|
Металлические нанокластеры в оптических стеклахОдним из старейших примеров использования нанотехнологии является цветное витражное стекло средневековых соборов, представляющее собой прозрачное тело с включениями в виде наноразмерных металлических частиц. Стекла, содержащие небольшое количество диспергированных нанокластеров, демонстрируют разнообразие необычных оптических свойств с широкими возможностями приме нения. Длина волны максимального оптического поглощения, в существенной степени определяющая цвет стекла, зависит от размера и типа металлических частиц. На рис. 8.17 показан пример влияния размера наночастиц золота на оптический спектр поглощения SiO2-стекла в видимом диапазоне. Эти данные подтверждают смещение пика оптического поглощения к более коротким длинам волн при уменьшении размеров наночастиц с 80 до 20 нм. Такой спектр вызывается плазменным поглощением в металлических наночастицах. При очень высоких частотах электроны проводимости в металле ведут себя как плазма, то есть электрически нейтральный ионизированный газ, в котором отрицательными зарядами являются подвижные электроны, а положительный заряд остается на неподвижных атомах решетки. Если кластеры имеют размеры меньше длины волны падающего света и хорошо рассеяны, так что могут рассматриваться как невзаимодействующие друг с другом, то электромагнитная волна вызывает колебания электронной плазмы, приводящие к ее поглощению. Для вычисления зависимости коэффициента поглощения от длины волны можно использовать теорию, развитую Майем (Mie). Коэффициент поглощения αмаленькой сферической частицы металла, находящейся в непоглощающей среде, задается как (8.8)
где Ns — концентрация сфер объемом V, ε1 и ε2 — действительная и мнимая части диэлектрической проницаемости сфер, п0 — показатель преломления непоглощающей среды и λ — длина волны падающего света. Другим важным для технологии свойством композитных металлизированных стекол является оптическая нелинейность, то есть зависимость показателей преломления от интенсивности падающего света. Такие стекла имеют существенную восприимчивость третьего порядка, что приводит к следующему виду зависимости показателя преломления п от интенсивности падающего света I: n=n0+n2I (8.9)
Когда размеры частиц уменьшаются до 10 нм, начинают играть важную роль эффекты квантовой локализации, изменяющие оптические характеристики материала. Самый старый метод получения композитных металлизированных стекол состоит в добавлении металлических частиц к расплаву. Однако при этом сложно управлять свойствами стекла, зависящими от степени агреги-рованности частиц. Поэтому были разработаны более управляемые процессы, такие как ионная имплантация. Стекло обрабатывается ионным пучком, состоящим из атомов имплантируемого металла с энергиями от 10 кэВ до 10 МэВ. Для внедрения металлических частиц в стекло используется также ионный обмен. На рис. 8.18 показана экспериментальная установка для введения частиц серебра в стекло путем ионного обмена. Одновалентные при-поверхностные атомы, например, натрий, присутствующий в приповерх-ностных слоях во всех стеклах, замещается другими ионами, например серебром. Для этого стеклянная основа помещается в расплав соли, находящийся между электродами, к которым приложено напряжение указанной на рис. 8.18 полярности. Ионы натрия в стекле диффундируют к отрицательному электроду, а серебро диффундирует из серебросодержащего электролита на поверхность стекла.
Пористый кремний При электрохимическом травлении кремниевой пластины образуются поры. На рис. 8.19 показано изображение плоскости (100) кремния, полученное на сканирующем туннельном микроскопе после травления. Видны поры (темные области) микронных размеров. Такой материал называют пористым кремнием (PoSi). Меняя условия обработки, можно добиться нанометровых размеров таких пор. Интерес к исследованиям пористого кремния возрос в 1990 году, когда была обнаружена его флюоресценция при комнатной температуре. Люминесценцией называется поглощение энергии веществом с последующим ее переизлучением в видимом или близком к видимому диапазоне. Если эмиссия происходит за время менее 10-8 с, процесс называется флюоресценцией, а если наблюдается задержка переизлучения, то — фосфоресценцией. Обычный (не пористый) кремний обладает слабой флюоресценцией между 0,96 и 1,20 эВ, то есть на энергиях, близких к ширине запрещенной зоны, составляющей при комнатной температуре 1,125 эВ. Такая флюоресценция в кремнии является следствием переходов электронов через запрещенную зону. Однако, как можно видеть на рис. 8.20, пористый кремний демонстрирует сильную индуцируемую светом люминесценцию с энергиями заметно больше 1,4 эВ при температуре 300 К. Положение пика в эмиссионном спектре определяется временем травления образца. Это открытие получило большой резонанс из-за возможности использования фотоактивного кремния в хорошо отработанных технологиях с целью создания новых дисплеев или оптоэлектронных пар. Кремний — самая распространенная основа транзисторов, являющихся переключателями в компьютерах. На рис. 8.21 показан один из способов травления кремния. Образец помещают на металлическое, например, алюминиевое дно контейнера, стенки которого сделаны из полиэтилена или тефлона, не реагирующих с плавиковой кислотой (HF), которая используется в качестве травителя.
Между платиновым электродом и кремниевой пластиной подается напряжение, причем кремний выступает положительным электродом. Параметрами, влияющими на характеристики пор, являются концентрация HF в электролите, сила тока, присутствие поверхностно-активных веществ и полярность приложенного напряжения. Атомы кремния имеют четыре валентных электрона и образуют связи в кристалле с четырьмя ближайшими соседями. Если заменить один из них атомом фосфора, имеющим пять валентных электронов, то четыре его электрона будут участвовать в образовании связей с четырьмя ближайшими атомами кремния, оставляя один электрон не связанным и способным участвовать в переносе заряда, внося вклад в проводимость. Это создает в запрещенной зоне уровни, лежащие близко к дну зоны проводимости. Кремний с примесью такого рода называется полупроводником n-типа. Если атом примеси — алюминий, имеющий три валентных электрона, то для образования четырех связей с ближайшими атомами одного электрона не хватает. Структура, возникающая в таком случае, называется дыркой. Дырки тоже могут участвовать в переносе заряда и увеличивать проводимость. Кремний, легированный таким образом, называется полупроводником р-типа. Оказывается, что размер пор, образующихся в кремнии, зависит от того, какого он типа, n- или р-. При травлении кремния р-типа образуется очень тонкая сеть пор с размерами менее 10 нм. Для объяснения происхождения люминесценции пористого кремния было предложено множество теорий, основанных на разных гипотезах, в которых учитывались следующие факторы: присутствие оксидов на поверхности пор; влияние состояния дефектов поверхности; образование квантовых проволок, квантовых точек и обусловленная ими квантовая локализация; поверхностные состояния квантовых точек. Пористый кремний также демонстрирует электролюминесценцию, при которой свечение вызывается небольшим напряжением, приложенным к образцу, и катодолюминесценцию, вызываемую бомбардирующими образец электронами. Что способствует осуществлению желаний? Стопроцентная, непоколебимая уверенность в своем... Что делает отдел по эксплуатации и сопровождению ИС? Отвечает за сохранность данных (расписания копирования, копирование и пр.)... Живите по правилу: МАЛО ЛИ ЧТО НА СВЕТЕ СУЩЕСТВУЕТ? Я неслучайно подчеркиваю, что место в голове ограничено, а информации вокруг много, и что ваше право... Что будет с Землей, если ось ее сместится на 6666 км? Что будет с Землей? - задался я вопросом... Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте:
|