Бездиссипативные диэлектрические подложки для оптических плазмонных нановолноводов Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

Решетнеескцие чтения. 2015

при комнатных условиях и имеют вид, характерный для полупроводниковых и диэлектрических материалов. Спектры характеристических потерь энергии электронов (СХПЭЭ) на отражение были получены на сверхвысоковакуумном фотоэлектронном спектрометре SPECS (Германия) при энергиях первичных электронов: 300, 600, 1 200, 1 900 эВ. Определены энергии пиков потерь по спектрам ХПЭЭ SiO2 в интегральном и дифференциальном видах. Полученные энергии близки к известным энергиям характеристических пиков в спектрах потерь энергии электронов SiO2.

Измерение ширины запрещённой зоны SiO2, проведённое в рамках данной работы, выполнено с помощью упомянутых методов.

Ширина запрещённой зоны определена по туннельным спектрам в виде I(V) и dI/dV. Спектры dI/dV получены путём численного дифференцирования исходных спектров I(V). По спектрам ХПЭЭ, полученным при различных значениях энергии первичных электронов, согласно методу, описанному в работах [4-6], определена Eg.

В данной работе проведён анализ туннельных спектров и спектров ХПЭЭ SiO2, по результатам которого определено значение ширины запрещённой зоны. Совмещение различных экспериментальных методов и обработка результатов экспериментов играют важную роль в физике низкоразмерных структур.

Библиографические ссылки

1. Bandgap measurement of thin dielectric films using monochromated STEM-EELS / J. Park, S. Heo, J.-G. Chung, H. Kim et al. // Ultramicroscopy. 2009. Vol. 109. P. 1183-1188.

2. Reflection electron energy loss spectroscopy for ultrathin gate oxide materials / H. C. Shin, D. Tahir, S. Seo и др. // Surf. Interface Anal. 2012.Vol. 44. P. 623-627.

3. Band gap and band offsets for ultrathin (HfO2 ) x (SiO2 )1-x dielectric films on Si (100) / H. Jin, S. K. Oh, H. J. Kang и др. // Applied Physics Letters. 2006. Vol. 89. 122-901.

4. Puglisi R. A. Imaging of Si quantum dots as charge storage nodes / R. A. Puglisi, S. Lombardo,

G. Ammendola et al. // Materials Science and Engineering. 2003. Vol. С. 23. P. 1047-1051.

5. Сканирующая туннельная спектроскопия пленок a-C:H и a-C:H(Cu), полученных магнетронным распылением / Т. К. Звонарева, В. И. Иванов-Омский, В. В. Розанов и др. // ФТП. 2001. Т. 35 (12). С. 1460-1465.

6. Формирование одиночных GaAs нитевидных нанокристаллов на вольфрамовом острие и исследование их электрических характеристик / А. О. Голубок, Ю. Б. Самсоненко, И. С. Мухин и др. // ФТП. 2011. Т. 45 (8). С. 1079-1083.

References

1. Bandgap measurement of thin dielectric films using monochromated STEM-EELS / J. Park, S. Heo, J.-G. Chung, H. Kim и др. // Ultramicroscopy. 2009. Vol. 109. P. 1183-1188.

2. Reflection electron energy loss spectroscopy for ultrathin gate oxide materials / H. C. Shin, D. Tahir, S. Seo et al. // Surf. Interface Anal. 2012. Vol. 44. P. 623-627.

3. Band gap and band offsets for ultrathin (HfO2) x (SiO2)1-x dielectric films on Si (100) / H. Jin, S. K. Oh,

H. J. Kang и др. // Applied Physics Letters, 2006. Vol. 89. Р. 122-901.

4. Puglisi R. A., Imaging of Si quantum dots as charge storage nodes / R. A. Puglisi, S. Lombardo, G. Ammendola et al. // Materials Science and Engineering, 2003. Vol. С. 23. P. 1047-1051.

5. Scanning tunneling spectroscopy of a-C:H and a-C:H(Cu) films prepared by magnetron sputtering / T. K. Zvonareva, V. I. Ivanov-Omskii, , V. V. Rozanov et al. // Semiconductors, 2001. Vol. 35 (12). P. 1460-1465.

6. Growth of single GaAs nanowhiskers on the tip of a tungsten needle and their electrical properties / A. O. Golubok, Yu. B. Samsonenko, I. S. Mukhin et al. // Semiconductors, 2011. Vol 45 (8). P. 1079-1083.

© Зайкова К. Н., Игуменов А. Ю., Паршин А. С., Михлин Ю. Л., Пчеляков О. П., 2015

УДК535.8; 544.77.03

БЕЗДИССИПАТИВНЫЕ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПОДЛОЖКИ ДЛЯ ОПТИЧЕСКИХ ПЛАЗМОННЫХ НАНОВОЛНОВОДОВ

В. И. Закомирный1, И. Л. Рассказов1*, А. Е. Ершов1,2,С. П. Полютов1, С. В. Карпов1,3,4

1 Сибирский федеральный университет Российская Федерация, 660041, г. Красноярск, просп. Свободный, 79

2Институт вычислительного моделирования СО РАН Российская Федерация, 660036, г. Красноярск, Академгородок, 50/44

3Институт физики им. Л. В. Киренского СО РАН Российская Федерация, 660036, г. Красноярск, Академгородок, 50/38

4Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

E-mail: *[email protected]

Исследованы оптические свойства линейных цепочек из Ag наносфероидов на кварцевой подложке. Полученные результаты открывают перспективы для использования массивов из наночастиц в качестве элементов оптических интегральных микросхем нового поколения.

Ключевые слова: поверхностный плазмон-поляритон, плазмонный волновод, диэлектрическая подложка.

NON-DISSIPATIVE DIELECTRIC SUBSTRATES FOR OPTICAL PLASMONIC NANOWAVEGUIDES

V. I. Zakomirnyi1, I. L. Rasskazov1*, A. E. Ershov1,2, S. P. Polyutov1, S. V. Karpov1,3,4

1 Siberian Federal University 79, Svobodny Av., Krasnoyarsk, 660041, Russian Federation 2Institute of Computational Modeling SB RAS 50/44, Akademgorodok, Krasnoyarsk, 660036, Russian Federation

3L. V. Kirensky Institute of Physics SB RAS 50/38, Akademgorodok, Krasnoyarsk, 660036, Russian Federation 4Reshetnev Siberian State Aerospace University 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: *[email protected]

The paper proposes optical properties of linear chains consisting from silver nanospheroids on quartz substrate. The results obtained provide an opportunity of utilizing such structures in optical integrated circuits of new generation.

Keywords: surface plasmonpolariton, plasmonic nanowaveguides, dielectric substrate.

Введение. Исследования оптических свойств плаз-монных металлических наночастиц различной формы наряду с образованными ими периодическими цепочечными структурами привлекают повышенный интерес в связи с возможностью использования этих объектов в качестве функциональных элементов оптических микросхем нового поколения [1; 2]. Применение таких микросхем является перспективным во многих областях науки и техники, в том числе и в ракетно-космической области. В настоящее время подавляющее большинство работ по оптике наноструктур посвящено исследованию волноводных свойств периодических структур из наночастиц, расположенных в однородной среде или в вакууме. Однако практическое использование периодических структур с заданной геометрией в качестве волноводов неизбежно предполагает их размещение на технологических подложках. В этом случае актуальным является исследование влияния технологической подложки на оптические и волноводные свойства цепочек из плаз-монных наночастиц, которые на ней расположены. Таким образом, настоящая работа нацелена на исследование спектров трансмиссии линейных цепочек из наночастиц серебра различной формы, находящихся в непосредственном контакте с диэлектрической технологической подложкой.

Модель. Рассмотрим оптический плазмонный волновод (ОПВ) в виде линейной цепочки из серебряных наночастиц, находящихся в непосредственном кон-

такте с кварцевой подложкой (см. рис. 1). При этом будем рассматривать различные конфигурации линейных цепочек, состоящих из вытянутых наносфе-роидов, оси симметрии которых ориентированы кол-линеарно и ортогонально плоскости подложки, а также из сплюснутых наносфероидов.

Выбор такой конфигурации ОПВ обусловлен слабым затуханием поверхностного плазмон-поляритона, распространяющегося в цепочке из наносфероидов [3]. Физическая модель, в рамках дипольного приближения описывающая оптические свойства цепочек из наночастиц различной формы, а также взаимодействие наночастиц и подложки, подробно изложена в работах [4] и [5] соответственно.

Результаты. В ходе численного моделирования были получены спектры трансмиссии (рис. 2 и 3) для ОПВ, состоящих из N = 1 001 наносфероидов (рис. 1). Под спектром трансмиссии будемпонимать зависимость функции Г„ = ^ / от частоты ю возбуждающего излучения. Здесь dn - дипольный момент, наводимый на п-й наночастице.

Показано, что диэлектрическая подложка с расположенным на ней ОПВ из вытянутых сфероидов в большинстве случаев ухудшает их волноводные свойства, однако для сфероидов, ортогонально ориентированных к подложке, в зависимости от поляризации излучения и эксцентриситета частиц, возможно как сохранение, так и улучшение трансмиссионных свойств.

а б в

Рис. 1. Схематическая иллюстрация геометрии образцов ОПВ, использованных в расчетах: а - ОПВ из вытянутых сфероидов, оси симметрии которых коллинеарны плоскости подложки; б - ОПВ из вытянутых сфероидов, оси симметрии которых ортогональны плоскости подложки; в - ОПВ из сплюснутых сфероидов, оси симметрии которых

коллинеарны плоскости подложки

Решетневские чтения. 2015

Рис. 2. Спектры трансмиссии для линейных ОПВ, состоящих из N = 1001 вытянутых наносфероидов, расположенных на диэлектрической подложке (штрих-пунктирные линии) и в её отсутствии (сплошные линии). Оси симметрии сфероидов коллинеарны (сверху) и ортогональны (снизу) подложке. Расчеты выполнены для различных направлений поляризации излучения: вдоль оси X (слева) и 1 (справа) и при различных значениях соотношения полуосей £, = Ь/а. Межцентровое

расстояние И = 24 нм, плазменная частота юр = 1,4*1016 рад/с

0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40

Рис. 3. Спектры трансмиссии для линейных ОПВ, состоящих из N = 1001 сплюснутых сфероидов

Трансмиссионные свойства ОПВ из сплюснутых сфероидов при максимальном значении эксцентриситета в присутствии положки остаются неизменными. Кроме того, присутствие диэлектрической подложки вблизи ОПВ приводит к поляризационным эффектам, заключающимся в изменении поляризации поверхностного плазмон-поляритона по мере его распространения вдоль цепочки. Эти эффекты усиливаются на минимальном расстоянии от подложки и могут оказывать влияние на волноводные свойства ОПВ.

Полученные данные позволяют утверждать, что существует диапазон параметров (частота возбуждающего излучения и его поляризация, эксцентриси-

тет сфероидальных наночастиц, диэлектрическая проницаемость материала частици подложки), при которых плоская диэлектрическая подложка с расположенными ней ОПВ не приводит к ухудшению его волноводных свойств.

References

1. Maier S. A., Kik P. G., Atwater H. A. Optical pulse propagation in metal nanoparticle chain waveguides // Physical Review B. 2003. Vol. 67. P. 205-402.

2. Maier S. A., Kik P. G., Atwater H. A. et al. Local detection of electromagnetic energy transport below the diffraction limit in metal nanoparticle plasmon waveguide // Nature Materials. 2003. Vol. 2. P. 229-232.

3. Rasskazov I. L., Karpov S. V., Markel V. A. Nondecaying surface plasmonpolaritons in linear chains of silver nanospheroids // Optics Letters. 2013. Vol. 38. P. 4743-4746.

4. Rasskazov I. L., Karpov S. V., Markel V. A. Surface plasmonpolaritons in curved chains of metal nanoparticles // Physical Review B. 2014. Vol. 90. P. 075-405.

5. Panasyuk G. Y., Schotland J. C., Markel V. A. Short-distance expansion for the electromagnetic halfspace Green's tensor: general results and an application to radiative lifetime computations // Journal of Physics A. 2009. Vol. 42. P. 275-203.

© Закомирный В. И., Рассказов И. Л., Ершов А. Е., Полютов С. П., Карпов С. В., 2015

УДК 621.382

ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОЙ ТОЛЩИНЫ СЛОЯ ИЗОТОПА НИКЕЛЬ-63 ДЛЯ КРЕМНИЕВОГО БЕТА-ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ В GEANT4*

П. В. Зеленков, В. Г. Сидоров, А. Ю. Хорошко, Е. Т. Лелеков, А. Т. Лелеков*

Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

E-mail: *[email protected]

Для оптимизации параметров микромощного радиационно-стимулированного источника питания рассчитано распределение скорости генерации электронно-дырочных пар в кремнии в системе GEANT4. Определена эффективная толщина слоя изотопа и максимально возможный КПД генерации электронно-дырочных пар.

Ключевые слова: никель-63, радиационно-стимулированный источник питания, бета-электрический преобразователь, p-i-n переход, GEANT4.

EFFECTIVE NI-63 ISOTOPE LAYER THICKNESS ESTIMATION FOR SILICON

BETA-ELECTRICAL CELL

P. V. Zelenkov, V. G. Sidorov, A. Ju. Khoroshko, E. T. Lelekov, A. T. Lelekov*

Reshetnev Siberian State Aerospace University 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: *[email protected]

To optimize parameters of micropower radiation-stimulated power source, electron-hole parts generation rate 1D distribution in silicon is calculated in GEANT4. Maximal efficient isotope layer thickness and maximal energy efficiency of EHP generation are estimated.

Keywords: nickel-63, micropower radiation-stimulated power source, beta-electrical converter, p-i-n diode, GEANT4.

Тенденции к увеличению срока активного существования космических аппаратов, повышающаяся сложность систем питания требуют создания автономных, долгоживущих (свыше 25 лет), компактных, высоконадежных и стойких к ВВФ КП источников питания. Ради обеспечения этих параметров разработчики СЭП и других систем КА готовы мириться с малой отдаваемой мощностью, тем более что современные технологии электронной промышленности позволяют создать целый класс микромощных (от 1 мкВт до 10 мВт) устройств. Одним из перспективных вариантов является преобразование радиоактивной энергии изотопов в электрическую - создание радиационно-стимулированного источника (РСИ) электрической энергии. Срок службы РСИ зависит от периода полураспада изотопа, который для 63№ составляет 100,1 года. По принципу работы РСИ подо-

бен фотоэлектрическому преобразователю, вместо квантов света электронно-дырочные пары генерируются быстрыми электронами (для 63№ средняя энергия 17 кэВ, максимальная 67 кэВ), возникающими вследствие распада изотопа. Энергия испускаемых никелем-63 бета-частиц ниже порога дефектообразо-вания большинства полупроводников, в спектре отсутствуют гамма-кванты.

Для оценки максимально эффективной толщины слоя изотопа необходимо построить распределение скорости генерации электронно-дырочных пар, генерируемых вследствие излучения слоев изотопа с различным расстоянием от границы раздела изотоп-полупроводник. Для расчета распределения скорости генерации электронно-дырочных пар в полупроводнике применено моделирование на основе метода Монте-Карло в системе вЕАЭТ4.

*Работы проведены при поддержке ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технического комплекса России на 2014-2020 годы», соглашение о предоставлении субсидии № 14.577.21.0117.