Морфологія та оптичні властивості композитних металевих і поруватих діелектричних плівок

24

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

Національна академія наук України

Інститут фізики напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова

УДК 535.5, 539.217

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

Морфологія та оптичні властивості композитних металевих і поруватих діелектричних плівок

01.04.07 - фізика твердого тіла

Кондратенко Ольга Сергіївна

Київ - 2011

Дисертацією є рукопис

Роботу виконано в Інституті фізики напівпровідників ім. В. Є. Лашкарьова Національної академії наук України

Науковий керівник: морфологія гетеросистема еліпсометрія

доктор фізико-математичних наук, професор Дмитрук Микола Леонтійович, Інститут фізики напівпровідників ім. В. Є. Лашкарьова Національної академії наук України, завідувач відділу поляритонної оптоелектроніки

Офіційні опоненти:

доктор фізико-математичних наук, професор Поперенко Леонід Володимирович, Київський національний університет імені Тараса Шевченка, завідувач кафедри оптики

кандидат фізико-математичних наук, Чегель Володимир Іванович, Інститут фізики напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова Національної академії наук України, старший науковий співробітник відділу функціональної оптоелектроніки

Захист відбудеться "15" червня 2011 р. о 1415 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.199.01 в Інституті фізики напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова НАН України за адресою: 03028, м. Київ-28, проспект Науки, 41.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту фізики напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова НАН України: 03028, м. Київ-28, проспект Науки, 45.

Автореферат розіслано "12" травня 2011 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Д 26.199.01, кандидат фізико-математичних наук О. Б. Охріменко

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Сучасний розвиток нанотехнологій нерозривно пов'язаний з використанням нанорозмірних частинок металів, діелектриків та напівпровідників. Композитні гетеросистеми з металевими наночастинками на напівпровідникових та діелектричних підкладках використовуються для створення новітніх опто- та наноелектронних пристроїв, в основу роботи яких покладено використання явища збудження поверхневих (локалізованих) плазмонів (ПП) та поверхневих плазмонних поляритонів (ППП).

З фундаментальної точки зору важливо дослідити, яким чином впливають на взаємодію світла з композитними гетеросистемами поверхневі плазмонні поляритони (тобто електромагнітні хвилі, що поширюються вздовж межі поділу «метаматеріал з негативною діелектричною проникністю - діелектрик») та локалізовані (поверхневі) плазмони, як коливання електронів провідності в малих наночастинках. Збудження поверхневих плазмонів оптичним випромінюванням зумовлює виникнення резонансів в спектрах поглинання і розсіяння при збігу частоти випромінювання з власною частотою плазмона. Положення цих резонансів можна варіювати в широкому діапазоні частот шляхом вибору різних металів, створення частинок відповідного розміру та форми, а також нанесення металевих наноструктур на різні підкладки або впровадження їх в різні матриці, що зумовлює суттєве різноманіття спектрів відбивання (пропускання) провідних твердих тіл та відкриває можливості для створення композитних матеріалів з наперед заданими оптичними властивостями. Більш того, властивості локалізованих плазмонів залежать від електродинамічної взаємодії наночастинок, що дозволяє налаштовувати систему їхніх резонансів на ефективну взаємодію з іншими елементарними квантовими системами (молекулами, квантовими точками). Тому вивчення взаємодії електромагнітних хвиль з композитними матеріалами, що містять металеві та діелектричні складові, займає важливе місце в сучасній фізиці, зокрема в новій її галузі - наноплазмоніці, як основа багатьох неруйнівних методів аналізу тонкоплівкових структур, фізико-хімічних процесів та джерело практично важливих застосувань. В зв'язку з цим важливими є дослідження оптичних властивостей тонких металевих плівок (суцільних та острівцевих), що пов'язані зі змінами їх товщини та топологічних характеристик. Зменшення їхніх розмірів призводить до появи різноманітних розмірних ефектів (класичних, квантових), які впливають на електродинамічні властивості.

Проте, незважаючи на тривалі дослідження оптичних властивостей композитних гетеросистем, залишаються недостатньо з'ясованими питання щодо взаємозв'язку морфології тонких плівок (металевих, діелектричних) з їхніми оптичними властивостями. Створюючи композит як суміш різних матеріалів, можна керовано змінювати властивості композитних гетеросистем, а саме: змінювати спектральне положення плазмонного резонансу, варіювати адсорбційну чутливість та оптичні параметри в широких межах.

Використовуючи композитні гетеросистеми, можна також вивчати особливості взаємодії електромагнітного випромінювання з непровідними твердими тілами, оскільки там збуджуються й інші поверхневі квазічастинки (фонони, магнони, екситони), які вносять істотний внесок у взаємодію електромагнітних полів з такими середовищами.

З точки зору практичного застосування, матричні та статистичні композитні середовища є перспективними для створення на їхній основі газових сенсорів, які чутливі до газового складу контактного середовища за рахунок зміни ефективних оптичних констант при адсорбції молекул розвиненою напівпровідниковою або металевою поверхнею. Одним з поширених матеріалів для створення газочутливих оптичних сенсорів є дисперсні гетеросистеми на основі кремнію. Необхідність створення сенсора на основі кремнієвих технологій обумовила активне вивчення фізичних властивостей пористого кремнію (пор-Si) або структур з пористим шаром SiO2. Поруч з цим існує проблема контрольованого створення нанопористого шару, оптимізації його характеристик та встановлення особливостей адсорбції, методів стабілізації та підвищення селективності газочутливих структур. В зв'язку з цим дослідження впливу адсорбції різних молекул на оптичні властивості наноструктурованої поверхні Si, пор-SiO2/Si та SnO2/пор-SiO2/Si структур є важливим для їх подальшого практичного застосування в газовій сенсориці.

Таким чином, для практичного застосування в сенсориці, фотовольтаїці, оптоелектроніці та плазмоніці необхідне комплексне вивчення композитів з метою встановлення взаємозв'язку між морфологією та оптичними параметрами структур в залежності від товщини шарів, типу нанорозмірних включень, структурних перетворень, що виникають внаслідок термообробки, умов виготовлення та ін.

Зв'язок з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота відповідає основному напрямку наукової діяльності Інституту фізики напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова НАН України та виконана в рамках таких тем:

– Розробка нових принципів, методів і засобів одержання, дослідження і характеризації напівпровідникових матеріалів і структур, створення елементної бази перспективної напівпровідникової техніки, в т. ч. на основі нових фізичних явищ (2006-2008 рр., Постанова Бюро ВФА НАНУ від 20.12.2005 р. № 10, № держ. реєстрації 0106U000657).

– «Фізичні та фізико-технологічні аспекти створення і характеризації напівпровідникових матеріалів і функціональних структур сучасної електроніки» (2007-2011 рр., Постанова Бюро ВФА НАН України від 19.12.2006 р. № 10, № держ. реєстрації 0107U002258).

– «Пошук нових фізичних принципів розробки сенсорів газів і рідин на основі нанокремнiєвих структур, оброблених ядерним і ультразвуковим опроміненням» (2007-2008 рр., договір № 53/07 між Міністерством освіти і науки України та НАН України від 05.03.2007р. № 189 та від 12.06.2007р. № 480, № держ. реєстрації 0107U009685).

Мета дисертаційної роботи - вивчення взаємозв'язку між морфологією та ефективними оптичними параметрами композитних гетеросистем з нанорозмірними металевими та діелектричними складовими.

Для досягнення цієї мети необхідно було виконати такі завдання: 1) встановити взаємозв'язок між морфологією та ефективними оптичними константами тонких металевих золотих (Au) плівок (суцільних та острівцевих) на діелектричних та напівпровідникових підкладках; 2) дослідити структуру та вивчити зміну ефективних оптичних констант багатокомпонентних гетеросистем на основі діелектричних шарів (SiO2) на Si при адсорбції молекул з газових середовищ.

Конкретно для досягнення поставленої мети необхідно було вирішити такі задачі:

– Збільшити точність визначення оптичних параметрів багатокомпонентних гетеросистем завдяки використанню методу поляритонної еліпсометрії.

– Методами спектроскопії відбивання-пропускання та багатокутової монохроматичної і спектральної еліпсометрії дослідити товщинні залежності ефективних оптичних параметрів (, , де і ) тонких металевих плівок (на прикладі модельного металу - золота).

– Встановити взаємозв'язок між зміною оптичних параметрів та структурними перетвореннями, що відбуваються в тонких плівках металу (Au) на діелектричних (скляних) підкладках внаслідок температурної обробки у вакуумі.

– Вивчити зміну морфології та оптичних констант пластин кремнію з природним окислом SiO2 внаслідок опромінення їх високоенергетичними протонами та б-частинками, а також проаналізувати зміну ефективних оптичних констант модифікованої поверхні при адсорбції молекул етилового спирту, ацетону та аміаку з газового середовища.

– Дослідити структуру та оптичні властивості окислених кремнієвих пластин з нанопоруватим шаром SiO2, який створювався при витравлюванні треків в опроміненних високоенергетичними важкими іонами 40Ar, 131Xe та 209Bi структурах і з'ясувати яким чином адсорбція молекул з газових середовищ впливає на їхні оптичні властивості.

Об'єкт дослідження - 1) тонкі золоті плівки різної товщини (5-100 нм) і морфології (від острівцевої до суцільної), термічно напилені на діелектричні (скляні) підкладки та ансамблі золотих наночастинок на напівпровідникових пластинах монокристалічного GaAs; 2) структури на основі кремнію з модифікованим шаром на поверхні: а) пластини n-Si (100) з реальною поверхнею, модифіковані опроміненням протонами та -частинками та б) структури SiO2/Si з нанопоруватим шаром SiO2, який утворювався внаслідок хімічного витравлювання треків, утворених опроміненням високоенергетичними іонами (40Аr, 131Xe, 209Ві).

Предмет дослідження - процеси прямої і непрямої (поляритонної) взаємодій електромагнітного випромінювання з дисипативними твердотільними гетеросистемами та наночастинками, зокрема із участю поверхневих плазмонних поляритонів та вплив морфології плівки на ефективні оптичні параметри тонкоплівкових структур.

Для розв'язання поставлених у дисертаційній роботі задач застосовано такі методи дослідження: багатокутова монохроматична еліпсометрія в режимі зовнішнього відбивання та в режимі повного внутрішнього відбивання, коли збуджуються поверхневі поляритони (поляритонна еліпсометрія); спектральна еліпсометрія; спектроскопія відбивання/пропускання поляризованого світла при різних кутах падіння; атомно- силова мікроскопія (АСМ) із статистичним аналізом, зокрема і методом автокореляційних функцій (АКФ); електронна скануюча (СЕМ) та просвічуюча (ПЕМ) мікроскопія; рентгеноструктурний аналіз.

Наукова новизна одержаних результатів полягає у наступному:

Показано, що точність визначення оптичних констант тонких півпрозорих металевих плівок методом поляритонної еліпсометрії значно вища, ніж в стандартному режимі зовнішнього відбивання, особливо при збудженні поверхневих плазмоних поляритонів на межі поділу металу із діелектричним середовищем із вищою, (порівняно з повітрям), діелектричною проникністю.

Показано, що застосування теорії ефективного середовища в наближенні Бруггемана дозволяє коректно описати оптичні властивості та адсорбційну чутливість композитних плівкових гетеросистем, які містять металеві та діелектричні нанорозмірні складові.

Продемонстровано прояв класичного розмірного ефекту в товщинних залежностях ефективних оптичних параметрів золотих плівок, зумовленого впливом поверхневого дифузного розсіювання електронів при зменшенні товщини плівок менше 13 нм та топологічного розмірного ефекту, що превалює при товщинах менше 7 нм, зумовленого зміною топології плівки від суцільної до острівцевої, тобто переходом від однозв'язної до багатозв'язної системи.

Вперше показано, що метод автокореляційних функцій, розрахованих з даних атомно-силової мікроскопії, дозволяє виявити та визначати форму золотих наночастинок металу, хімічно вирощених на напівпровідниковій підкладці.

Показано, що температурний відпал (Т=100400єС) може призводити до зміни морфології та розпаду тонких (менше 40 нм масової товщини) золотих плівок на діелектричній підкладці на окремі ізольовані наночастинки, що дозволяє керувати їхніми оптичними властивостями в околі збудження плазмонного резонансу. Відпал суцільних плівок товщиною 60-80 нм призводить до змін в їхній гранулярній полікристалічній структурі внаслідок рекристалізації без втрати суцільності у всьому діапазоні досліджуваних температур.

Встановлено, що відпал суцільних золотих плівок при температурах Т = 250-300єС у вакуумі, коли має місце збиральна рекристалізація, зумовлює такі зміни мікроструктури плівки, шорсткості її поверхні та оптичних властивостей, при яких коефіцієнт підсилення поля поблизу інтерфейсу «метал - навколишнє середовище», що пропорційний відношенню (/)2, є максимальним.

Встановлено, що опромінення окисненого кремнію високоенергетичними протонами та -частинками призводить до дефектоутворення, зміни шорсткості, а, отже, до зміни оптичних констант приповерхневого шару кремнію. Виявлено, що після опромінення структур SiO2/Si високоенергетичними іонами 40Аr, 131Xe та 209Ві з подальшим витравлюванням прихованих треків в шарі SiO2 утворюються пори циліндричної форми з діаметром до ~ 25 нм. Найбільш розвинена поверхня та відповідно найбільші зміни ефективних оптичних констант плівки SiO2 виникають в структурі, опроміненій іонами 209Ві, які мають найбільшу масу та величину іонізаційних втрат енергії (серед досліджених), що зумовлює найвищу чутливість сенсорів до пари етилового спирту, ацетону та аміаку.

Практичне значення одержаних результатів полягає у наступному:

1. Розвинуто комплексний метод визначення оптичних констант тонкоплівкових гетеросистем (з різномасштабними неоднорідностями поверхні), який ґрунтується на поєднанні методів еліпсометрії зі спектроскопією відбивання-пропускання поляризованого світла під різними кутами падіння.

2. Вивчено вплив температурної обробки на мікроструктуру і оптичні параметри тонких золотих плівок на підкладці та можливості використання цього ефекту для управління якістю поверхонь тонкоплівкових структур. Показано, що плівки золота, нанесені на скляні підкладки і відпалені при температурі Т = 250-300 єС, мають оптимальні характеристики з точки зору використання ефекту поверхнево-плазмонного резонансу (ППР) в оптичних сенсорах та інших приладах наноплазмоніки.

3. Запропонований метод хімічного осадження металевих наночастинок на напівпровідникові підкладки є перспективним для виготовлення фотодетекторів та сонячних елементів, які виявляють специфічні функціональні властивості, зумовлені збудженням поверхневих плазмонів і поверхневих плазмонних поляритонів. Крім того, напівпровідникові підкладки з острівцевими плівками металів є важливими об'єктами для вивчення механізму формування бар'єрних структур та омічних контактів на напівпровідниках.

4. Розвинена поверхня, створена в структурах SiO2/Si після опромінення високоенергетичними іонами 40Аr, 131Xe та 209Ві з подальшим витравлюванням пор в шарі SiO2 може бути використана для розробки оптохімічних сенсорів, чутливих до адсорбції молекул етилового спирту, аміаку та ацетону з газового оточення.

Особистий внесок здобувача полягає у підготовці зразків до вимірювань, проведенні експериментів по дослідженню оптичних та адсорбційних властивостей досліджуваних структур; проведенні аналітичних розрахунків і моделюванні оптичних властивостей досліджуваних об'єктів; участі в обговоренні одержаних експериментальних результатів; підготовці матеріалів та виголошенні доповідей на низці конференцій; в написанні та підготовці до друку наукових статей.

Апробація роботи. Матеріали дисертаційної роботи доповідались на: XVI International School-Seminar “Spectroscopy of molecules and crystals” (XVI ISSSMC) (Севастополь, Україна, 2003); ІX Міжн. конференції “Фізика і технологія тонких плівок” (Івано-Франківськ, Україна, 2003); IV International young scientist's conference SPO (Київ, Україна, 2005); International workshop on nanostructured materials NANOMAT (Анталія, Туреччина, 2006); 7-ой Международной конференции “Взаимодействие излучений с твердым телом” (Мінськ, Білорусь, 2007); III International conference “Electronics and Applied Physics” (Київ, Україна, 2007); 4th International conference on spectroscopic ellipsometry (ICSE4)(Стокгольм, Швеція, 2007); Міжнародному симпозіумі ''Нанофотоніка'' (Ужгород, Україна 2008); III-ій та IV-ій Міжнародних науково-технічних конф. “Сенсорна електроніка та мікросистемні технології'' (Одеса, Україна, 2008, 2010 р.); XII Міжн. конф. з фізики і технології тонких плівок і наносистем (МКФТТПН-ХІІ) (Івано-Франківськ, Україна 2009).

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 19 наукових робіт, у тому числі 8 статей у реферованих фахових журналах, 1 в матеріалах міжнародної конференції та тези 10-и доповідей на наукових конференціях.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, п'яти розділів, висновків та списку використаних джерел. Вона викладена на 150 сторінках, включає в себе 63 рисунки, 9 таблиць та список використаних джерел зі 138 найменувань.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність теми, вибір напрямку та методів досліджень, сформульовано мету та задачі дисертаційної роботи, відображена наукова новизна та практичне значення отриманих результатів.

Перший розділ присвячено огляду літературних даних щодо особливостей взаємодії світла з тонкими металевими плівками та ізольованими наночастинками різної форми за участю поверхневих плазмонних поляритонів та локальних плазмонів. Розглянуто способи їх збудження і особливості поширення. Проаналізовано вплив форми наночастинок на збудження в них локальних поверхневих плазмонів та оптичну поведінку гетеросистем на їх основі, в першу чергу, на спектри відбивання та пропускання. Розглянуто вплив топології композитної плівки на її ефективну діелектричну функцію. Показано, що спектри відбивання, пропускання та екстинкції плівок з металевими наночастинками (Au та Ag) визначаються ефектами збудження плазмонів (плазмонних поляритонів), що дає змогу використовувати їх при створенні новітніх оптоелектронних пристроїв.

У другому розділі описано застосовані в роботі технології отримання тонких металевих плівок та гетеросистем на основі золотих наночастинок на напівпровідникових та діелектричних підкладках, а також структур на основі кремнію з нанопоруватим шаром на поверхні. Наведено опис експериментальних методів та установок для дослідження їх оптичних властивостей, методик обробки експериментальних даних, розв'язування оберненої задачі еліпсометрії та аналізу кореляційної залежності між парами параметрів, що визначались.

Третій розділ присвячено вивченню морфології та оптичних властивостей тонких золотих плівок різної товщини на поверхні монокристалічного GaAs та скляних підкладках. Методом чисельного моделювання на прикладі плівки Au товщиною 45 нм показано переваги поляритонної еліпсометрії (режим зі збудженням поверхневих плазмонних поляритонів) над звичайною на прикладі оригінальних розрахунків параметрів чутливості еліпсометричних кутів , до зміни показника заломлення n (?/?n, ?/?n), коефіцієнта поглинання k (?/?k, ?/?k) та товщини плівки d (?/?d, ?/?d). Зокрема, встановлено, що точність визначення оптичних констант тонких півпрозорих плівок золота методом поляритонної еліпсометрії (при ослабленому повному внутрішньому відбиванні (ОПВВ) за схемою Кречмана) на 2 порядки вища, ніж в режимі зовнішнього відбивання, особливо при збудженні поверхневих плазмонних поляритонів на межі поділу ,,золото-вода” у порівнянні з випадком їх збудження на межі поділу ,,золото-повітря”. Розрахунок коефіцієнтів парної кореляції параметрів n-k, k-d, n-d показав, що для вимірювань в режимі зовнішнього відбивання майже всі оптичні параметри суттєво корелюють між собою, в той час як для поляритонного режиму кореляція між параметрами значно менша.

Методами багатокутової монохроматичної стандартної та поляритонної еліпсометрії, а також спектроскопії відбивання/пропускання у видимому діапазоні світла досліджена товщинна залежність ефективних оптичних параметрів тонких золотих плівок. Розглянуто класичний та топологічний розмірні ефекти, що спостерігались в суцільних та острівцевих плівках відповідно.

В товщинних залежностях , (рис. 1) в діапазоні 7 < d 13 нм спостерігається класичний розмірний ефект, зумовлений зростанням ролі поверхневого дифузного розсіяння електронів і відповідного зростання . Для ультратонких плівок (d 7 нм) спостерігається додатково тополо-гічний розмірний ефект, зумовлений зміною топології плівки, коли система переходить від однозв'язної (суцільна плівка) до багатозв'язної (острівцева плівка) і стає композитом, який містить острівці золота і пустоти. Тому визначені для таких систем оптичні параметри системи є ефективними, які відображають факт наявності пустот в цих плівках, їх несуцільність.

Для пояснення отриманих експериментальних спектрів відбивання було проведено аналіз їх особливостей для плівок різної топології (суцільної та острівцевої) на прозорій діелектричній підкладці в рамках статистичної моделі ефективного середовища Бруггемана (рис. 2). Для плівки товщиною d = 8.5 нм спостерігався широкий максимум у спектрі відбивання в околі л ? 700-800 нм, зумовлений збудженням поверхневих (локальних) плазмонів в острівцях золота, що вказує на острівцевість такої плівки. Зміна топології плівки (збільшення вмісту золота в композитній плівці вище порогу перколяції), призводить до монотонного зростання відбивання в спектральному діапазоні = 500-900 нм, що зумовлене ростом поглинання світла вільними електронами. Це вказує на суцільність досліджуваної золотої плівки товщиною 18.5 нм.

В цьому розділі також представлено оригінальні результати еліпсометричних та спектроскопічних досліджень оптичних властивостей ансамблів золотих наночастинок на напівпровідниковій підкладці GaAs, які отримувались методом фотостимульованого електрохімічного осадження з водного розчину AuCl3. Запропоновано комплексний підхід для визначення форми та розміру наночастинок на твердій підкладці, який ґрунтується на статистичному аналізі даних атомно-силової мікроскопії та розрахунку автокореляційної функції рельєфу.

Для опису рельєфу та визначення його статистичних параметрів використовують автокореляційну функцію у вигляді:

, M << N, (1)

де N - загальне число експериментальних точок, M - загальне число точок кореляції, H(x) - функція профілю поверхні. Якщо рельєф поверхні ізотропний та підлягає нормальному розподілу, то АКФ такого рельєфу може бути апроксимована функцією Гауса:

G(x) = 2 exp{-x2/2}, (2)

де - середньо-квадратичне відхилення (т. зв. rms), 2 = G(0); - автокореляційна довжина.

АКФ поверхні підкладки до осадження наночастинок та після їх хімічного травлення (рис. 3) апроксимується одним гаусіаном, тоді як АКФ поверхні GaAs із Au наночастинками на ній апроксимується двома гаусіанами з різними параметрами та . Таким чином, вдалось розділити внесок у функцію АКФ різних матеріалів на поверхні підкладки і встановити, що золоті острівці на поверхні GaAs мають форму сплюснутого еліпсоїда обертання з відношенням осей від 1/3 до 1/2.

З аналізу спектрів відбивання p-поляризованого світла визначено оптичні характеристики структури, вміст кожної фази в рамках 3-компонентної моделі композиту, що складається з Au, GaAs та повітря (пустоти) і отримано хорошу кореляцію цих результатів із даними, отриманими із статистичного аналізу.

Таким чином, обґрунтовано застосування наближення ефективного середовища в моделі Бруггемана до опису оптичних характеристик композитних гетеросистем з нанорозмірними металевими включеннями при аналізі даних еліпсометричних вимірювань та спектроскопії відбивання поляризованого світла.

У четвертому розділі для встановлення взаємозв'язку між морфологією та оптичними параметрами тонких золотих плівок різної товщини вивчається вплив термічного відпалу на мікроструктуру, шорсткість поверхні та зміну оптичних констант плівок. Золоті плівки товщиною 8-80 нм отримані способом термічного випаровування металу у вакуумі на скляні підкладки і відпалені в діапазоні температур Т = 100ч400єС протягом 1 години у вакуумі.

Атомно-силова та просвічуюча електронна мікроскопія (рис. 4) виявили зміну структури та морфології поверхні золотих плівок, що відбуваються внаслідок термічної обробки.

Термообробка ультратонких (8 нм) плівок золота (рис. 4) призвела до поступової кардинальної зміни морфології: від сітчастої структури до лабіринтної та її розпаду на ізольовані зерна симетричної форми (за рахунок процесів дифузії). При цьому, відпал при 350 та 400С, як видно з даних поперечного перерізу АСМ (рис. 5), призводить до суттєвого збільшення розміру острівців металу та зміни їх форми.

Статистичний аналіз даних АСМ демонструє, що температурна обробка змінює шорсткість поверхні металевих тонких плівок (рис. 6). Проте, величина зміни шорсткості плівок різної товщини з відпалом відбувається по-різному. Для товстих плівок (60-80 нм) спостерігається зменшення шорсткості внаслідок відпалів до температури 300С, і тільки при вищих температурах відпалу rms плівки повільно зростає. Спостерігається ріст зерен металу, але плівка при цьому залишається суцільною у всьому діапазоні досліджуваних температур. Термічна обробка плівок з початковою товщиною 8ч45 нм призводить до монотонного збільшення шорсткості поверхні плівок при обробці до 300С і суттєвого її росту при вищих температурах. Цей результат статистичного аналізу та дані ПЕМ (рис.4) і рис. 5 вказують на те, що такі золоті плівки внаслідок термічного відпалу перестають бути суцільними і можуть навіть розпадатися на окремі ізольовані зерна.

Такі зміни морфології плазмон-несучих металевих золотих плівок впливають на їхні оптичні властивості. Локальні (поверхневі) плазмони є власними модами наночастинок. Внаслідок радіаційної природи власних коливань частинок такі поверхневі моди проявляються у звичайних спектрах відбивання чи пропускання. Форма плазмон-несучих наночастинок суттєво впливає на положення та ширину смуги поглинання, викликану збудженням поверхневих плазмонів. З рис. 7 видно, що найбільш широкий резонансний мінімум поблизу 800 нм внаслідок збудження локальних (поверхневих) плазмонів в спектрі пропускання має щойно напилена плівка золота. Такий широкий резонанс пов'язаний з несферичною формою зерен та їх розподілом за формою. Після кожного відпалу при вищій температурі резонансний мінімум зміщується в короткохвильову область спектра і стає вужчим. Після відпалу при температурі 400С мінімум в спектрі пропускання проявляється поблизу 560 нм, що характерно збудженню локальних (поверхневих) плазмонів в майже сферичних ізольованих золотих наночастинках, оточених повітрям (мода Фрьоліха).

Для плівок з оптимальною для збудження поверхневого плазмон-поляритонного резонансу товщиною 40-50 нм виявлено кореляцію між змінами мікроструктури золотої плівки та її оптичних констант внаслідок температурної обробки. Зміни мікрорельєфу, що спостерігаються як результат рекристалізації під час термічної обробки, відображають зміни в гранулярній структурі плівки. Під час термічної обробки в діапазоні температур 100ч360єС, проведеної у вакуумі на протязі 30 хв, у плівці мають місце три стадії рекристалізації, що відображається на розмірі та формі зерен. Встановлено, що на різних стадіях термообробки плівка масовою товщиною 45 нм залишається суцільною і має різний характер розподілу зерен за розмірами: від одномодового на початкових стадіях термообробки, до багатомодового при температурі відпалу 360єС (рис.8).

З даних еліпсометрії в режимі збудження поверхневих поляритонів в геометрії Кречмана розраховано оптичні константи досліджуваних суцільних Au плівок. При збудженні поверхневих плазмонів або плазмонних поляритонів має місце підсилення електричного поля електромагнітної хвилі поблизу поверхні цієї частинки, яке пропорційне величині (/)2. Відпал золотих плівок при температурах Т = 250-300єС зумовлює такі зміни мікроструктури плівки та оптичних

констант металу, при яких коефіцієнт підсилення поля поблизу інтерфейсу ,,метал - навколишнє середовище”, максимальний (рис. 9).Оскільки ми маємо справу з тонкими гранулярними плівками, переважаючим дефектом структури яких є межі зерен, потрібно враховувати ефект обмеження розміру. Якщо розмір зерна менший, ніж середня довжина вільного пробігу, розсіяння електронів провідності на межах зерен змінюють діелектричну проникність металу таким чином, що величина зростає. Розмір зерен досліджуваних плівок на різних стадіях термовідпалу за порядком величини є близьким до величини довжини вільного пробігу електрона l. Тому, врахування гранулярної мікроструктури тонких плівок важливе для пояснення модифікації її оптичних властивостей. Так, середній розмір зерен початкової плівки дорівнює близько 34 нм (рис. 8), і є меншим, ніж середня довжина вільного пробігу електронів для об'ємного золота, що складає 38 нм при кімнатній температурі. Термічна обробка із температурами 100-150єС призводить до коалесценції зерен плівки і утворення зародків рекристалізації, в результаті чого суттєво зростає густина дефектів. Такі зміни в мікроструктурі плівки призводять до збільшення та зменшення відношення (/)2 (рис. 9). При температурах вище 200єС відбувається нормальний ріст зерен (збиральна рекристалізація). При температурі відпалу 250-300єС і вище формується плівка, яка складається з рекристалізованих зерен. При цьому середній діаметр зерен плівки товщиною 40 нм дорівнює близько 40-50 нм, що перевищує середню довжину вільного пробігу електронів l в об'ємному золоті і оптичні константи золотих плівок поступово наближаються до значень констант об'ємного золота з максимальним значенням (/)2.

Таким чином, температурний відпал можна використовувати як один із способів керування оптичними властивостями тонких гранулярних золотих плівок за рахунок зміни їхньої морфології і структури.

П'ятий розділ присвячено розгляду морфології, оптичних і сенсорних властивостей композитних гетеросистем з нанорозмірними напівпровідниковими та діелектричними складовими. В роботі використано структури на основі кремнію з модифікованим приповерхневим шаром: а) пластини n-Si (100) з природним окислом SiO2, опромінені протонами з енергією 6.8 МеВ та -частинками з енергією 27.2 МеВ та б) структури SiO2/Si з нанопоруватим шаром SiO2, який утворювався після термічного окиснення та подальшого опромінення важкими іонами (40Аr, 131Xe, 209Ві). Показано, що оптичні параметри структур на основі кремнію суттєво залежать від морфології приповерхневого шару.

Методами АСМ (рис. 10) та еліпсометрії виявлено збільшення шорсткості поверхні n-Si та зміни ефективних оптичних констант внаслідок його опромінення протонами та -частинками. Показано, що після протонного опромінення потоком 1016 см-2 спостерігається зменшення показника заломлення кремнію до n = 3.84 (на довжині хвилі л = 632.8 нм) у порівнянні з n = 3.88 для початкового n-Si, що пояснюється деструкцією приповерхневого шару Si, зумовленого скупченням вакансійних дефектів. Опромінення ж поверхні Si -частинками потоком 1017 см-2, коли енерговиділення в одиниці об'єму значно більше при такій самій довжині пробігу частинок даних енергій в кремнії (360 мкм), призводить до збільшення показника заломлення до n = 4.10 внаслідок утворення високої концентрації дефектів у приповерхневому шарі кремнію, ймовірно, міжвузловинного типу.

Утворена опроміненням шорстка дефектна поверхня Si здатна ефективно адсорбувати молекули з газової фази, що призводить до зміни ефективних оптичних констант шорсткого шару на поверхні. З вимірів багатокутової еліпсометрії для зразків n-Si до та після опромінення протонами розраховано параметр чутливості S щодо адсорбції насиченої пари етилового спирту, ацетону, аміаку:

, (3)

де нас - густина насиченої пари, а та - величини в мінімумах залежностей поляризаційного кута () від кута падіння при вимірюваннях за наявності та відсутності насичених парів, відповідно. Виявлено зростання адсорбційної чутливості S до аміаку та ацетону у зразках, опромінених протонами.

При опроміненні високоенергетичними важкими іонами основним наслідком їх проходження в твердому тілі є формування специфічних витягнутих вздовж траєкторії іонів мікродефектів - прихованих треків. В роботі для отримання прихованих треків в шарі SiO2 структури SiO2/Si опромінювали швидкими іонами 40Ar з енергією 290 МеВ до дози 21010 см-2, 131Xe з енергією 372 МеВ до дози 51010 см-2, 209Bi з енергією 710 МеВ до дози 51010 см-2. Так, для 40Ar пробіг іонів в кремнії становить ~16 мкм, для 131Xe ~20 мкм, а для 209Bi ~30 мкм. Опромінені зразки піддавали хімічній обробці в 2% водному розчині фтористоводневої кислоти протягом 5-10 хв., що призводило до витравлювання областей прихованих треків і утворення нанорозмірних пор.

Виявлено, що пори з найбільшим діаметром близько 20-25 нм циліндричної форми утворюються після витравлювання прихованих треків в структурах, опромінених іонами 209Ві. Це зумовлено тим, що діаметр треків залежить від величини ДЕ/Дх (ДЕ - втрати енергії іоном на одиницю довжини пробігу Дх в твердому тілі), і за однакових ДЕ/Дх є більшим для більш важких іонів, що рухаються з меншою швидкістю.

З досліджень на скануючому електронному мікроскопі (рис. 11) виявлено, що SiO2/Si структури мають неоднорідний по глибині ступінь заповнення порами (1-f) в плівці SiO2. Так, для структур, опромінених 40Ar, спостерігалось незначне витравлювання треків в шарі SiO2, а для структур, опромінених іонами 131Xe та 209Ві - нерівномірне витравлювання нанопор в SiO2. Верхній шар SiO2 ((1) - див. Табл. 1) характеризувався більшою пористістю, ніж нижній підшар (2) діоксиду кремнію. Такі дані обумовили використання одношарової (для випадку опромінення 40Ar) або двошарової (131Xe та 209Ві) моделі при визначенні ефективних оптичних констант та товщини оксидного шару методом багатокутової еліпсометрії. Встановлено, що ефективний показник заломлення приповерхневого оксидного шару менший за параметри необробленого SiO2, що обумовлено поруватістю цього композитного матеріалу.

Показано, що результати еліпсометричних вимірювань дозволяють в рамках моделі ефективного середовища Бруггемана визначити об'ємний вміст f твердої фази в пористих структурах SiO2/Si. Моделювання шару як двокомпонентної системи «SiO2 і повітря (пустоти)» показало, що в опромінених 40Аr структурах частка твердої фази в шарі SiO2 становить найбільшу величину, тоді як для 209Ві - найменшу величину, що вказує на більшу пористість цього зразка (Табл. 1). Отримані дані узгоджуються з результатами електронної мікроскопії.

Таблиця 1. Оптичні параметри (n, k) і d та об'ємний вміст f твердої фази шару SiO2 опромінених структур, визначені з даних багатокутової еліпсометрії

	nSiO2-por. (1)	kSiO2-por. (1)	dSiO2-por., нм (1)	nSiO2 (2)	kSiO2 (2)	dSiO2, нм (2)	f SiO2
							верхній шар SiO2	нижній шар SiO2
початк.	1.436	0.000	500.00	-	-	-
Аr	1.202	0.034	340.00	-	-	-	0.5 0.05
Xe	1.166	0.028	250.00	1.391	0.018	140.00	0.4 0.04	0.85 0.08
Ві	1.119	0.014	120.00	1.417	0.041	360.00	0.3 0.03	0.9 0.09

Досліджено зміну ефективних оптичних констант пористого шару SiO2 при адсорбції молекул етилового спирту, ацетону та аміаку. Виявлено, що найбільша зміна ефективних оптичних параметрів гетеросистеми має місце в зразку з найбільш розвиненою поверхнею (опроміненої іонами 209Ві).

Збільшення чутливості сенсорних структур вдалось досягнути осадженням в матрицю пористого SiO2 методом золь-гель технології діоксиду олова (SnO2) - широкозонного напівпровідника, що характеризується високими адсорбційними властивостями і реакційною здатністю, що робить можливим його використання як активного елемента у відповідних сенсорах вологості. Впровадження SnO2 в об'єм пористого SiO2 призвело до зростання параметра чутливості до наявності молекул ацетону в повітрі. Виявлено зсув кутових залежностей поляризаційних кутів (), () при перебуванні даних структур в насичених парах ацетону по відношенню до вимірювання в повітрі, що свідчить про зміну ефективного показника заломлення шарів даних структур внаслідок адсорбції (рис. 11).

Показано, що адсорбція парів спирту, ацетону та аміаку розвиненою поверхнею гетеросистем на основі структур SiO2/Si призводить до зміни ефективної діелектричної проникності пористого шару, що надійно фіксується еліпсометричними вимірюваннями і може бути використано для створення відповідного сенсора.

Висновки

1. Показано високу ефективність комплексного методу багатокутової еліпсометрії в двох режимах - звичайного зовнішнього відбивання світла і збудження поверхневих поляритонів, із залученням спектрів відбивання-пропускання поляризованого світла, - для встановлення взаємозв'язку між морфологією та оптичними параметрами композитних гетеросистем, які містять як металеві, так і діелектричні компоненти. Показано, що поляритонний режим еліпсомерії характеризується меншими величинами коефіцієнтів парної кореляції, що забезпечує вищу точність визначення оптичних параметрів ультратонких дисипативних плівок у порівнянні зі стандартним режимом еліпсометрії або традиційною спектроскопією відбивання-пропускання світла.

2. Методами спектроскопії відбивання-пропускання і еліпсометрії виявлено класичний розмірний ефект в товщинних залежностях ефективних оптичних констант золотих плівок товщиною d < 13 нм (зумовлений поверхневим дифузним розсіянням електронів), який перекривається з топологічним розмірним ефектом при d < 7 нм, зумовленим зміною топології плівки від однозв'язної (суцільної) до багатозв'язної (острівцевої).

3. Вперше методом автокореляційних функцій, розрахованих з даних атомно-силової мікроскопії для нанорельєфу поверхні напівпровідника з моношаром електрохімічно осаджених золотих наночастинок, розділено фази композитної гетеросистеми на поверхні підкладки, визначено розміри і форму наночастинок Au.

4. Встановлено, що температурний відпал тонких плівок золота на діелектричній підкладці в діапазоні Т = 100-400 єС викликає суттєві зміни морфології цих плівок і оптичних параметрів. Відпал тонких плівок (8-15 нм) призводить до кардинальної зміни морфології: від сітчастої до лабіринтної структури та розпаду плівки на окремі ізольовані зерна. Це дозволяє керувати спектральним положенням піка локального поверхневого плазмонного резонансу в металевих наночастинках. Відпал товстих плівок (60-80 нм) призводить до зміни гранулярної структури внаслідок рекристалізації без втрати суцільності у всьому діапазоні досліджених температур.

5. Температурний відпал тонких суцільних металевих плівок на підкладці є важливим технологічним процесом, що дозволяє зменшити розкид оптичних параметрів плівок і покращити їх стабільність. Виявлено, що внаслідок відпалу при Т = 250-300 єС, по закінченню збиральної рекристалізації, структура золотої плівки така, що її оптичні константи близькі до об'ємних значень Au, а коефіцієнт підсилення поля г ~(/)2 за рахунок збудження поверхневих плазмонних поляритонів, максимальний. Це дозволяє оптимізувати та стабілізувати параметри поляритонних сенсорів хімічних речовин та інших приладів фотоніки і наноплазмоніки.

6. Опромінення монокристалічного кремнію високоенергетичними протонами та -частинками призводить як безпосередньо до збільшення шорсткості поверхні, так і до дефектоутворення в приповерхневому шарі кремнію, що призводить до створення приповерхневих порушених шарів з ефективними оптичними константами, відмінними від об'єму Si і чутливими до адсорбції парів (газів).

7. В рамках теорії ефективного середовища для статистичних гетеросистем визначено поруватість шару SiO2 на поверхні кремнію, опроміненого швидкими іонами 40Аr, 131Xe, 209Ві з наступним хімічним витравленням треків, що створює дисперсні структури з великим відношенням поверхні до об'єму, придатні до створення оптичних сенсорів газів і пари. Зміна ефективних оптичних параметрів оксидного шару на поверхні модифікованих структур обумовлена створеною поруватістю композитного шару матеріалу. Показано, що найбільш розвинену поверхню мають SiO2/Si структури, опромінені найважчими із застосованих іонами 209Ві, що зумовило найкращу адсорбційну здатність сенсорів до газового оточення.

Список публікацій за темою дисертації

Optical characterization of thin Au films by standard and polaritonic ellipsometry / N.L. Dmitruk, O.V. Fursenko, O.S. Kondratenko, V.R. Romanyuk // Semiconductor Physics, Quantum Electronics & Optoelectronics.- 2003.- Vol. 6.- № 3.- P. 349-353.

До питання про оптичні параметри тонких металевих плівок / М.Л. Дмитрук, С.А. Коваленко, О.С. Кондратенко // Укр. фіз. журн.- 2003.- Т.48.- №3.- C. 275-280.

Small metal (Au) particles on semiconductor (GaAs) surface / N.L. Dmitruk, T.R. Barlas, O.S. Kondratenko, V.R. Romanyuk // Materials Science and Engineering: C. - 2003.- Vol. 23.- P. 159-164.

Класичний і топологічний розмірні ефекти в оптичних властивостях тонких плівок золота / М.Л. Дмитрук, О.С. Кондратенко, С.А. Коваленко, І.Б. Мамонтова // Фізика і хімія твердого тіла.- 2006.- Т.7.- №1.- C. 39-44.

Thermally induced changes in thin gold films detected by polaritonic ellipsometry / V.R. Romanyuk, O.S. Kondratenko, O.V. Fursenko, O.S. Lytvyn, S.A. Zynyo, A.A. Korchovyi, N.L. Dmitruk // Materials Science and Engineering: В.- 2008.- Vol. 149.- P. 285-291.

Формирование оксидных пленок титана на поверхности пористого карбида кремния / Ю.Ю. Бачериков, Н.Л. Дмитрук, Р.В. Конакова, О.С. Кондратенко, В.В. Миленин, О.Б. Охрименко, Л.М. Капитанчук, А.М. Светличный, Н.Н. Московченко // ЖТФ.- 2008.-Т. 78.- Вып. 9.- C. 130-133.

Оптичні та сенсорні властивості наноструктурованого кремнію, опроміненого високоенергетичними частинками (протони, -частинки, важкі іони) / М.Л. Дмитрук, О.С. Кондратенко, М.Б. Пінковська, В.І. Хіврич, Л.О. Власукова, П.В. Кучинський // Укр. фіз. журн.- 2010.- Т.55.- №7.- C. -819.

Self-assembly of nanohills in Si1-xGex/Si hetero-epitaxial structure due to Ge redistribution induced by laser radiation / A. Medvid', P. Onufrijevs, K. Lyutovich, M. Oehme, E. Kasper, N. Dmitruk, O. Kondratenko, I. Dmitruk, I. Pundyk // J. Nanosci. Nanotechnol.- 2010.- Vol. 10.- № 2.- P. 1094-1098.

Optical properties of small Au clusters on GaAs surface / T.R. Barlas, N.L. Dmitruk, O.S. Kondratenko, N.V. Kotova, V.R. Romanyuk // XVI ISSSMC -2003: XVI International School-Seminar “Spectroscopy of molecules and crystals”, May 25-June 1 2003.: abstracts - Sevastopol, Crimea, 2003. - Р.164.

Розмірні ефекти в оптичних властивостях тонких металевих плівок / М.Л. Дмитрук, С.А. Коваленко, О.С. Кондратенко, В.Р. Романюк // Фізика і технологія тонких плівок: ІХ Міжнарод. конф., 19-24 трав. 2003р.: тези допов. - Івано-Франківськ, 2003. - С. 10-12.

Optical parameters of ultrathin gold films in the visible range / N.L.Dmitruk, O.S. Kondratenko, S.A. Kovalenko // SPO - 2005: IV International young scientists conference, 27-30 October 2005.: abstracts - Kiev, 2005. - P.100.

Optical characterization of thermal induced changes in thin gold nanoparticles films by polaritonic ellipsometry / N.L. Dmitruk, O.S. Kondratenko, O.V. Fursenko, V.R. Romanyuk // NANOMAT-2006: International workshop on nanostructured materials, 21-23 June 2006.: abstracts - Antalya, Turkey, 2006. - P. 230.

Эллипсометрические исследования поверхности кремния, облученного 6.8 МэВ протонами и 27.2 МэВ б-частицами / Н.Л. Дмитрук, О.С. Кондратенко, П.В. Кучинский, М.Б. Пинковская, В.И. Хиврич // ВИТТ-2007: 7-ая Международная конференция «Взаимодействие излучений с твердым телом», 26-28 сент. 2007 г.: материалы докладов. - Минск, Беларусь, 2007. - С. 30-31.

Formation of tracks in amorphous SiO2 by irradiation of ions Ar, Xe, Bi / L.А. Vlasukova, N.L. Dmytruk, O.S. Kondratenko, P.V. Кuchynsky, V.I. Khivrych, М.B. Pinkovska: Proceedings [The III International Conference “Electronics and Applied Physics”], (Kyiv, Ukraine, 25-27 October 2007). - Kyiv, Ukraine, 2007. - P. 66-67.

Study of thin noble metal films by spectroscopic standard and ATR ellipsometry / N. Dmitruk, T. Mykhaylyk, A. Dmytruk, T. Barlas, O. Kondratenko, N. Kotova, V. Romanyuk // ICSE4-2007: 4th International conference on spectroscopic ellipsometry, 11-15 June 2007.: abstracts - Stockholm, Sweden, 2007. - P. 63.

Оптические свойства наноструктурированной поверхности кремния / О.С. Кондратенко, Н.Л. Дмитрук, Л.А. Власукова, П.В. Кучинский, В.И. Хиврич, М.Б. Пинковская // Нанофотоника: Международный симпозиум, 28 сент.- 3 октября 2008 г.: тезисы докладов. - Ужгород, Украина, 2008. - С. 184-185.

Еліпсометричні дослідження впливу адсорбції парів рідин на оптичні параметри структур SiO2/Si / М.Л. Дмитрук, О.С. Кондратенко, Л.О. Власукова, П.В. Кучинський, В.І. Хіврич, М.Б. Пінковська // Сенсорна електроніка та мікросистемні технології: III-я Міжнародна науково-технічна конф., 2-6 червня 2008р.: тези доповідей. - Одеса, Україна, 2008. - С. 96.

Модифікація поверхні кремнію прискореними протонами та альфа- частинками / М.Л. Дмитрук, О.С. Кондратенко, М.Б. Пінковська, В.І. Хіврич // МКФТТПН-2009: XII Міжн. конф. з фізики і технології тонких плівок і наносистем, 18-23 травня 2009р.: тези допов. - Ів.-Франківськ, Україна, 2009. - С. 42-43.

Study of nanoporous Si for gas sensor application / М.B. Pinkovska, N.L. Dmіtruk, V.I. Khivrych, O.S. Kondratenko, P.V. Кuchynsky, P. G. Lytovchenko, L.А. Vlasukova // Сенсорна електроніка та мікросистемні технології: IV-та Міжнародна науково-технічна конф., 28 червня - 2 липня 2008р.: тези доповідей. - Одеса, Україна, 2010. - С. 186.

Анотація

Кондратенко О.С. Морфологія та оптичні властивості композитних металевих і поруватих діелектричних плівок. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук зі спеціальності 01.04.07 - фізика твердого тіла. - Інститут фізики напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова НАН України, Київ, 2011.

Дисертація присвячена вивченню взаємозв'язку між морфологією та ефективними оптичними параметрами композитних гетеросистем з нанорозмірними металевими та діелектричними включеннями: золотих плівок різної товщини і морфології (суцільних та острівцевих) на діелектричних та напівпровідникових підкладках; композитних гетеросистем на основі напівпровідникових структур SiO2/Si з розвиненою поверхнею. Продемонстровано прояв класичного і топологічного розмірних ефектів в поведінці ефективних оптичних параметрів золотих плівок при зміні їх товщини, що є базовими елементами наноплазмоніки. Показано, що застосування комплексного аналізу даних АСМ та розрахунку автокореляційної функції нанорельєфу поверхні дозволяє визначити розмір та форму золотих наночастинок, вирощених на GaAs підкладках. Обґрунтовано застосування наближення ефективного середовища Бруггемана для опису оптичних властивостей композитних плівкових гетеросистем, які містять металеві та діелектричні нанорозмірні складові. Показано, що температурний відпал тонких плівок золота на діелектричній підкладці є ефективним способом впливу на морфологію та оптичні властивості, а у випадку ультратонких плівок дозволяє керувати положенням та півшириною смуги локального (поверхневого) плазмонного резонансу. Встановлено, що опромінення кремнію високоенергетичними частинками призводить до зміни його оптичних констант, збільшення шорсткості поверхні і дефектоутворення приповерхневого шару кремнію. Вперше показано, що утворення розвиненої поверхні в структурах SiO2/Si після опромінення високоенергетичними іонами 40Аr, 131Xe та 209Ві з подальшим витравлюванням пор в шарі SiO2 зумовлює збільшення чутливості ефективних оптичних констант гетеросистеми до адсорбції молекул етилового спирту, аміаку та ацетону, що свідчить про перспективність застосування їх для розробки газочутливих сенсорів оптичного типу.

Ключові слова: поверхневий плазмонний поляритон, локальний плазмон, композит, морфологія плівки, оптичні константи, еліпсометрія, адсорбція.

Аннотация

Кондратенко О.С. Морфология и оптические свойства композитных металлических и пористых диэлектрических пленок. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.07 - физика твердого тела. - Институт физики полупроводников им. В.Е. Лашкарёва НАН Украины, Киев, 2011.

Диссертация посвящена изучению взаимосвязи между морфологией и эффективными оптическими параметрами композитных гетеросистем с наноразмерными металлическими и диэлектрическими составляющими: золотых пленок различной толщины и морфологии (сплошных и островковых) на диэлектрических и полупроводниковых подложках, композитных гетеросистем на основе полупроводниковых структур SiO2/Si с развитой поверхностью. Продемонстрировано проявление классического размерного эффекта в поведении оптических параметров золотых пленок, обусловленного влиянием поверхностного диффузного рассеяния электронов при уменьшении толщины пленки золота в диапазоне от 13 до 7 нм и топологического эффекта, который преобладает при толщинах меньше < 7 нм, и обусловлен изменением топологии пленки от сплошной до островковой. Показано, что применение комплексного анализа данных АСМ и расчета автокорреляционных функций нанорельефа поверхности позволяет определить форму и размер металлических наночастиц, выращенных на подложке. Установлено, что золотые наночастицы на поверхности GaAs имеют форму сплюснутого эллипсоида вращения. Обосновано применение приближения эффективной среды в модели Бруггемана для описания результатов эллипсометрических измерений и спектров отражения р- поляризованного света композитных пленочных гетеросистем, содержащих как металлические так и диэлектрические наноразмерные составляющие; определена объемная доля каждой компоненты в композитных гетеросистемах.

Продемонстрировано, что термический отжиг тонких пленок золота на диэлектрической подложке является эффективным способом влияния на их структуру, морфологию поверхности и оптические свойства, а в случае ультратонких пленок позволяет управлять спектральным положением и полушириной полосы локального (поверхностного) плазмонного резонанса. Показано, что при отжиге Т = 250-300єС в золотых пленках происходят процессы рекристаллизации, вследствие которых Au пленки приобретают оптимальные оптические характеристики (в частности, параметр качества плазмонного резонанса (/)2 достигает максимального значения) с точки зрения применения их в наноплазмонике.

...