CC BY
4ВКВО-2023- РАДИОФОТОНИКА И ФИС
МЕТОД ИЗГОТОВЛЕНИЯ РЕЗОНАНСНЫХ КРЕМНИЕВЫХ НАНОЧАСТИЦ, ЛЕГИРОВАННЫХ ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫМИ ДЕФЕКТАМИ, ИЗЛУЧАЮЩИМИ В БЛИЖНЕМ ИК-ДИАПАЗОНЕ
1 11 2 2 Ярошенко В.В. , Дятлович А.А. , Кустов П.Н. , Гудовских А.С. , Голтаев А.С. ,
Мухин И.С. 2, Агеев Э.И. 1, Зуев Д.А. 1
1 Физико-технический мегафакультет, Университет ИТМО, Санкт-Петербург, Россия 2Алферовский университет, Санкт-Петербург, Россия *E-mail:v.yaroshenko@metalab.ifmo.ru DOI10.24412/2308-6920-2023-6-104-105
Современные методы производства электронных устройств для телекоммуникаций достигли своих технологических пределов, и для преодоления этого ограничения предлагается заменить электронные компоненты на оптические чипы.[1,2] Основным элементом таких чипов является наноразмерный источник,[1] и ион эрбия является наиболее перспективным кандидатом для создания таких устройств за счет своего перехода, соответствующего стандартной телекоммуникационной длине волны.[3] Однако необходимо эффективно собирать и усиливать излучение наноразмерного источника, и для этого идеально подходят резонансные наноструктуры на основе кремния, которые обладают высоким показателем преломления и низкими потерями в ближнем инфракрасном диапазоне.[4,5] Кроме того, такие наноструктуры могут управлять и усиливать излучение наноразмерного источника благодаря наличию Ми-резонансов[6]. Однако изготовление таких структур является сложным многоэтапным процессом, поэтому упрощенные методы производства активных кремниевых наноструктур имеют большой потенциал для использования в создании большого количества оптических телекоммуникационных устройств.[7,8]
В этой работе показаны наши результаты [9], посвященные изготовлению и исследованию излучающих диэлектрических наночастиц из кремния, легированного ионами эрбия, в виде усеченного наноконуса.
(а) (b) (с)
«
А- aSi j- ° - aSi cSi
А \ -Er
Glass Substrate Ш Glass Substrate Щ Glass Substrate
Рис. 1. Процесс изготовления: (а) кремниевый усеченный наноконус, изготовленный с использованием
нанолитографии, с нанесенными слоями эрбия и кремния; (Ь) лазерно-индуцированный отжиг и травление; (с) Изготовленная активная диэлектрическая наночастица в виде усеченного наноконуса
Мы начали наше исследование с численных расчетов. Форма кремниевой наноструктуры с учетом особенностей метода изготовления представляет собой усеченный конус с соотношением верхнего и нижнего диаметров примерно равным 0,95, а высота наноконуса составляет 300 нм. Дисперсия кремния была взята из ссылки[5]. Усеченный наноконус расположен на стеклянной подложке с показателем преломления 1,45. Влияние ионов эрбия на материальную дисперсии кремния не учитывалась, потому что ионы эрбия встраиваются только в поверхность и малых концентрациях.
Сначала наночастица облучалась плоской линейно-поляризованной нормально падающей волной и определялись геометрические параметры структуры, когда первый порядок Ми-резонансов в наноструктуре приходился на длину волны излучения ионов эрбия, равную 1540 нм. Затем фактор Парселла рассчитывался и усреднялся по ориентации,положению на поверхности наноконуса и типу диполя (электрический или магнитный). Для таких наночастиц усредненный фактор Парселла может быть увеличен на два порядка (около 300) за счет наличия Ми-резонансов[9].
Далее мы приступили к процессу изготовления наноструктур. Сначала на стеклянную подложку была нанесена пленка аморфного кремния толщиной 300 нм. Далее с использованием электронной лучевой литография были изготовлены наночастицы в форме усеченного наноконуса с нижним
ВКВО-2023- РАДИОФОТНИКА И ФИС
диаметром примерно равным 530 нм. Полученные наночастицы были покрыты слоем эрбия, а затем слоем кремния (см. рис. 1а). Слой кремния необходим для предотвращения окисления эрбия на воздухе. После изготовления структуры мы приступили к внедрению ионов эрбия с помощью лазерно-индуцированного отжига наночастиц. Для этого мы облучали наночастицы фемтосекундным лазерным лучом на длине волны 525 нм с плотностью энергии 17 мДж/см2 (ниже чем порог повреждения наночастиц).[9] В качестве лазерного источника мы использовали фемтосекундный лазер Авеста ТЕМА с продолжительность импульсов 178 фс частотой повторения 80 МГц на длине волны 1050 нм. Далее с помощью нелинейного кристалла основную гармонику преобразовали во вторую с длиной волны 525 нм. Лазерный луч фокусировался на образце снизу с помощью объектива с числовой апертурой NA = 0,26. После отжига не внедренный слой эрбия вытравливался с помощью хлористой кислоты (см. рис. 1Ь). Рисунок 1с демонстрирует модель изготовленной наночастицы. На рисунке 2а (вставка) представлено изображение полученный наноструктуры, сделанное с помощью сканирующего электронного микроскопа (СЭМ).
Наконец, мы провели экспериментальное исследование изготовленных наночастиц. Для определения фазы кремния было проведено измерение комбинационного (рамановского) рассеяния. Пик комбинационного спектра рассеяния приходится на 520 см-1 (см рис. 2а), который соответствует кристаллической фазе кремния. Спектроскопия комбинационного рассеяния позволяла контролировать процесс отжига (до отжига фаза кремния аморфная). Далее были измерены спектры темнопольного рассеяния от наноконуса и фотолюминесценции (ФЛ) внедренных ионов эрбия (см. рис. 2б). Мы сравнили интегральную интенсивность ФЛ в диапазоне от 1.45-1.65 мкм с интенсивностью ФЛ отожженной пленки той же толщины, что и высота усеченного конуса, и с нерезонансным наноконусом, отожженным при тех же условиях как резонансный. Интегральнальная интенсивность излучения ионов эрбия в резонансном наноконусе была на 2-порядка выше по сравнению с отожженной пленке и на 40 % больше по отношению к нерезонансному наноконусу.
(а)
1.0-
03
>; 0.5-
V) £= QJ
- 0.0
400 450 500 550 600 650 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 Raman Shift, cm'1 А,¡лт
Рис. 2. Экспериментально измеренные спектры (а) рамановского рассеяния, (b) темнопольного рассеяние (DF) и фотолюминесценция (PL) для кремниевого усеченного наноконуса легированного ионами эрбия. вставка в (а) СЭМ-изображение изготовленной наноструктуры
Таким образом, был разработан метод изготовления излучающих кремниевых наночастиц с помощью комбинации нанолитографии и лазерно-индуцированного отжига. Было определено, что оптимальная плотность энергий при отжиге наночастицы без нарушения геометрической формы составляет 17 мДж/см2. Также было показано, увеличение интегральной интенсивности ФЛ из-за наличия Ми-резонансов в наночастицах. Результаты, продемонстрированные в этой работе, могут найти применение в нанофотонике, особенно в оптических телекоммуникациях.
Литература
1. W.Elshaari et al., Nat Photonics, 14, 285-298, (2020)
2. H.Zhang et al., Nature Communications 2021 12:1, 12, 1-11, (2021)
3. N. Q.Vinh et al., Proceedings of the IEEE, 97, 1269-1282, (2009)
4. F.Koenderink, ACS Photonics, 4, 710-722, (2017)
5. M.A.Green, Solar Energy Materials and Solar Cells, 92, 1305-1310, (2008)
6. Staude et al., ACS Photonics, 6, 802-814, (2019)
7. Kalinic et al., Phys Rev Appl, 10, 14086, (2020)
8. V.Rutckaia et al., Nano Lett, 17, 6886-6892, (2017)
9. V. Yaroshenko et al., Laser Photon Rev, 17, 2200661, (2023)
(b)
