CC BY
94
Физика твердого тела Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского, 2007, № 2, с. 69-72
УДК 539.21:539.12.04
ИЗМЕНЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ ВОЛЬФРАМ-ТЕЛЛУРИТНЫХ СТЕКОЛ ОБЛУЧЕНИЕМ ИОНАМИ ГЕЛИЯ И СЕРЕБРА
© 2007 г. О.Н. Горшков 1, Е.М. Дианов 2, М.Ф. Чурбанов 3, ИА. Гришин 4,
Ю.И. Чигиринский 1, А.П. Касаткин 1, И.Н. Антонов 1, А.Ю. Дудин 1
1 Научно-исследовательский физико-технический институт ННГУ, Нижний Новгород 2 Научный центр волоконной оптики РАН, Москва 3 Институт химии высокочистых веществ РАН, Нижний Новгород 4 Нижегородский госуниверситет им. Н.И. Лобачевского
gorshkov@nifti.unn.ru
Поступола вредакцою 8.02.2007
Исследовано изменение показателя преломления приповерхностных слоев вольфрам-теллуритных стекол при облучении ионами гелия и серебра. В случае ионов гелия наведенный показатель преломления (НПП) слоя в области малых доз приблизительно линейно зависел от дозы облучения и составил 0,064 и 0,105 при дозах 9,2-1014 и 1,8-1015 см-2 соответственно. Отжиг образцов до температур, близких к температуре размягчения, приводил к уменьшению НПП до значений —0,01. В случае ионов серебра НПП слоя составил 0,043 и 0,178 при дозах ионов 2-1016, 5-1016 см-2 соответственно, а последующий отжиг этих образцов приводил к увеличению НПП, что свидетельствует о протекании в облученном слое стекла процесса ионного обмена.
Введение
В последнее время исследования по созданию планарных волноводных устройств [1] получили новый импульс в связи с расширением использования волоконно-оптических систем связи [2]. Обсуждаются вопросы создания легированных эрбием планарных оптических усилителей [3] и лазеров [4], работающих на длине волны —1,5 мкм. Одна из задач - использование для этой цели новых многофункциональных материалов волоконной и интегральной оптики, которыми являются, в частности, теллуритные стекла (см. работы [5, 6] и приведенную в них библиографию). Стекла на основе диоксида теллура, содержащие оксиды тяжелых металлов ^03, Та205, ВаО, Те02), значительно превосходят фторидные и фосфатные стекла, устойчивость которых даже к влажной атмосфере чрезвычайно мала. Теллуритные стекла характеризуются также высокими значениями показателя преломления, достигающими величин 2,142,31, по сравнению с известными оптическими стеклами, прозрачными в видимой и близкой (до 5,5 мкм) ИК-области спектра. Они обладают высоким сечением комбинационного рассеяния (на несколько порядков выше, чем силикатные, германатные и фосфатные стекла), что делает их перспективными для создания перестраиваемых лазеров. В целом такое сочетание физико-химических и оптических свойств делает теллуритные стекла перспективным лазерным материалом для создания активных элементов твердотельных лазеров. Особо следует отме-
тить, что эти стекла имеют более широкую по сравнению, например, с фосфатными стеклами полосу люминесценции ионов эрбия Ег3+ и поэтому могут обеспечить работу оптически активных приборов в более широком интервале длин волн.
В настоящее время ведутся исследования по созданию планарных структур на основе этого стекла. Авторы работ [7, 8] исследовали возможность создания тонкопленочных волноводов на основе халькогенидных и теллуритных (Те2^пС1^п-0) материалов, используя лазерное распыление мишеней. В работе [9] были исследованы свойства тонкопленочных волноводов на основе стекла Те02-х, полученных методом реактивного распыления. В работе [10] с использованием фотолитографических методов и ВЧ магнетронного распыления сформированы волноводы с наложенной полоской на основе вольфрам-теллуритного стекла состава 78 мол. % Те02 + 22 мол. % WO3. Оптические потери в волноводах с шириной полоски 5 мкм и толщиной теллуритной пленки 0,8 мкм составляют — 2-102 дБ/м на длине волны 1,5 мкм.
Известно, что ионная имплантация является одним из эффективных методов изготовления планарных волноводов [1, 11]. Достоинство этого метода - простота формирования волноводов по сравнению с другими методами. При этом увеличение показателя преломления волноводной области может быть обусловлено как нарушениями в структуре материала, так и замещением ионов материала имплантируемыми ионами.
В настоящей работе обсуждаются возможности создания наведенного показателя преломления (НПП) в приповерхностном слое вольф-рам-теллуритных стекол при облучении ионами гелия и ионами серебра.
Методы исследования
Были исследованы близкие по составу образцы вольфрам-теллуритного стекла (TeO2, б0,0-б0,В; WO3, 23,0-23,0-23,4; La2O3, 5,7-7,5; Na2O, б,5-7,0; Er2O3, 1,0; YbF3, 2,0-2,1 (мол.%)), приготовленные описанным в [12] методом. Ионы натрия введены в состав оптически активного стекла с целью исследования возможности протекания ионного обмена ионов натрия на ионы серебра (см., например, [5]) в условиях облучения стекла ионами серебра и постим-плантационного отжига.
При создании наведенного показателя преломления за счет введения нарушений в структуре материала было использовано облучение ионами гелия. Облучение образцов этими ионами проводилось на ионно-лучевом ускорителе ИЛУ-100. Чтобы приблизиться к однородному профилю вводимых дефектов в облученном слое, как и в работе [13], были использованы ионы с несколькими энергиями: 30, 55, 100 кэВ. Облучение проводилось в интервале доз _^=94014-1,В4016 см-2. Расчеты, проведенные в рамках программы TRIM-95 (Transport of Ions in Matter) [14] показывают, что соотношение доз 2,8:1,4:5 для этих энергий приводит к достаточно плоскому распределению имплантированных ионов на глубинах 0,1—0,5 мкм от поверхности. Плотность ионного тока составляла 0,3 мкА/см2. При таких режимах облучения разогрев поверхности образцов не превышал 150 К.
Облучение образцов ионами серебра проводилось на установке, созданной на основе импульсного частотно-периодического источника ионов «Радуга-3М» [15] при ускоряющем напряжении 80 кэВ и дозах ионов 2-10 —5 • 10 см .
Показатель преломления стекла измерялся с использованием эллипсометра ЛЭФ-3М-1 (рабочая длина волны равна б32,В нм).
Результаты и обсуждение
Исходные стекла имели показатель преломления, равный 2,210.
НПП слоя стекла, облученного ионами гелия в области малых доз, приблизительно линейно зависел от дозы облучения и составлял
0,0б4 ± 0,003 и 0,105 ± 0,003 при общих дозах 9,24014 и 1,В• 1015 см-2 соответственно. Извест-
но, что ударный механизм образования радиационных дефектов в оксидных диэлектрических материалах является более важным по сравнению с электронным механизмом [16]. Однако при облучении теллуритных материалов ионами особенности возникновения дефектов как при образовании вакансий, так и при электронном возбуждении остаются практически неизученными. Для исследования влияния отжига на радиационные дефекты в вольфрам-теллуритном стекле было изучено изменение показателя преломления слоя этого стекла, облученного ионами гелия, в зависимости от температуры отжига. Результаты для случая дозы 9,2-1014 см-2 представлены на рисунке. Исследования показали, что отжиг образцов до температур, близких к температуре размягчения, приводил к уменьшению НПП до значений —0,01 в результате уменьшения концентрации радиационных дефектов. Выполненная оценка энергии активации отжига дефектов составила —2 мэВ. Величина толщины модифицированного слоя, определяемая из эллипсометрических измерений, составляла —0,5 мкм и слабо зависела от температуры отжига. Это означает, что изменение НПП происходило в основном в результате отжига радиационных дефектов, а не обусловлено влиянием их диффузионного перераспределения.
2,3
2,2 п 2,1
2
1,9
200 250 300 350 400 450 500 550 600 650
т, к
Рис. Изменение показателя преломления слоя вольф-рам-теллуритного стекла, облученного ионами гелия с дозой 9,2-1014 см-2, в зависимости от температуры отжига (время отжига - один час)
Для стекол, облученных ионами серебра с дозами 2-1016, 5-1016 см-2, НПП облученного слоя составил 0,043 и 0,178 соответственно. Эти данные были получены также из эллипсометрических измерений в модели однородного слоя на подложке и отражают средний по слою НПП. В данном случае такая модель справедлива потому, что ионы серебра имели разную заряд-ность - 1 (13%), 2 (61%), 3 (25%), что приводило к уширению профиля распределения имплантированных ионов, и рассчитанная ширина профиля на половине его высоты находилась примерно в области 15-70 нм. Эта модель использовалась также при анализе результатов
термического отжига облученных образцов для режимов, при которых толщина слоя с НПП существенно не изменялась (см. таблицы 1-3). В отличие от выше приведенных данных для случая облучения ионами гелия данные таблиц отражают изменение НПП, обусловленное двумя эффектами: изменением концентрации радиационных дефектов материала и замещением ионов матрицы имплантируемыми ионами серебра. Детальный анализ влияния каждого из этих эффектов на НПП является затруднительным. Однако, по-видимому, именно одновременное проявление обоих эффектов ответственно за некоторое уменьшение эффективной толщины d слоя с НПП с увеличением температуры отжига при времени отжига один час (см. таблицы 1, 2).
Существенно, что при этом происходит рост НПП с увеличением температуры отжига. Это означает, что положительный НПП, обусловленный процессом замещения ионов натрия ионами серебра, превышает отрицательный НПП, обусловленный отжигом радиационных дефектов. Величина энергии активации суммарного процесса ~0,3 мэВ в случае дозы 2-1016 см-2 и ~5 мэВ в случае дозы 5-1016 см-2. Таким образом, энергия активации для первого случая имеет величину, которая меньше полученного выше значения энергии активации отжига дефектов, образовавшихся при облучении ионами гелия (~2 мэВ). Можно предположить, что доминирующим в процессе ионного обмена в рассматриваемом случае ионов серебра является процесс замещения этими ионами образованных вакансий (в том числе вакансий натрия). Такой вывод о повышенной роли вакансий согласуется с приведенным выше фактом, что при образовании радиационных дефектов в оксидных диэлектрических материалах важным является ударный механизм [16]. Возрастание энергии активации с увеличением дозы можно объяснить увеличением содержания дефектов, что делает замещение ионами серебра вакансий более затруднительным.
При температуре 603 К с увеличением времени отжига начинает происходить некоторое увеличение эффективной толщины слоя с НПП. Такое увеличение толщины можно связать с проявлением диффузии ионов серебра из облученного слоя в необлученный объем стекла. Поскольку это увеличение толщины является незначительным по сравнению с эффективной толщиной исходного слоя с НПП, то для оценки коэффициента диффузии можно воспользоваться моделью диффузии из постоянного источника [17] (концентрация ионов серебра
N=No{1-erf(d-do)/2(Dt)1/2}, где do=707 А, #0= =F/do). Эта модель дает D(330oC)=2,5•10-16 см2/с. Если полагать, что величина НПП пропорциональна концентрации ионов серебра, то в той же модели диффузии можно показать, что НПП спадает до уровня, например, 0,005 (что еще является эффективным для создания волноводов) на расстоянии 49 (60) нм при температуре 603 К и времени диффузии 2 (3) часа, соответственно. Отметим, что полученная нами величина D (603 К) мала по сравнению с соответствующей величиной (9,840-12 см2/с), приведенной авторами работы [5] для коэффициента диффузии ионов серебра из раствора AgNO3: :КЫ03:КаК03 (2:43:55 вес.%) в стекло примерно такого же состава (60TeO2-25WO3-15Na2O--1Ег203 (мол.%)). Мы связываем такое различие с тем, что диффузия серебра в наших образцах происходила в условиях, при которых концентрация дефектов в стекле была все еще высокой.
Отметим, что полученные нами при использовании метода ионной имплантации значения НПП в приповерхностном слое вольфрам-теллуритного стекла являются достаточными для формирования планарных волноводов в этом стекле. Используя изученные режимы им-
Таблица 1
Эллипсометрические данные (показатель преломления п и толщина слоя вольфрам-теллуритного стекла, облученного ионами серебра с дозой 2-1016 см -2, в зависимости от температуры отжига Т (время отжига - один час)
Т, К 273 373 473 523 553
п 2,115 1,119 2,122 2,131 2,129
d, А 742 620 649 617 752
Таблица 2
Эллипсометрические данные слоя вольфрам-теллуритного стекла, облученного ионами серебра с дозой 5-1016 см -2, в зависимости от температуры отжига Т (время отжига - один час)
Т, К 273 473 523 553 583 603
п 2,250 2,267 2,262 2,530 2,569 2,569
d, А 825 804 804 739 716 707
Таблица 3
Эллипсометрические данные слоя вольфрам-теллуритного стекла, облученного ионами серебра с дозой 5-1016 см -2, в зависимости от времени отжига t (температура отжига - 603 К)
t, мин. 60 120 180
п 2,569 2,223 2,220
d, А 707 838 867
плантации ионов гелия в эти стекла, можно сформировать планарные симметричные и асимметричные одномодовые волноводы как для ТЕ-, так и для ТМ-моды [1, 11], а используя имплантацию ионов серебра с рассмотренными энергиями, можно формировать симметричные одномодовые (для случая ТЕ-моды) планарные волноводы с малым значением толщины волновода (—100 нм). Создание последних волноводов может оказаться перспективным для формирования устройств развивающейся в настоящее время плазмоники [18].
Работа выполнена при поддержке Министерства образования и науки (грант № РНП.2.1.2.5340) и Российского фонда фундаментальных исследований (грант № 05-02-08182-офи_а).
Список литературы
1. Интегральная оптика / Под ред. Т. Тамира: Пер. с англ. - М.: Мир, 1978. - 344 с.
2. Фриман Р. Волоконно-оптические системы связи: Пер. с англ. - М.: Техносфера, 2003. - 440 с.
3. Yan Y.C., Faber A.J., de Waal H., Kik P.G. et al. // Appl. Phys. Lett. 1997. V. 71, № 20. - P. 2922.
4. Veasey D.L., Funk D.S., Sanford N.A., Hayden J.S. // Appl. Phys. Lett. 1999. V. 74, № 6. P. 789.
5. Nunzi Conti G., Berneschi S., Bettinelli N., Brenci M. et al. // J. Non-Cryst. Sol. 2004. V. 345/346. P. 343.
6. Churbanov M.F., Snopatin G.E., Zorin E.V., Smetanin S.V. et al. // J. Optoelectron. Adv. Mater. 2005. V. 7. № 4. P. 1765.
7. Caricato A.P., Fernandez M., Ferrari M. // Mater. Sci. Eng. B. 2003. V. 105. № 1-3. P.65.
8. Martino M., Caricato A.P., Fernandez M. // Thin Solid Films. 2003. V. 433, № 1/2. P. 39.
9. Nayak R., Gupta V., Dawar A.L. // Thin Solid Films. 2003. V. 445, № 1. P. 118.
10. Горшков О.Н., Дианов Е.М., Чурбанов М.Ф., Васильев С.А. и др. // Вестник ННГУ. Серия Физика твердого тела. Вып. 1(9). - Н. Новгород: Издательство Нижегородского госуниверситета, 2006. - С. 243.
11. Хансперджер Р. Интегральная оптика. Теория и технология: Пер. с англ. - М.: Мир, 1985. - 384 с.
12. Гришин И.А., Гурьев В.А., Интюшин Е.Б., Еллиев Ю.Б. и др. // Неорганические материалы. 2004. Т. 40, № 4. С. 502.
13. Standley R.D., Gibson W.M., Rodgers J.W. // Appl.Opt. 1972. V. 11, № 6. P. 1313.
14. Бирзак Й.П. Машинное моделирование распыления // Фундаментальные и прикладные аспекты распыления твердых тел.: Сб. статей 1986-1987 гг.: Пер. с англ. / Сост. Е.С. Машкова. - М.: Мир, 1989. 349 с.
15. Рябчиков А.И. // Известия высших учебных заведений. Физика. 1994. Т. 37, № 6. С. 52.
16. Шварц К.К., Экманис Ю.А. Диэлектрические материалы: Радиационные процессы и радиационная стойкость. - Рига: Зинатне, 1989. - 187 с.
17. Болтакс Б.И. Диффузия в полупроводниках. -М: ГИФМЛ, 1961. - 464 с.
18. Zia R., Schuler J.A., Chandran A., Brongersma M.L. // Materials today. 2006. V. 9, № 7/8. P. 20.
MODIFYING REFRACTIVE INDICES OF TUNGSTEN-TELLURITE GLASS BY IRRADIATION WITH HELIUM AND SILVER IONS
O.N. Gorshkov, E.M. Dianov, M.F. Churbanov, I.A. Grishin, Yu.I. Chigirinsky,
A. P. Kasatkin, I.N. Antonov, A. Yu. Dudin
We study refractive-index changes in subsurface layers of tungsten-tellurite glass as a result of irradiation with helium and silver ions. In the case of helium ions, the induced refractive index (IRI) of the layer is approximately proportional to the ion exposure and amounts to 0,064 and 0,105 for an exposure of 9,2-1014 and 1,8-1015 cm-2 respectively. Annealing the samples up to near-softening temperatures results in decreasing the IRI to about 0.01. In the case of silver ions, the IRI of the layer is 0,043 and 0,178 for an exposure of 2-1016 and 5-1016 cm-2 respectively. Annealing the samples results in increasing the IRI. This provides clear evidence for the ion exchange in the irradiated glass layer.
