рис.6б).
Мы исследовали также рост высокоориентированных в направлении оси с решеток
нанокристаллов ZnO на пленках GaN методом импульсного лазерного напыления
при высоком давлении аргона с использованием Au и NiO катализаторов.
Рис.5.а,б Влияние расстояния мишень-подложка и парциального давления аргона на
диаметр и энергию катодолюминесцентного пика MgxZn1-xO (0 x  25)
наностержней на сапфире.
18
а)
б)
Рис.6-а)рентгеновская дифрактограмма (-2) решетки нанокристаллов ZnO на
(0001)Al2O3 ; б)-сканирование асиметричного рефлекса {1124}ZnO.
На начальных стадиях роста наностержни ZnO на пленке GaN растут согласно
механизму роста пар-жидкость кристалл. На вершине нанокристаллов малых
диаметров можно видеть каплю катализатора-золота (рис.7а). Между пленкой GaN и
ZnO нанокристаллом наблюдается эпитаксиальная пленка ZnO , образовавшаяся до
начала роста наностержня. Однако на вершинах нанокристаллов диаметром
больше, чем 50-70 нм капли золота не наблюдаются (рис.7б). По-видимому, это с
большей неустойчивостью капли на плоской поверхности при высокой скорости
роста нанокристаллов с большим
диаметром. Проведенные нами методом
высокоразрешающей трансмиссионной электронной микроскопии исследования,
показали, что наностержни ZnO на GaN , выращенные с NiO катализатором
полностью свободны от дислокаций и имеют совершенную внутреннюю
структуру(рис.8а,б). Наностержни выросшие при температуре подложки Т = 570С
имеют диаметр 20 нм и плотность распределения по поверхности 109 /см2.
а)
б)
Рис.7-а) изображение (HTEM,400кВ) начальной стадии роста отдельного ZnO
нанокристалла на пленке GaN (катализатор Аu);б)изображение начальных стадий
роста ZnO наностержней
19
О низкой концентрации кислородных вакансий в наностержнях свидетельствуют
высокая интенсивность пика 3.3 эВ фотолюминесценции при комнатной
температуре в УФ области и очень слабый пик в видимой области (2.2-2.5 эВ).
Ширина эмиссионного пика краевого экситона D0X составляет 1.7 мэВ(T=2К),что
совпадает с аналогичным результатом для высококачественных эпитаксиальных
пленок ZnO, полученных нами методом многоступенчатого импульсного лазерного
напыления.
В нашей диссертационной работе был разработан новый метод лазерного
напыления решеток из ZnO наностержней на сапфире при высоком давлении
аргонапо самокаталитическому механизму при низкой температуре. При энергии
лазерных импульсов Eи = 650 мДж и низкой частоте следования лазерных
импульсов ( fсл=1Гц) растут наностержни с большим разбросом диаметров (100-500
нм), и невысокой плотностью (Рис. 9а).
а)
б)
Рис.8 а)SEM изображение нанокристаллов ZnO на GaN/ (111)Si (Катализатор –
NiO);б)изображение отдельного ZnO нанокристалла NiO/GaN/ (111)Si
С увеличением частоты следования лазерных импульсов (fсл до 10Гц) происходит
увеличение плотности пара ZnO , что приводит к повышению плотности ZnO
наностержней до 2.5109/ см2(Рис. 9б). Уменьшение температуры синтеза до 580С и
снижение энергии лазерных импульсов до 500 мДж приводит к уменьшению
среднего диаметра полученных наностержней до 30-35 нм (рис. 10а). Массивы
наностержней оксида цинка диаметром 8-15 нм и длиной 250-300 нм (рис. 10б)
получены снижении при температуры синтеза до 550С. На концах наностержней
нами не наблюдалось застывших капель, характерных для механизма ПЖК. Рост
наностержней ZnO без специально нанесенных катализаторов роста происходит
при давлении аргона 100 мм рт. ст. на расстояниях  2 см от поверхности мишени из
оксида цинка. Расстояние разлета наночастиц цинка при испарении ZnO в
атмосфере аргона приблизительно совпадает с расстоянием на котором наблюдается
рост наностержней . Поэтому , по-видимому, наночастицы цинка являются
центрами зарождения наностержней оксида цинка по механизму ПЖК.
20
а)
б
Рис. 9 -а) SEM изображение ZnO нанокристаллов на (1120) сапфире (Par = 100 мбар
,Tп =580, L=20 мм )при fсл = 1 Гц; б) рост наностержней (Par = 100 мбар ,Tп =580,
L=20 мм )при fсл = 10 Гц
а)
б)
Рис.10- а ) SEM изображение ZnO наностержней (Eи = 500 мДж, fсл = 10 Гц ,Par =
100 мбар , L=20 мм) при Tп =580С (диаметр наностержней 30-35 нм) ; б) SEM
изображение ZnO наностержней (Eи = 500 мДж, fсл = 10 Гц ,Par = 100 мбар , L=20
мм) при Tп =550С (диаметр наностержней 8-15 нм)
В четвертой главе приведены результаты исследований по созданию новым
методом импульсного лазерного напыления одномерных наногетероструктур на
основе оксида цинка.
Для создания наногетероструктур – наностержней , покрытых эпитаксиальной
пленкой ZnMnO или ZnCoO сначала методом импульсного лазерного напыления
были синтезированы наностержни ZnO при высоком давлении аргона(Рис.11а) .
Затем эпитаксиальные пленки ZnMnO(ZnCoO) выращивались на поверхности
наностержней оксида цинка методом теневого внеосевого импульсного лазерного
напыления при повышенном давлении кислорода (Рис.11б).
21
а)
б)
в)
Рис. 11-а) схема лазерного синтеза наностержней; б) схема теневого внеосевого
лазерного напыления пленок ZnMnO/ZnO; в) изображение поверхности
наностержней оксида цинка, покрытых пленкой Zn0.9 Mn0.1O
Поверхность наностержней оксида цинка, покрытых пленкой Zn0.9 Mn0.1 O при
давлении кислорода 0.3 мБар и температуре T=530 С за 3000 лазерных импульса,
представлена
на
рис.11в.
Исследования
методом
высоразрешающей
трансмиссионной микроскопии показали (Рис.12),что толщина эпитаксиальной
пленки Zn0.9Mn0.1O на поверхности ZnO наностержней составляет 2 нм.
Распределение Mn представлено красным цветом, а кислорода O-зеленым цветом.
22
Рис.12-Изображение наностержня оксида цинка, покрытого пленкой Zn0.9 Mn0.1 O,
полученное методом трансмиссионной электронной микроскопии.
При использовании метода теневого внеосевого лазерного напыления для
осаждения эпитаксиальной пленки Zn0.85Сo0.15O на поверхности ZnO наностержней
скорость роста пленки Zn0.85Сo0.15O у основания наностержней оксида цинка
основания меньше, чем на вершине стержня (Рис.13а). Нами установлена
возможность уменьшать плотность наностержней на поверхности подложки за счет
уменьшения толщины пленочного подслоя. Температура синтеза ZnO наностержней
была снижена до 580С для улучшения условий монокристаллического роста за счет
использования низкотемпературного катализатора –тонкой пленки оксида никеля.
Исследования методом трансмиссионной электронной микроскопии показали, что
на поверхности наностержней ZnO сформировалась пленка ZnCoO (Рис.13б.). ZnO
наностержни имеют монокристаллическую структуру и полностью свободны от
дислокаций.
а)
б)
Рис. 13-а) изображение наностежней оксида цинка , покрытых пленкой Zn0.85Сo0.15O
выращенных на подложке (11-20)Al2O3 ; б)изображение наностежней оксида цинка
, покрытых пленкой Zn0.85Сo0.15O,полученное методом высокоразрешающей
трансмиссионной электронной микроскопии.
В данной главе приведены также результаты исследований по созданию массивов
ZnO наностержней с тонкопленочной квантовой ямой ZnMgO/ZnO/ZnMgO на
конце. В начале методом импульсного лазерного напыления были выращены
высокоориентированные решетки из наностержней оксида цинка.Температура роста
23
при этом составляла 820°С, диаметр наночастиц коллоидного золота - 10 нм.
Тонкопленочные барьерные слои Zn 0.9Mg0.1 O и слой ZnO квантовой ямы
выращивались методом ипульсного лазерного напыления при давлении кислорода
0.016 мбар и температуре подложки 670°С. На рисунке 14а представлена структура
отдельного наностержня с квантовой ямой Zn 0.9Mg0.1 O /ZnO /Zn 0.9Mg0.1 O на конце.
Буфферный слой ZnO выращивался за 200 лазерных импульсов (25 нм) перед
напылением тонкопленочной структуры квантовой ямы на вершине наностержней.
Нижний барьерный слой Zn 0.9Mg0.1 O осаждался за 600 лазерных импульсов (80
нм).Слой ZnO квантовой ямы получен за 11-17 лазерных импульсов (2 нм). В конце
напылялся второй барьерный слой Zn 0.9Mg0.1 O за 250 лазерных импульсов (30 нм).
Изображение поверхности во вторичных электронах ZnO наностержней на aсапфире с тонкопленочной структурой квантовой ямы Zn 0.9Mg0.1 O /ZnO /Zn 0.9Mg0.1
O на конце представлено на рисунке 14б.
При комнатной температуре в катодолюминесцентном спектре доминирует
эмиссионный пик квантовой ямы Zn 0.9Mg0.1 O /ZnO /Zn 0.9Mg0.1 O (Рис.15а) с
энергией около 3.6 эВ. Ясно видны эмиссионные пики свободного экситона ZnO с
энергией 3.3 эВ и эмиссионного пика барьерного слоя Zn 0.9Mg0.1 O с энергией 3.75
эВ. При температуре 4 K в спектре катодолюминесценции доминирует
эмиссионный пик квантовой ямы Zn 0.9Mg0.1 O /ZnO /Zn 0.9Mg0.1 O с энергией 3.44 эВ
(Рис.15б) и также наблюдаются эмиссионный пик с энергией 3.37 эВ от объемного
ZnO и эмиссионный пик с энергией 3.72 от слоя Zn 0.9Mg0.1 O.
а)
б)
Рис. 14- а)схематичное изображение структуры отдельного наностержня с
квантовой ямой Zn 0.9Mg0.1 O /ZnO /Zn 0.9Mg0.1 O на конце; б) SEM изображение ZnO
наностержней с тонкопленочной структурой квантовой ямы Zn 0.9Mg0.1 O /ZnO /Zn
0.9Mg0.1 O на конце
24
а)
б)
Рис. 15-а)Спектр катодолюминесценции ZnO наностержней на a-сапфира с
тонкопленочной структурой квантовой ямы Zn 0.9Mg0.1 O /ZnO /Zn 0.9Mg0.1 O на
конце полученный при T=295 K ; б) Спектр катодолюминесценции того же образца
при Т = 4 К.
На верхней части рис.15б приведены изображения светящихся частей наностержня
полученные при монохроматичном катодолюминесцентном сканировании ZnO
наностержней с тонкопленочной структурой квантовой ямы Zn 0.9Mg0.1 O /ZnO /Zn
0.9Mg0.1 O на конце для энергий соответствующих максимумам этих пиков при
температуре T=4 K.
Катодолюминесцентными измерениямиустановлено, что что при комнатной
температуре люминесценция квантовой ямы ZnO/MgZnO/ZnO значительно
превосходит интенсивность люминесценции экситонного пика ZnO .
В пятой главе
В параграфе 5.1 приведены результаты исследований по созданию оптических
плазмонных наноантенн на основе массивов наностержней ZnO , покрытых тонкой
пленкой серебра. Предложена новая конструкция оптической антенны – ZnO
наностержень, покрытый тонкой металлической пленкой. Массивы наностержней
ZnO одинаковой длины получены в модифицированной системе карботермического
на подложках из (0001)Al2O3 с эпитаксиальным подслоем ZnO толщиной ~200 нм,
нанесенным методом лазерного напыления. Рост наностержней ZnO с
использованием слоя медного катализатора толщиной 0.5 нм проходил в атмосфере
аргона (поток аргона 20 см3/мин , PAr = 1 атм). При синтезе температура подложек
составляла ~820°C, время синтеза – 35 мин. Методом магнетронного распыления
наностержни ZnO были покрыты слоем серебра толщиной 20-40 нм. .Электронное
изображение массивов наностержней ZnO длиной 3–6 мкм, диаметром 50–100 нм и
толщиной серебряного покрытия 40 нм, приведены на рис. 16,с. Спектры
оптической плотности – экстинкции (D = - ln(I/I0)) измерялись на спектрофотометре
УФ-видимого-ИК диапазона Varian в интервале длин волн 0.2 – 3 мкм в режиме
вычитания оптической плотности подложки.
25
Решены задачи дифракции электромагнитных волн на одиночном металло диэлектрическом нановибраторе, расположенном на границе раздела диэлектриков
и на двумерно-периодической решетке нановибраторов. Для теоретических
исследований
использовалось
строгое
решения
объемного
интегродифференциального
уравнения
регулярной
двух-периодической
решетки
нановибраторов. Декартовые компоненты напряженности электрического поля
Er ( x, y, z ) внутри диэлектрической неоднородности являются неизвестными в
интегро-дифференциальном уравнении. Объемные интегро-дифференциального
уравнения имеют ряд преимуществ: они более простые, неоднородность и
нелинейность диэлектрика не усложняет существенно решение, в результате
решения непосредственно находится электрическое поле в диэлектрике.
В спектре экстинкции массива наностержней средней длиной 0.7 мкм после
нанесения слоя Ag толщиной 20 нм наблюдалось до пяти дополнительных
максимумов, отсутствующих в спектре экстинкции непокрытого массива, в
спектральном диапазоне 400 – 2600 нм (рис.16 a). Эти спектральные особенности
можно отнести к плазмонным резонансам массива нановибраторов. Уровень
оптической плотности при этом снижается приблизительно втрое. В спектре
экстинкции массива стержней средней длиной 1.8 мкм после нанесения слоя Ag
наблюдается до четырех дополнительных максимумов плазмонных резонансов
массива нановибраторов в вышеуказанном спектральном диапазоне, а уровень
оптической плотности снижается приблизительно вчетверо (рис. 16, b). Для массива
более длинных стержней максимумы намного более размытые и менее
интенсивные, нежели для массива более коротких наностержней.
На кривых полученных из эксперимента и рассчитанных теоретически для НВ
длиной 0.7 мкм число резонансов больше, чем число резонансов одиночного
НВ(Таблица 3). Часть резонансных длин одиночного НВ близки к резонансам
решетки НВ. Эти резонансы можно интерпретировать как резонансы самих НВ, т.е.
резонансы волн бегущих по НВ. Другие - как резонансы волн распространяющихся
вдоль решетки, перпендикулярно НВ. Для одиночного НВ и решетки НВ
резонансные длины волн продольных резонансов различны из-за взаимодействия
между НВ. Кроме того, для одиночных нановибраторов теоретическая
электродинамическая модель менее строгая, чем для решетки нановибраторов. В
коротковолновой области имеется большое количество высокодобротных
резонансов. У короткого стержня число резонансов меньше, чем у длинного
стержня, что справедливо для всех вибраторов, в том числе радиодиапазона.
26
с)
Рис.16- а) экспериментальные спектры экстинкции массивов стержней ZnO средней
длиной 0.7 µm– (a) и 1.8 µm (– (b) до и после нанесения слоя Ag. На вставке –
экспериментальные результаты в большем масштабе; с)SEM-микрофотография
массива стержней ZnO средней длиной 1.7 мкм, покрытого слоем серебра толщиной
40 нм.
Сравнительная таблица 3 положения максимумов для оптической наноантенны
Ag/ZnO,
полученных из теоретических расчетов и экспериментальных
исследований
h=
0.7
мкм
h=
1.8
мкм
Спектральное положение максимума (нм)
Эксперимент Теоретический расчет
для массива из Ag/ ZnO
наностержней
500
550
650
890
900
1060
1120
1340
1500
1600
640
700
820
1000
1250
1250
1600
1720
Теоретический расчет
одиночного Ag/ ZnO
наностержня
620
880
1100
1370
620
720
800
1000
1100
1250
1750
В параграфе 5.2 нами наблюдались зависящие от размера резонансной полости
моды типа шепчущей галереи в видимой области спектра в диэлектрических
наноразмерных ZnO резонаторах с с гексагональным поперечным сечением для
полостей резонаторов с диаметрами сравнимыми с длиной волны света. Параметры
резонаторов образованных в поперечном сечении наноиглы были изучены в
зависимости от их диаметра . Это позволяло систематически изучить моды типа
шепчущей галереи резонаторов с уменьшающимся диаметром в нанометровом
27
диапазоне. Простая модель интерференции волн в поперечном сечении
описывающая спектральные позиции и ширины мод находится в хорошем
соответствии с экспериментом. На рисунке 18 схематично показана гексагональная
резонансная полость-диэлектрический гексагон окруженный воздухом. Вычисления
резонансных мод типа шепчущей галереи , были проведены числено. Если
показатели преломления имеют спектральную зависимость , как в случае ZnO, эта
процедура имеет интерес для нескольких диаметров полости резонатора на всех
длинах волн. Простая модель плоских волн была модифицирована для
теоретических исследований . Это модель интерференции световых волн, если
имеется одна полная циркуляция внутри резонатора.
Для получения
конструктивной интерференции полный сдвиг фазы волны вдоль пути луча
составляет кратное 2 , т.е. при многократном прохождении волны возникает
стоячая волна. Это делает возможным поляризационно-зависимый фазовый сдвиг
во время процесса множественных отражений от границ резонатора, что достигается
согласно формуле (2):
(2)
Рис.18.Свет заключенный внутри гексагонального поперечного сечения
предположительно циркулирует внутри резонаторной полости как показано белыми
стрелками.
Показатель преломления ZnO для света в видимом диапазоне варьируется около n 
2. Поэтому, минимальный критический угол полного внутреннего отражения
приблизительно 30. Угол соответствующий циркулирующему свету 60 ,
следовательно, режим полного внутреннего отражения легко достигается.
Геометрия резонаторной полости может быть описана радиусом внутреннего круга
Ri , радиусом описанного круга R. Из геометрических соотношений
.
Окружность вписанная в белый гексагон имеет длину 6Ri . Фактор  касающийся
поляризации , т.е. Ec , =TM =1/n ; TE поляризация (Ec ) приводит к =TE = n.
Так как спектральная зависимость показателя преломления n = n(E) , формула 2 есть
полное уравнение для определения дискретных уровней энергии E=E N (Ri ) в
терминах геометрических параметров Ri ( рисунок 18). Постоянная Планка h и
скорость света в вакууме c. Первый множитель правой половины формулы 2
ответственный за длину волны в материале. Для N  1 характеризующего
интерференционный порядок резонанса, который в этом случае идентичен с
номером мод типа шепчущей галереи. Следовательно, условие содержащее 
сводится к сложению фазового сдвига упоминаемого ранее. Так как у ZnO ось с
28
перпендикулярна подложке , n = n (E) и n(E) , соответственно для ТМ и ТЕ
поляризации. Пренебрегая спектральной зависимостью n , формула 2 сводится к EN
 1/ Ri и сдвиг мод типа шепчущей галереи к более высоким энергиям с
уменьшением диаметра резонансной полости. Несмотря на полное внутреннее
отражение луча движущегося внутри резонатора , на углах гексагонов все-таки
имеет место выход излучения из резонатора . Следовательно, возможно оптическое
детектирование мод типа шепчущей галереи. Так как геометрическая модель
приводящая к формуле 2 есть комбинация базисных лучей и оптики плоских волн ,
то это применимо только для R  , т.е. N 1 . Во всяком случае мы показали в
нашей работе, что формула (2) описывает экспериментально полученные моды с
номером N = 1. Изображения полученные сканирующей электронной микроскопией
исследованных наноигл приведены на рисунке 19,а. Наноиглы были выращены
методом импульсного лазерного напыления при высоком давлении аргона.
Как можно видеть на рисунке 19b–19d, поперечное сечение наноиглы правильный
шестиугольник , непрерывно суживающийся к концу иглы. Нами наблюдались моды
типа шепчущей галереи в наноигле ZnO (рис. 19) даже при диаметрах D < λ/n ≈ 270
нм. Пространственно разрешенная катодолюминесценция (КЛ) ; то есть точечные
спектры КЛ регистрировались по всей длине иглы. Типичные спектры и их
интерпретация приведены на рисунке 20. Широкая полоса люминесценции в
видимой области спектра четко модулируется с различными спектральными
максимумами вдоль оси иглы. С уменьшением диаметра, при приближении к
верхней части иглы, эти максимумы непрерывно смещаются к более высоким
энергиям.
Рис.19- SEM изображение исследованных наноигл. Все изображения наблюдались
под углом 45. (a) SEM изображение решетки ZnO наноигл содержащее одну
исследованную наноиглу , выделенную черным прямоугольником. Маркер на SEM
изображении 10 мкм; (b) Увеличенное SEM изображение исследованной наноиглы.
Диаметр наноиглы непрерывно уменьшается к концу до нуля. (c) SEM изображение
высокого увеличения показывает гексагональное поперечное сечение наноиглы.
Маркер на SEM изображении 300 нм ; (d) Экспериментально определенные размеры
иглы. Определенные характеристики диаметра D в зависимости от позиции x .
Ширина видимой области ZnO между 1.8 и 2.9 eV модулируется максимумами
легко отличимыми от других и связанных с модами типа шепчущей галереи
29
определяемых согласно формуле (2). Так как радиус иглы убывает вдоль оси ,
спектральный максимум непрерывно сдвигается к более высоким энергиям как
показано красной прерывистой линией. Этот эффект дает однозначное
доказательство того, что измеренная спектральная модуляция фактически возникает
из шепчущих мод . Нами установлено, что моды типа шепчущей галереи
предпочтительно ТМ поляризованы, как показано на рис.21. По сравнению с
модами TE, моды ТМ, очевидно, имеют более низкие потери. Чтобы сравнить
измеренные энергии мод типа шепчущей галереи с теоретически предсказанными
для обоих типов поляризации, было проведено сканирование спектральной линии
вдоль продольной оси иглы, результаты которого представлены на рис.20а.
Резонансы появляются в виде набора светлых линий, в оттенках серого, которые на
самом деле обладают кривизной, как и ожидались из уравнения (2).
Рис.20 - Спектрально-разрешенная катодолюминесценция исследованной ZnO
наноиглы, (a) катодолюминесцентные спектры смещенные вертикально для
правильной интерпретации собственных эквидистантных положений на игле вдоль
оси , показанных белыми точками на рисунке 21б ; (b) экспериментально
определенные размеры наноиглы; (c) карта резонансных энергий в видимом
диапазоне спектра; (d) Линия сканирования вдоль белой линии показанной на
рисунке
(c)
Красная
прерывистая
линия
показывает
максимум
неструктурированной полосы в видимой области спектра.
Для расчета резонансов согласно уравнению (2) мы используем экспериментально
определенные значения n||(E) и n┴(E), измеренные эллипсометрически для сориентированной тонкой пленки ZnO, выращенной при помощи импульсного
лазерного напыления (ИЛН). Теоретические значения показаны точками и
поперечные символы на рисунке 20 . Точки (TM) имеют очень хорошее согласие с
измеренными резонансными энергиями. Кроме того, хорошо согласующиеся синие
стрелки на рис. 22 подтверждают, что модель интерференции волн хорошо
описывает основную физику мод типа шепчущей галереи даже в наноразмерных
кристаллических геометриях в пределах ширины резонансных линий.
30
Рис.21- Спектр микрофотолюминесценции наноиглы показанной на рисунке 21 для
диаметра D=790 нм двух различных поляризаций.
Модуляция полосы видимой области спектра почти исчезает, если детектируют TE
моду. Это свидетельствует ,что резонансы TM поляризованы. Вставка показывает
отношение P=(ITM-ITE)/(ITM+ITE), позволяя визуализировать различные TM- пики
мод типа шепчущей галереи.
Рис.22- Двумерная
диаграмма зарегистрированного спектра вдоль линии
сканирования вдоль продольной оси иглы. Левая вертикальная ось показывает
позицию x на линии сканирования; правая ось соответствующее значение диаметра
иглы D. Серая шкала цвета соответствует интенсивности катодолюминесценции.
Спектральные максимумы , т.е. измеренные энергии шепчущих мод , появляются
как яркие полосы от нижнего левого угла до правого верхнего. С уменьшением
диаметра все резонансы сдвигаются к более высоким энергиям. Белые точки дают
теоретически рассчитанные их формулы 2 значения TM-резонансов энергии; белые
крестики показывают рассчитанные значения для TE поляризации.
Нами проанализировать моды типа шепчущей галереи в гексагональных наноиглах
оксидах цинка для номеров мод в диапазоне от N = 1 до N = 6. Энергетический
сдвиг и уширение мод с уменьшением диаметра резонатора до нуля хорошо
описывается по формуле 2 из модели плоской волны.
В параграфе 5.3 нами были исследованы фотоэлектрические характеристики
структуры с двойным барьером Шоттки металл-полупроводник-металл(МПМ) на
основе массивов наностержней ZnO . Наностержни ZnO с низким содержанием
31
дефектов по кислороду были получены нами методом химического осаждения из
газовой фазы путем термического испарения металлического цинка без
использования катализаторов (рис.23 а ). Синтез проводился в атмосфере смеси
газов аргона (поток - 240 см3/мин) и кислорода (поток - 8 см3/мин) при давлении 15
мБар и температуре подложки 600°С и различных расстояниях от открытого конца
трубки малого диаметра(рис. 23б). Созданная нами структура Au/ZnO(наностержни)
/ZnO(пленка) /ZnO(наностржни) /Au с двумя барьерами Шоттки схематически
показана на рис.24 а. Спектры фотолюминесценции образцов полученных
посредством газотранспортного синтеза из паров Zn (при 600°С в потоке Ar и O2)
показывают, что наностержни имеют интенсивный экситонный пик ZnO в УФ
области спектра фотолюминесценции (около ~380 нм) и широкий зеленый пик,
соответствующий дефектам по кислороду (рис. 24б).
а)
б)
Рис.23-а)схема установки газотранспортного синтеза из паров цинка наностержней
ZnO; б) SEM изображения и ФЛ спектры наностержней ZnO, на различных
расстояниях l до ближайшего открытого конца трубки: 45 мм, 40 мм, 35 мм
На рисунке 25а показано, что MSM структуры имеют высокую
светочувствительность в УФ области (~325 нм) – 563 мА/Вт, и на порядок величины
более низкую в зеленой области (~518 нм) – 67,6 мА/Вт. Временное разрешение
фотоотклика, полученной нами MSM структуры с наностержнями ZnO, показано на
рис.25б . При засветке лазерным импульсом длительностью 10 нс с длиной волны
355 нм и приложенным напряжением обратного смещения 5В, время фотоотклика
составило ~ 1 мкс. Время релаксации до полуширины максимума ~ 10 мкс.
Нами также исследованы фотоприемники на основе наностержней оксида цинка
металл-полупроводник-металл видимого диапазона (конструкция представлена на
рис.24а) на основе наностержней оксида цинка, полученных методом
карботермического синтеза без использования предварительно осажденных
катализаторов роста(26, а.). На рис. 26,б представлены SEM фотографии одного из
образцов.
Спектры
фотолюминесценции
наностержней,
полученных
посредством
карботермического метода, выращенные в чистом потоке Ar и при высокой
температуре (~950°С) имеют интенсивный зеленый и слабый УФ пики
32
люминесценции (рис.27,а). Это связано с тем, что при высокой температуре и
обедненной кислородом атмосфере выращенные наностержни ZnO имеют больше
структурных дефектов, связанных с кислородными вакансиями, чем в
газотранспортном методе синтеза из чистого цинка (Т~600°С). Структуры,
полученные
карботермическим
методом,
показывают
селективную
чувствительность
в
видимой
области
спектра
(рис.27,б).
Значения
светочувствительности составили 21,9 мА/Вт и 154 мА/Вт в УФ и зеленой области
спектра, соответственно, при напряжении обратного смещения 5В.
а)
б
Рис.24-а)схематическое изображение структуры с двойным барьером Шоттки:
металл-полупроводник-металл; б) Спектры фотолюминесценции наностержней
ZnO, полученных газотранспортным методом из паров цинка
а)
б)
Рис.25 - а) ВАХ MПM структуры из
наностержней ZnO полученных
газотранспортным методом паров цинка (температура синтеза 600°С); б)времяразрешенный фотоотклик от МПМ структуры из наностержней ZnO при засветке
лазерным импульсом длительностью 10 нс с длиной волны 355 нм.
33
а)
б)
Рисунок 26 - а)схема установки карботермического синтеза наностержней ZnO;
б)SEM изображение наностержней ZnO, полученных карботермическим методом
без использования предварительно осажденных катализаторов
а)
б)
Рис.27- а)спектр фотолюминесценции наностержней ZnO, полученных
карботермическим методом синтеза без использования катализаторов; ВАХ MSM
структуры, наностержни ZnO которой получены посредством карботермического
синтеза (температура синтеза 950°С)
В параграфе 5.4 нами продемонстрирован новый подход к усилению
чувствительности существующих ZnO/LiNbO3 ПАВ фотодетекторов УФ и видимого
диапазона . В отличие от ранее использованных подходов для ПАВ детекторов света
мы использовали вторые, третьи и более высокие отражения ПАВ для регистрации
низкой интенсивности света. Мы также продемонстрировали, что свойства
электрофизические и оптические свойства ZnO пленок определяют быстродействие
и чувствительность УФ ПАВ фотодетектора.
ZnO пленки были осаждены на центральную часть (1 2)см2 LiNbO3 YX-128
подложки импульсным лазерным напылением при давлении кислорода (2-5)×10-2
мбар и температуре (500-550)С. Мы использовали две подложки из LiNbO3 YX128 с однонаправленным встречно-штыревом преобразователем на каждой для
возбуждения ПАВ и приема сигнала, соответственно. Исследуемый образец
ZnO/LiNbO3 YX-128 монтировался на концах двух подложек как показано на
рис.28. Встречно-штыревые преобразователи имели центральную частоту 120,7
МГц.
34
При поглощении ультрафиолетового света структурой ZnO/ LiNbO3 в пленке ZnO
генерируются дополнительные свободные носители. Изменение скорости ПАВ (  )
и ослабление интенсивности волны (Γ) вызванных акустоэлектронным
взаимодействием определяются как :

0

k ef2
1
2 1  /
2
где λ, σ, k ef2 
2
m
   / m
  k ef2  
2
2
  1  / m
,(3)
e02
 1 и σm=ωmεε0 обозначают длину волны ПАВ, поверхностную
c
проводимость ZnO пленки , коэффициент электромеханической связи и константы
материала. Если поверхностная проводимость ZnO пленки σm имеет минимум
уровень ослабления ПАВ ( Γ) достигает максимума.
Исходное поверхностное сопротивление ZnO слоя для Образца А выращенного при
500 °С составляет ~6.75×103 Ом∙см и в несколько раз выше ,чем для образца В
(1.375×103 Ом∙см) полученного при температуре 550 °С. Амплитудно –частотная
характеристика (S21) ZnO/ LiNbO3 ПАВ фотодетектора приведена на рисунке 29,а.
Рис.28-а)схема экспериментального
фотоприемника
исследования
параметров
ПАВ
УФ
Преобразованная с помощью Фурье преобразования S21
характеристика ПАВ
детектора показана на рисунке 29,b. Главный пик задерживается на 14.3 мкс в
соответствии
с
временем
прохождения
между
встречно-штыревыми
преобразователями. Если ПАВ отражается от ВШП второе, третье и более высокого
порядка отражения наблюдаются при 28.4 мкс, 42.6 мкс и т.д.
Отражение ПАВ проходящей через образец А с низкой проводимостью ZnO слоя
очень слабое и детектируется до 7 ПАВ отражений как показано на рисунке 28b. В
двух противоположных случаях ослабление пиков отражения при высоких и низких
интенсивностях УФ света 280 и 2.8 мВт/cм2 приведено на рисунке 28,b и 28,c.
Пики отражений , соответствуюшие прохождению ПАВ через образец представлены
на рисунке 29,d. Если интенсивность света большая и составляет 280 мВт/cм2
35
первый пик S21 после Фурье преобразования ослабляется на ~30% и соответствует
измеряемой мощности УФ света как показано на рисунке 29,b. Для низкой
интенсивности 2.8 мВт/cм2 первый пик при 14.3 мкс не изменяется и не может
больше использоваться для детектирования света. По-прежнему, ослабление ПАВ
отражений более высоких порядков может использоваться для мониторинга
интенсивности света.
К примеру ,ослабление ~27% и ~60% для второго и
седьмого отражений ПАВ были детектированы как показано на рисунке 29,d .
Рис. 29- а)Частотный отклик (S21) от ZnO/ LiNbO3 ПАВ детектора (образец A) в
темноте (красный) и при освещении УФ светом на = 325 нм и интенсивности 280
мВт/cм2 (синий) ; б) преобразованные с помощью Фурье преобразования S21
характеристики с (красный)/без (черный)УФ света интенсивностью 280 мВт/cм2 , с)
с интенсивностью света 2.8 мВт/cм2 ; d) ослабление пиков переотраженных сигналов
Для измерения кинетики фотоэлектрического отклика ZnO пленки УФ ПАВ сенсора
мы измерили кинетику изменения сопротивления при возбуждении импульсом
длительностью 15 нс третьей гармоники (=355 nm) YAG:Nd лазера (23мДж/cм2 ).
Быстрая и медленная компоненты составляют τ медл =0.14±0.08 мс и
τ
быстр=1.3±0.01мс, соответственно) . Время восстановления на несколько порядков
короче чем для существующих в настоящее время фотодетекторов, для которых
время восстановления составляет 2.4-30 с .
В разделе 5.5 приведены результаты исследований по созданию ПАВ сенсора СО ,
который представляет собой линию задержки (ЛЗ) на поверхностных акустических
волнах (ПАВ), имеющую два встречно-штыревых преобразователя (ВШП), причем,
первый соединен с приемо-передающей антенной и второй ВШП - отражательный
, нагруженный на сопротивление чувствительного элемента сенсора (Рис. 30,а).
Однонаправленные ВШП,
имеющие центральную частоту 95 МГц, были
36
изготовлены на подложках YX/128° -среза ниобата лития. Чувствительным
элементом к адсорбции монооксида углерода были массивы наностержней оксида
цинка, полученных лазерным синтезом (рис.31а). На Рис.30,б показана
экспериментально исследованная зависимость коэффициента отражения ВШП от
величины активной нагрузки.
Рис. 30- а)ПАВ сенсор СО; б)- Зависимость коэффициента отражения от величины
нагрузки подключаемой к ВШП
Нами создана новая конструкция чувствительного элемента из параллельно
соединенных наностержней оксида цинка, имеющих общее сопротивление в
диапазоне линейного участка коэффициента отражения ВШП (рис.30,б), за счет
изменения площади верхнего электрода. Конструкция чувствительного элемента
ПАВ сенсора показана на рис. 31,б. Верхний электрод 9 (рис.31,б) наносится
непосредственно на решетку наностержней оксида цинка 10, выращенных на
буферном подслое оксида цинка 11 с целью улучшения вертикальной ориентации
наностержней 10. Нижний золотой электрод 13 осаждался на подслой оксида цинка
11, который выступает слева из-под наностержней 10. Нами использовали метод
фотолюминесценции для оптимизации температуры синтеза(915°С) наностержней
ZnO с максимальной дефектности по кислороду и , как следствие, высокой
чувствительностью к адсорбции СО.
а)
б)
Рис. 31- а)SEM изображение массива ZnO наностержней, выращенных методом
ИЛН; б) конструкция чувствительного элемента ПАВ сенсора
37
Коэффициенты отражений от ВШП определялись по частотной зависимости
импеданса ВШП с последующим Фурье-преобразованием. Однако коэффициент
отражения от ВШП нагруженного на импеданс наностержней оксида цинка зависит
от концентрации СО. В следствие этого , величина изрезанности параметра S11 будет
также зависеть от концентрации СО (рис.32,а). После Фурье преобразования
частотной зависимости на импульсном отклике становится отчетливо виден пик
отражения ПАВ от отражательного ВШП, нагруженного на импеданс, величина
которого изменяется в результате адсорбции CO (Рис. 32,б).
а)
б)
\
Рис.32-а)Частотная зависимость параметра S11; б) Зависимость от времени разности
откликов ПАВ датчика, при Т=250 °С без СО и через 8 мин после напуска СО,
нормированных относительно разностного отклика снятого в конце 1 минуты после
напуска СО. Концентрация СО 1000 ppm.
В параграфе 5. 6 приведены результаты исследований по развитию метода
импульсного лазерного напыления эпитаксиальных пленок высокотемпературного
сверхпроводника (ВТСП) YBa2Cu3O7-x и исследованию поверхностного
сопротивления полученных сверхпроводящих плѐнок YBa2Cu3O7-x в СВЧ диапазоне
Нами предложен метод одноступенчатого двухстороннего теневого внеосевое
лазерное напыления сверхпроводящих пленок YBa2Cu3O7-x , позволяющий
существенно улучшить морфологию поверхности осаждаемых пленок и проводить
одновременное двухстороннее напыление пленок ВТСП на подложки с низкими
потерями в СВЧ диапазоне. Способ объединяет преимущества внеосевого лазерного
напыления и теневого лазерного напыления. Возможность проводить
одновременное двухстороннее напыление пленок ВТСП , используя метод теневого
внеосевого лазерного напыления, является особенно важным при изготовлении
пассивных СВЧ устройств, имеющих две сверхпроводящие токоведущие
поверхности. Пленки YBa2Cu3O7-x , были получены на подложках (001)MgO
размером 1.01.00.5 см. Излучение лазера на YAG:Nd (  = 1.06 мкм ,и = 15 нс,
fсл=12,5 Гц) фокусировалось на поверхности керамической мишени из YBaCuO
стехиометрического состава(рис.33). Для увеличения площади осаждения в данной
работе лазерное излучение дополнительно сканировалось по поверхности мишени
вдоль линии параллельной широкой стороне маски.
38
Рис.33. Блок схема одноступенчатого двухстороннего теневого внеосевого
лазерного напыления сверхпроводящих пленок YBaCuO, совмещенная с in situ
время -пролетной оптической спектроскопией лазерного факела
Для оптимизации положения маски относительно подложки и давления кислорода
во время напыления и положения теневой маски относительно подложки
использовалась in situ оптическая диагностика лазерного факела.
Для оптимизации расстояния мишень-подложка , плотности мощности лазерного
излучения и кислородного давления нами проводились оптико-спектральные
исследования плазменного факела. Схема эксперимента приведена на рис.33. Для
оптимизации расстояния от мишени до маски использовалась зависимость от
расстояния светимости линий окислов YO (λ = 601.9 нм). Установлено ,что при
давлениях кислорода 10-1 мм. рт. ст. на осциллограмме светимости имеются два
максимума. С понижением давления кислорода от 8×10-1 мм. рт. ст. до 5×10-2 мм. рт.
ст. второй максимум на осциллограммах светимости постепенно уменьшается и при
ρ(О2) < 5×10-2 мм. рт. ст. исчезает. Первый максимум на кривой интенсивности
окислов YO (λ = 601.9 нм) связан с их испарением непосредственно из мишени . А
второй максимум связан с рекомбинационными процессами при взаимодействии
иттрия, распространяющегося в плазме, с кислородом. Анализ осциллограмм
позволяет сделать вывод, что по мере продвижения плазменного факела происходит
торможение компоненты окислов YO, вылетающих с поверхности мишени, и
одновременное повышение доли компоненты YO,
связанной с процессом
рекомбинации иттрия и кислорода. Интенсивность второго пика YO
(λ = 601.9
нм) имеет максимум на расстоянии 2 см от мишени. По-видимому, на этом
расстоянии заканчиваются рекомбинационные процессы формирования YO.
Концентрация YO на этом расстоянии максимальна. Эта информация позволяет
оптимизировать положение маски относительно мишени. Маска устанавливалась на
39
расстоянии 2 см от мишени. При этом над маской эффективность рассеяния
максимальна и скорость осаждения плѐнки за счѐт диффузного рассеяния при
столкновении атомов и молекул лазерного факела с молекулами кислорода
максимальна. Это расстояние также оптимально для получения пленок YBa2Cu3O7-x
стехиометричного состава.
Методом рентгеноструктурного
анализа установлено, что пленки
эпитаксиальны . В плоскости подложки имеет место четко выраженная ориентация
[100] YBa2Cu3O7-x  [100] МgO. На поверхности пленок отсутствуют микрокапли и
крупные осколки мишени характерные для прямых осевых методов импульсного
лазерного напыления. Измерения критических параметров пленок четырехзондовым
методом и методом магнитной восприимчивости показали, что пленки YBaCuO на
(001) МgO имеют следующие сверхпроводящие параметры: Tc ( R=0 ) =90 K,  Tc
=1 К , Jc = 3106 A/cm2 ( 77 K, B = 0 ). На подложке (100) LaAlO3 пленки YBaCuO
имеют следующие сверхпроводящие параметры: Tc(R=0)=90 K, Tc=(10-90%) = 1 K,
Jc=(5-7)x106 A/см2 ( 77 К, B=0).
Для
определения
поверхностного
сопротивления
полученных
сверхпроводящих плѐнок YBa2Cu3O7-x в СВЧ диапазоне нами была определена
добротность
плоскопараллельного
резонатора
,
образованного
двумя
сверхпроводящими пленками YBa2Cu3O7-x разделенными тонким диэлектриком.
Поверхностное сопротивление плоскопараллельного резонатора, образованного
сверхпроводящими пленками, расчитывалась исходя из формулы
Q = πμ0ƒs/Rs (1),
где μ0 –магнитная проницаемость в вакууме; s – расстояние между
сверхпроводящими поверхностями, ƒ – резонансная частота, Rs –поверхностное
сопротивление. Панорамный измеритель КСВН и ослабления Я2Р–67 использовался
для измерения добротности и оценки поверхностного сопротивления
сверхпроводящих пленок YBa2Cu3O7-x при температуре 77 К. Плоскопараллельный
резонатор образованный двумя плѐнками YBa2Cu3O7-x /(001) LaAlO3 показал
добротность Q(77 К) = 480 на частоте 9.6 ГГц, при толщине тефлонового
диэлектрического пространства s = 25 мкм. Вычисленное по формуле (1) остаточное
поверхностное сопротивление на 9.6 ГГц, при 77 К, составило Rs = 1.8 мОм.
В Заключении приведены основные результаты и выводы работы .
Практическая ценность диссертационной работы состоит в том, что работа
состояла из 3 взаимосвязанных частей: получение наноструктур, исследование их
свойств, создание элементов новых радиофизических устройств на основе пленок и
одномерных наноструктур.
Основные результаты и выводы:
Созданы и исследованные оптические наноантенны нового типа видимого и ИК
диапазона, образованные полупроводниковыми наностержнями, покрытыми тонкой
пленкой
серебра,
Проведено
сравнение
теоретических
расчетов
электродинамических характеристик и экспериментальных результатов оптических
40
наноантенн различной длины. Экспериментально обнаружены максимумы в кривых
коэффициента экстинкции. Нами установлено, что эти максимумы определяются
плазмонными резонансами оптической антенны. Получено хорошее согласование
экспериментальных результатов и теоретических расчетов.
Впервые исследованы параметры резонаторов образованных в поперечном
гексагональном сечении наноиглы оксида цинка в зависимости от их диаметра . Это
позволяло систематически изучить моды типа шепчущей галереи резонаторов с
уменьшающимся диаметром в нанометровом диапазоне. Модель интерференции
волн в поперечном сечении описывающая спектральные позиции и ширины мод
находится в хорошем соответствии с экспериментом. Исследование оптических мод
в кольцевых микро и -наноразмерных
ZnO резонаторах образованных в
гексагональном поперечном сечении наноиглы оксида цинка с высоким аспектным
отношением важны для разработки УФ нанолазеров.
Фотоприемники с двойным диодом Шоттки на массиве наностержней оксида цинка
, покрытых золотом, созданные и исследованые в дисссертации составят основу для
разработки фотоприемников УФ и видимого диапазона с высокой
фоточувствительностью и быстродействием.
Разработанный в диссертации нового тип фотоприемника УФ на ПАВ, позволяет
повысить чувствительность сенсоров УФ на ПАВ за счѐт использования
многократных переотражений ПАВ .
Создание и исследование ПАВ сенсора монооксида углерода нового типа с
чувствительным элементом из параллельно-соединенных наностержней оксида
цинка составят основу для разработки новых систем экологического мониторинга
загрязнения окружающей среды.
Новый метод импульсного лазерного напыления наностержней оксида цинка при
высоком давлении аргона позволяет получать высокоориентированные
перпендикулярно подложке массивы из структурно-совершенных наностержней на
основе оксида цинка. Сохранение стехиометрии при испарении в атмосфере аргона,
позволяет распространять данный метод на большой ряд наноматериалов как на
основе оксида цинка , так и на другие более сложные по составу материалы.
Новый
метод
многоступенчатого
импульсного
лазерного
напыления
эпитаксиальных пленок ZnO с использованием сверхтонких буферных слоев и
эпитаксиальных
прослоек,
осажденных
при
пониженой
температуре
продемонстрированный в диссертации имеет большую практическую ценность так
как позволяет получать эпитаксиальные пленки оксида цинка с гладкой
морфологией поверхности, низкими механическими напряжениями, высоким
структурным и оптическим совершенством и высокой электронной подвижностью.
Высокие структурные , электрически и оптические характеристики эпитаксиальных
пленок ZnO позволяют использовать их как элементы фотоприемников ,
транзисторов, пьезопреобразователей, светодиодов и лазеров с оптической ,
электрической, электронно-лучевой накачкой.
41
Новая методика импульсного лазерного напыления одномерных наногетероструктур
типа нитевидный ZnO нанокристалл-эпитаксиальная пленка разработанная в
диссертации с использованием единой лазерной технологии роста нитевидных
нанокристаллов и лазерного теневого внеосевого или осевого роста эпитаксиальных
пленок может быть успешна
использована для синтеза широкого круга
наноструктур, в том числе оптических плазмонных наноантен ИК диапазона на
основе новых метаматериалов таких как ZnO:Ga, ZnO:Al или при создании
нанолазеров УФ диапазона на наностержнях ZnO с тонкопленочной
гетероструктурой ZnO/MgZnO/ZnO квантовой ямы на вершине наностержней .
Новая лазерная методика низкотемпературного синтеза наностержней ZnO с
поперечным размером менее 10 нм и высоким аспектным отношением разработаная
в диссертации имеет практическую ценность для создания высокочувствительных
пьезо-и хемосенсоров.
Разработанный в диссертации новый метод одноступенчатого двухстороннего
теневого внеосевого лазерного напыления тонких пленок может быть использован
при получении широкого круга перспективных материалов (сегнетоэлектриков,
мультиферроиков и манганитов). Данная модификация лазерного напыления может
быть успешно применена для напыления пленок ВТСП большой площади для СВЧ
применений и для получения пленочных сверхпроводящих проводов.
Список цитируемой литературы :
1.Быковский Ю.А., Дегтяренко H.H., Елесин В.Ф., Козырев Ю.П., Сильнов С.М.
Масс-спектроскопические исследования лазерной плазмы// ЖЭТФ.-1971.-т.60.
С.1306-1319.
2.С.В.Гапонов, Н. Н. Салащенко. Вакуумное напыление с помощью импульсных
лазеров.
//
Электронная
промышленность.1976.№ 1.- С.11−20.
3. Предтеченский M.P., Смаль A.H., Варламов Ю.Д., Майоров А.П. Роль условий
разлета плазмы в методе лазерного напыления оксидных высокотемпературных
сверхпроводящих пленок// Сверхпроводимость: физика, химия, техника. -1992.- т.5.
N6.-С.1120-1124.
4.А.И.Головашкин,В.П.Мартовицкий, Е.В.Печень, В.В.Родин. Эпитаксиальный рост
пленок YBa2Cu307.x на подложках MgO// Письма ЖТФ.- 1989.- 15(3).- С.31-34,.
5. Бабаджанян Ш.М., Губанков В.Н., Зыбцев С.Г., Шахунов В.А., Шефталь Р.Н.
Болометрический прием излучения с помощью эпитаксиальных пленок YBa2Cu307x//ВТСП.-1991.-вып.1.-С.85-88.
6.Гиваргизов Е.И. Рост нитевидных и пластинчатых кристаллов из пара.М.: Наука.
1977.-304с.
7.Дубровский В.Г. Теория формирования эпитаксиальных наноструктур. М.:
ФИЗМАТЛИТ.2009.-352с.
8.Новодворский О.А., Лотин А.А., Панченко В.Я., Паршина Л.С., Хайдуков Е.В.,
Зуев
Д.А.,
Храмова
О.Д.
Электролюминесценция
полупроводниковых
гетероструктур на основе оксида цинка // Квантовая Электроника.- 2011.- Т. 41.42
вып.1.-С.4-7.
9.Редькин А.Н., Грузинцев А.Н., Маковей З.И., Дубонос C.B., Якимов
Е.Е.Получение ориентированных массивов наностержней ZnO методом газофазного
синтеза из элементов // Неорган, материалы.- 2007.-т. 43.-№ 3.-С. 301-306.
10.Т. В. Плахова, М. В. Шестаков, А. Н. Баранов, Влияние текстурированных
затравок на морфологию и оптические свойства массивов ZnO, синтезированных из
раствора и газовой фазы // Неорганические материалы.- 2012.- т.48.-№ 5.-С. 549–556.
Список основных публикаций по теме диссертации:
1.Bundesmann C., Schubert M., Spemann D., Butz T., Lorenz M., Kaidashev E. M.,
Grundmann M., Ashkenov N., Neumann H., Wagner G. Infrared dielectric functions and
phonon modes of wurtzite MgxZn1-xO (x<=0.2) // Appl. Phys. Lett.- 2002.-v. 81.-P. 23762378
2.Ashkenov N., Wagner G., Neumann H., Mbenkum B. N, Bundesmann C., Riede V.,
Lorenz M., Kaidashev E. M., Kasic A., Schubert M., Grundmann M. Infrared dielectric
functions and phonon modes of high-quality ZnO films // J. Appl. Phys.-2003.- v. 93.P.126-133.
3. Schmidt R., Rheinländer B., Schubert M., Spemann D., Butz T., Kaidashev E. M.,
Lorenz M., Grundmann M. Dielectric functions (1 to 5 eV) of wurtzite Mg x Zn1-x O(x≤
0.29) thin films // Appl. Phys. Lett. -2003. –v.82.- No.14.-P.2260-2262.
4. Kaidashev E. M., Lorenz M., Wenckstern H., Benndorf G., Rahm A., Semmelhack H.C., Han K.-H., Hochmuth H., Bundesmann C., Riede V., Grundmann M., High electron
mobility of epitaxial ZnO thin films on c-plane sapphire grown by multi-step pulsed laser
deposition,
Appl.
Phys.
Lett.
-2003.-v.82.-No.22.-P.3901-3903.
5.Bundesmann C., Ashkenov N. , Schubert M., Spemann D., Butz T. , Lorenz M.,
Kaidashev E. M., Grundmann M. Raman scattering in ZnO thin films doped with Fe, Sb,
Al, Ga and Li // Appl. Phys. Lett.2003.- v.83.- No.10.-P.1974-1976.
6. Lorenz M., Kaidashev E. M., Wenckstern H., Riede V., Bundesmann C., Spemann D.,
Benndorf G., Hochmuth H., Rahm A., Semmelhack H.-C., Grundmann M.Optical and
electrical properties of epitaxial (Mg, Cd)xZn1-xO, ZnO, and ZnO:(Ga, Al) thin films on cplane sapphire grown by pulsed laser deposition // Solid State Electronics.- 2003.-v.47.-P.
2205-2208.
7. Lorenz M., Lenzner J., Kaidashev E.M., Hochmuth H., Grundmann
M.Cathodoluminescence of selected single ZnO nanowires on sapphire//Annalen der
Physik.2004.-v.13.-No.1.-p.39-42.
8. Lorenz M., Hochmuth H., Schmidt-Grund R., Kaidashev E.M., Grundmann
M.Advances of pulsed laser deposition of ZnO thin films, Annalen der Physik.- 2004.13.-N.1.-P.59-61.
9. Schmidt-Grund R., Schubert M., Rheinländer B., Fritsch D., Schmidt H., Kaidashev
E.M., Lorenz M., Hochmuth H., Grundmann M.UV-VUV Spectroscopic ellipsometry of
ternary MgxZn1-xO(0≤x≤0.53)thin films //Thin Solid Films.-2004.-v.455-456.-P.500-504.
10. Guzmán E., Hochmuth H., Lorenz M., Wenckstern H., Rahm A.,Kaidashev E.M.,
Ziese M., Setzer A., Esquinazi P., Pöppl A., Spemann D., Pickenhain R., Schmidt H.,
Grundmann M. Pulsed laser deposition of Fe- and Fe, Cu-doped ZnO thin films //Annalen
43
der
Physik.-2004.-13.-P.57–58.
11.Wenckstern H., Kaidashev E.M., Lorenz M., Hochmuth H., Biehne G., Lenzner J.,
Gottschalch V., Pickenhain R., Grundmann M. Lateral homogeneity of Schottky contacts
on
n-type
ZnO
//
Applied
Physics
Letters.-2004.84.-P.79-81
12.Bundesmann C., Ashkenov N., Schubert M., Rahm A., Wenckstern H., Kaidashev E.
M., Lorenz M., Grundmann M. Infrared dielectric functions and crystal orientation of aplane ZnO thin films on r-plane sapphire determined by generalized ellipsometry // Thin
Solid
Films.-2004.-455-456.-P.161-166.
13.NobisT., Kaidashev E.M., Rahm A., Lorenz M., Lenzner J., Grundmann M.Spatially
Inhomogeneous Impurity Distribution in ZnO Micropillars // NanoLetters.- 2004.-N. 4.- P.
797–800.
14. NobisT, Kaidashev E.M., Rahm A., Lorenz M, Grundmann M.Whispering gallery
modes in nano-sized dielectric resonators with hexagonal cross section// Phys.Rev.Lett.2004.-v.93.-N.10.-P.1039031-1039034.
15. Speman D.,Kaidashev E.M.,Lorenz M.,Vogt J.,Butz T.Ion beam analysis of epitaxial
(Mg,Cd)xZn1-xO and ZnO:(Li,Al,Ga,Sb) thin films growth on c-plane sapphire //Nuclear
Instruments and Methods in Physics Research.-B.-2004.-v.219-220.-P.891-896.
16.M. Lorenz, E. M. Kaidashev, A. Rahm, Th. Nobis, J. Lenzner, G. Wagner,D. Spemann,
H. Hochmuth, and M. Grundmann Mgч Zn1-xO ( x<0.2) nanowire arrays on sapphire
grown by high-pressure pulsed-laser deposition//Appl.Phys.Lett.-2005.-v. 86.-P. 143113143115.
17.Еремеев В. А., Кайдашев Е. М., Соловьев А. Н. Конечно-элементное
моделирование в динамических задачах для упругих решеток микро- и
нанокристаллов из оксида цинка// Вестник ЮНЦ РАН. 2006.-Т. 2.- № 1.-C.10-15
18.A.Rahm, E.M. Kaidashev, H.Schmidt, M.Diaconu, A.Pöppl, R.Böttcher, Ch.Meinecke,
T.Butz, M.Lorenz and M.Grundmann, Growth and Characterization of Mn- and Co-Doped
ZnO
Nanowires
//
Microchimica
Acta.-2006.P.1436-5073.
19.Еремеев В.А.,Кайдашев Е.М.,Соловьев А.Н. Моделирование в динамических
задачах для упругих решеток микро-и нанокристаллов //Экологический вестник .2006.-C.18-25.
20.A.O.Ankiewicz,M.C.Karmo,N.A.Sobolev,W.Gehlhoff,E.M.Kaidashev,A.Rahm,M.Lor
enz,M.Grundmann,Electron paramagnetic resonance in transition metal-doped ZnO
nanowires//Journal
Applied
Physics.-2007.-v.101.-P.0243241-0243246.
21. C. Czekalla, J. Guinard, C. Hanisch, B. Cao, E.M. Kaidashev, N. Boukos, A. Travlos,
J. Renard, B. Gayral, D. Le Si Dang, M. Lorenz, M. Grundmann ,Spatial fluctuations of
the optical emission from single ZnO/MgZnO nanowire quantum wells //Nanotechnology
.-2008.-v.19.P.115202-115208.
22. E. M. Кайдашев, M. Lorenz, J. Lenzner,A. Ramm,T. Nobis,M. Grundmann,
N.Zakharov А.Т.Козаков‚ С.И.Шевцова, К.Г.Абдулвахидов,В.Е.Кайдашев,Структура
и оптические свойства ZnO нанокристаллов ,полученных методом импульсного
лазерного напыления на пленках GaN/Si(111) с использованием Au и NiO –
катализаторов //Известия РАН.Серия физическая.-2008.-т.72.-№.8.-C.1212-1214.
23. R. Schmidt-Grund,_ B. Rheinlaender, E. M. Kaidashev, M. Lorenz ,M. Grundmann,
D. Fritsch,,M. M. Schubert,,H. Schmidt,C. M. Herzinger Vacuum Ultraviolet Dielectric
Function and Band Structure of ZnO //Journal of the Korean Physical Society. 2008- v.
44
53.-No.1.-P.88-93.
24.M. Grundmann, A. Rahm, Th. Nobis, M. Lorenz, Ch.Czekalla, E. M. Kaidashev, J.
Lenzner, N. Boukos, A. Travlos Growth and characterization of ZnO nano- and
microstuctures in: Handbook of Self-Assembled Semiconductor Nanostructures for Novel
Devices in Photonics and Electronics, M. Henini, ed. (Elsevier, Amsterdam, 2008). P. 293323.
25.В.Е. Кайдашев, Е.М.Кайдашев, О.В.Мисочко, М.Ю.Максимук, Т.Н.Фурсова,
А.В.Баженов, Ориентированные наностержни ZnO и их ИК спектры отражения//
Известия
РАН.
Серия
физическая.-2009.-т.73.-№11.-C.1628-1632.
26.V.E. Kaydashev, E.M. Kaidashev, M. Peres, T. Monteiro, M.R. Correia, N.A. Sobolev,
L.C. Alves, N. Franco, and E. Alves, Structural and optical properties of Zn0,9Mn0,1O/ZnO
core-shell nanowires and Zn0,9Mn0,1O nanorods designed by pulsed laser deposition//
J.Appl.Phys.-2009.-v.106.-P.093501.
27. В.Е. Кайдашев, Е.М. Кайдашев, M. Peres, T. Monteiro, M.R. Correia, N.A. Sobolev
Оптические и структурные свойства наностержней ZnO, полученных методом
импульсного лазерного напыления без катализатора //Журнал технической физики. 2009.-т.79,вып.11.-C.45-49.
28. В.Е. Кайдашев, О.В. Мисочко, M.R. Correia, M. Peres,T. Monteiro, N.A. Sobolev,
Е.М. Кайдашев// Исследование рамановского рассеяния на обертонах
полносимметричного LO фонона в нанокристаллах Zn0.9Mn0.1O при резонансном
возбуждении//Письма
в
ЖТФ.2009.т.35.-вып.23.-C.32-39.
29. А.В. Баженов, Т.Н. Фурсова, М.Ю. Максимук, Е.М. Кайдашев, В.Е. Кайдашев,
О.В. Мисочко //Выращивание нанокристаллов ZnO импульсным лазерным
напылением на сапфире и кремнии и их инфракрасные спектры //Физика и техника
полупроводников.-2009.-т.43.-вып.11.-C.1576-1582.
30. O.E. Polozhentsev, V.L. Mazalova, V.E. Kaidashev1, E.M. Kaidashev,
Ya.Zubavichus, A.V.Soldatov, ZnO:Mn nanorods and ZnO/ZnO:Mn core/shell
structures:Synthesis and local atomic structure.//Journal of Physics: Conference Series.2009.v.190
.-P.
012138-012141.
31. Amélia O. Ankiewicz, Wolfgang Gehlhoff, Joana S. Martins, Ângela S. Pereira,
Sérgio Pereira,Axel Hoffmann, Evgeni M. Kaidashev, Andreas Rahm, Michael Lorenz,
Marius Grundmann,Maria C. Carmo, Tito Trindade, and Nikolai A. Sobolev, Magnetic
and structural properties of transition metal doped zinc-oxide nanostructures//Phys. Status
Solidi.-2009.-v.246.-No.4.-P.766–770.
32. M. Lorenz,, A.Rahm, B.Cao, J.Zuniga-Perez,, E.M. Kaidashev, N. Zakharov, G.
Wagner, Th. Nobis, Ch. Czekalla, G. Zimmermann,M. Grundmann //Self-organized
growth of ZnO-based nano- and microstructures//Phys. Status Solidi B.-2010.- v.247.
P.1265.
33. Ishioka K. ,Petek H. , Kaydashev V.E. , Kaidashev E. M., Misochko O. V. Coherent
optical phonons of ZnO under near resonant photoexcitation //J. Phys.: Condens. Matter.2010.-v.22.P.46580.
34.Лянгузов Н.В., Кайдашев В.Е., Кайдашев Е.М., Абдулвахидов К.Г.Исследование
влияния толщины медного катализатора и пленочного подслоя на морфологию
наностержней
ZnO//Письма
в
ЖТФ.-2011.-т.37.-вып.5.-C.1-8.
35. Guda. A.A., Smolentsev N. , Verbeeck J. , Kaidashev E.M. , Zubavichus Y. ,
45
Kravtsova A.N. , Polozhentsev O.E., Soldatov A.V.X-ray and electron spectroscopy
investigation of the core–shell nanowires of ZnO:Mn// Solid State Communications.2011.-v.151.-P.1314–1317.
36.Лянгузов Н.В.,Кайдашев В.Е.,Захарченко И.Н.,Куприна Ю.А.,Бунина О.А.,Юзюк
Ю.И.,Киселев А.П.,Кайдашев Е.М.Использование различных катализаторов роста
для лазерного напыления микро-и наностержней ZnO//Журнал технической
физики.-2012.-т.82.-вып.4.-P.114-122.
37.В.Е.Кайдашев,Н.В.Лянгузов,Ю.И.Юзюк,Е.М.Кайдашев,Усиление
комбинационного рассеяния локализованными плазмонами в наночастицах серебра
и золота на поверхности наностержней оксида цинка//Журнал технической физики.2012.-т.82.-вып.10.-P.85-89.
38. Н.В. Лянгузов, В.Е. Кайдашев, В.Б. Широков, Е.М. Кайдашев, Магнетронное и
импульсное лазерное напыление наночастиц и несплошных пленок Ag и Au и
исследование их оптических свойств// Журнал технической физики.- 2012.- т. 82.вып.10.-C.90-95.
39. Н.В. Лянгузов, Е.М. Кайдашев, И.Н. Захарченко, О.А. Бунина «Оптимизация
карботермического синтеза массивов микро- и наностержней оксида цинка и их
морфометрических параметров» Письма в ЖТФ, 2013.- т.39.- вып.17.-C.27-34.
40. A. A. Guda, N. Smolentsev, M. Rovezzi, E. M. Kaidashev, V. E. Kaydashev, A.
N. Kravtsova, V. L. Mazalova, A. P. Chaynikov, E. Weschke, P. Glatzel and A. V.
Soldatov, Spin-polarized electronic structure of the core–shell ZnO/ZnO:Mn nanowires
probed by X-ray absorption and emission spectroscopy// J. Anal. At. Spectrom.- 2013.v.28.1629-1637.
41 .В. Лянгузов, А.С. Анохин, Д.И. Левшов, Е.М. Кайдашев, Ю.И. Юзюк, И.Н.
Захарченко, О.А. Бунина. Особенности оптических фононов в спектрах
комбинационного рассеяния света массива вертикальных микростержней ZnO на
кремнии//Физика
твердого
тела.2014.-т.56.-N.3.-C.542-548.
42. Е.М. Кайдашев, Н.В. Лянгузов, А.М. Лерер, Е.А. Распопова , Экспериментальное
и теоретическое исследование массивов наностержней ZnO, покрытых пленкой
серебра, как антенн оптического и ближнего ИК диапазона// Письма в ЖТФ.-2014.т.40.-вып.7.-C.79-86.
43. Pushkariov, V.I. , Nikolaev, A.L. , Kaidashev, E.M. Synthesis and characterization of
ZnO nanorods obtained by catalyst-free thermal technique //Journal of Physics:
Conference
Series.2014.-v.541.Issue
1.012031
44. Puzikov, A.S. , Lyanguzov, N.V., Kaidashev, E.M. Pulsed laser deposition and
investigation of antimony-doped ZnO films //Journal of Physics: Conference Series.2014.-v.541.No
1.-P.
012004
45. D. A. Zhilin, N. V. Lyanguzov, , L. A. Nikolaev, V. I. Pushkariov, E. M. Kaidashev
,Photoelectric properties of MSM structure based on ZnO nanorods, received by thermal
evaporation and carbothermal syntesis // Journal of Physics: Conference Series.2014.V.
541.No
1.-P.
012038.
46. A. L. Nikolaev, G. Ya. Karapetyan, D. G. Nesvetaev, N. V. Lyanguzov, V. G.
Dneprovski, E. M. Kaidashev, Chapter 3. Preparation and Investigation of ZnO Nanorods
Array Based Resistive and SAW CO Gas Sensors//Advanced Materials Springer
Proceedings
in
Physics.2014.v.152.P.
27-36.
46
47. N. V. Lyanguzov, D. A. Zhilin, E. M. Kaidashev , Chapter 4. Carbothermal Synthesis
and Characterization of ZnO Nanorod Arrays//Advanced Materials Springer Proceedings
in
Physics.2014.v.152.P.
37-44.
48. Mezdrogina M.M., Eremenko MV., Levitskii, VS . Petrov, VN; Terukov, EI;
Kaidashev, EM; Langusov, NV Effect of self-organization, defects, impurities, and
autocatalytic processes on the parameters of ZnO films and nanorods// Semiconductors . 2015.-v.49.P.1473-1482.
49.A. S. Puzikov, N. V. Lyanguzov, D. G. Nesvetaev, I. N. Zakharchenko and E. M.
Kaidashev, Chapter 3.Characterization of Antimony Doped ZnO Films Designed by
Pulsed Laser Deposition //Advanced Materials - Studies and Applications, Editors: Ivan A.
Parinov, Shun-Hsyung Chang and Somnuk Theerakulpisut .- 2015.- ISBN: 978-1-63463749-7
.
Nova
Science
Publishers.P.
39-49.
50.V. I. Pushkariov, A. L. Nikolaev and E. M. Kaidashev, Chapter 4. Influence of Zn
Vapor Supersaturation on Morphology and Optical Properties of ZnO Nanorods Grown by
CVD Technique//Advanced Materials - Studies and Applications, Editors: Ivan A.
Parinov, Shun-Hsyung Chang and Somnuk Theerakulpisut .- 2015.- ISBN: 978-1-63463749-7
.-Nova
Science
Publishers.P.51-56.
51. D. A. Zhilin, N. V. Lyanguzov, V. I. Pushkariov, L. A. Nikolaev, V.E. Kaydashev, E.
M. Kaidashev, Chapter 5. Photoelectric Properties of Metal-Semiconductor-Metal
Structure Based on ZnO Nanorods Designed Thermal Evaporation and Carbothermal
Methods//Advanced Materials - Studies and Applications, Editors: Ivan A. Parinov, ShunHsyung Chang and Somnuk Theerakulpisut .- 2015.- ISBN: 978-1-63463-749-7 .-Nova
Science
Publishers.P.
57-64.
52. A.M. Lerer , P. E. Timoshenko, G. A. Kalinchenko, E. M. Kaidashev, and A. S.
Puzanov, Dispersion characteristics of Zinc oxide nanorods organaized in two-dimensional
uniform arrays// PIERS Proceedings. Prague. Czech Republic.- 2015.-P.994-998.
53. Е. М. Кайдашев, А. М. Лерер, Е. В. Головачева, В. Е. Кайдашев, Н. В. Лянгузов,
Е. А. Цветянский, Экспенриментальное и теоретическое исследование оптических
антенн на основе наностержней
ZnO, покрытых тонкой пленкой серебра
//Радиотехника и электроника .- 2017.- т. 62.- № 12.- C.1173–1181.
54. A.M. Lerer, P.E. Timoshenko, E.M. Kaidashev, A.S. Puzanov and T.Y. Chernikova,
Chapter 22. Dispersion Characteristics of Zinc Oxide Nanorods Coated with Thin Silver
Layer and Organized in Two-Dimensional Uniform Arrays, Springer Proceedings in
Physics.2016.v.175.P.317-326.
55.A. M. Lerer ; P. E. Timoshenko ; V. V. Zemlyakov ; E. M. Kaidashev ; A. S. Puzanov,
Optical nanowaveguides based on zinc oxide plasmonic materials // Progress in
Electromagnetic Research Symposium (PIERS).- 2016.- P.1616 – 1620.
56. A.M. Lerer , P.E. Timoshenko , E.V. Golovacheva , E.M. Kaidashev, A.S.Puzanov,
Optical nanowaveguides based on zinc oxide plasmonics materials //Journal Physics :
Conference
Series
.-2016.-v.741.-P.
012159.
57. V. E. Kaydashev, N. Lyanguzov, D. Zhilin, A. Tsaturyan, E. A. Raspopova and E. M.
Kaidashev , Plasmon coupled nanoparticle arrays for fluorescence, photoluminescence and
Raman scattering enhancement// Journal Physics : Conference Series .-2016.- v.741.012145.
58.A.M. Lerer ,
P.E. Timoshenko ,
E.V. Golovacheva ,
E.M. Kaidashev,
47
A.S.Puzanov,Optical nanowaveguides based on zinc oxide plasmonics materials //Journal
Physics
:
Conference
Series
.2016.-v.741.P.012159.
59. A. L. Nikolaev, M. A. Kazmina, T. A. Minasyan, V. E. Kaydashev, D. A. Zhilin, N. V.
Lyanguzov, K. G. Abdulvakhidov and E. M. Kaidashev ,Chapter 68. The Design of
Construction Elements for Piezoelectric Rezonators and Chemosensors Based on Zinc
Oxide Nanorods // Proceedings of the 2016 International Conference on "Physics,
Mechanics of New Materials and Their Applications".- 2017.- P. 495-502.
60. G. Ya. Karapetyan and E. M. Kaidashev ,Chapter 70. Investigation of the Wireless
Reading from Signal Passive SAW Sensors with Reflective Interdigital Transducers //
Proceedings of the 2016 International Conference on "Physics, Mechanics of New
Materials
and
Their
Applications".2017.P.
513-518.
61. A. M. Lerer, P. E. Timoshenko, T. Yu. Chernikova, E. V. Golovacheva, E. M.
Kaidashev and A. J. Emaimo, Chapter 20. Refractive Properties of Nanorod-Type
2D Photonic Crystals // Proceedings of the 2016 International Conference on "Physics,
Mechanics of New Materials and Their Applications".- 2017.- P. 141-146.
62.G. Y. Karapetyan, V. E. Kaydashev, T. A. Minasyan, D. A. Zhilin, K. G.
Abdulvakhidov and E. M. Kaidashev, Use of multiple acoustic reflections to enhance
SAW UV photo-detector sensitivity // Smart Materials and Structures.- 2017.- v.26.-P.
035029.
63.Карапетьян Г.Я., Кайдашев Е.М., Николаев А.Л., Несветаев Д.Г., Лянгузов
Н.В.Датчик на поверхностных акустических волнах для измерения концентрации
моноокиси углерода. Патент РФ №2550697. Зарегистрирован в Государственном
реестре
изобретений
РФ
13.04.2015
64.Карапетьян Г.Я., Кайдашев Е.М.,Николаев А.Л., Несветаев Д.Г., Жилин
Д.А.Пассивный беспроводный датчик на поверхностных акустических волнах для
измерения
концентрации
моноокиси
углерода.
Патент
РФ
№2581570.Зарегистрирован в Государственном реестре изобретений Российской
Федерации
24.03.2016
года.
65. Карапетьян Г.Я., Кайдашев Е. М., Кайдашев В.Е., Жилин Д.А. Пассивный
беспроводный датчик ультрафиолетового излучения на поверхностных
акустических волнах. Патент РФ № 2613590. Зарегистрирован в Государственном
реестре
изобретений
РФ
17.03.
2017.
66.Карапетьян Г.Я., Кайдашев Е.М.,Кайдашев В.Е.,Минасян Т.А. «Способ
измерения физических величин с помощью датчиков на поверхностных
акустических волнах», Патент РФ 2629892. Зарегистрирован в Государственном
реестре
изобретений
РФ
17.03.
2017.
67. E.Kaidashev , V.Dneprovski, R.N.Sheftal , Optical control of growth mechanism in
pulsed laser deposition of YBa2Cu3O7-x films// Czechoslovak Journal of Physiks.- 1996.v.46.-Suppl.S3.-P.1527-1528.
68. E.Kaidashev, V.Dneprovski,D.Breus, R.N.Sheftal “Shadowed off-axis pulsed laser
deposition of YBa2Cu3O7-x thin films”, Journal of Superconductivity.- 2000.- v.13.- No.3.P.407-410.
69. Корольков Д.С., Кайдашев E.M., Абдулвахидов К.Г., Куприянов М.Ф. Влияние
наноразмерных эффектов на структуру эпитаксиальных пленок YBa2Cu3O7-y //
Письма в ЖТФ.-2004.-т.30.-С.15-19.
48
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа