Сдам Сам

ПОЛЕЗНОЕ


КАТЕГОРИИ







Металлические нанокластеры в оптических стеклах





Одним 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)

 

 

 

Рис. 8.17.Спектр оптического поглощения 20 и 80 манометровых наночастиц золота, введенных в стекло.

 

Рис. 8.18.Ионнообменная установка, ис­пользующая электрическое поле для допи­рования стеклянной подложки ионами ме­талла, например Ag+.

 

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.

 

Рис. 8.19.Изображение поверхности про­травленного кремния n-типа, полученное в сканирующем электронном микроскопе. Поры микрометровых размеров выглядят как темные области.

 

 
 

 


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:


©2015- 2024 zdamsam.ru Размещенные материалы защищены законодательством РФ.