CC BY
10
5. ШФОРМАЩЙШ ТЕХНОЛОГИ
ГАЛУЗ1
УДК 681.325.2 Проф. В.А. Павлиш, д-р техн. наук; доц. Л.1. Закалик,
канд. техн. наук; доц. Р.О. Корж, канд. техн. наук - НУ "Л.beiec.rn nолiтехнiка"; ст. викл. С.Ю. Лебiдb - Свропейськийушверситет
ПРИНЦИПИ ТА МЕТОДИ ОТРИМАННЯ Д1ЕЛЕКТРИЧНО НЕОДНОР1ДНИХ СТРУКТУР
Проаналiзовано принципи та методи отримання фотонних кристалiв як дiелек-трично неоднорщних наноструктур. Систематизовано методи, найпридатнiшi для формування фотонних кристалiв з використанням рiзних матерiалiв i залежно вiд сфери 1х застосування.
Prof. V.A. Pavlysh; assoc. prof. R.O. Korzh -NU "L'vivs'kaPolitekhnika";
senior lecturer S. Yu. Lebid' - European university
Principles and methods of receipt dielectric of heterogeneous structures
Principles and methods of photonic crystals fabrication as dielectric non-uniform structures are analysed and reviewed in present article. Methods most acceptable for photonic crystals fabrication using various materials and depending on application area are considered here.
Вступ. Найважлившим чинником розвитку мшроелектронних прис-тро1в е вимоги до зростання обсягу пам'ят штегральних схем, швидкост пе-редачi шформаци та шдвищення ефективност оптичного зв'язку, тому на сьогодш досить актуальною проблемою е розроблення принципово нових ме-тодiв формування елементно! бази та нових технологш. Зокрема, для шдвищення ефективност оптичного зв'язку за останш двадцять рокiв дослщжу-ються i впроваджуються напiвпровiдниковi лазери на квантових ямах з дуже низьким значенням порогового струму, а також фотодетектори, як постшно замшяють звичайш, особливо в оптичному зв'язку, розрахованому на велик вiддалi. Особливо! уваги заслуговують напiвпровiдниковi лазери на гетерос-труктурах iз "напруженим" шаром, у яких поропв струм дуже малий. Але найвагомiшим досягненням за останш роки е створення фотонних кристалiв чи шакше '^ркових" волоконних свiтловодiв. Фотоннi кристали - це надгра-тка, в якiй штучно створюеться додаткове поле з перiодом на декшька поряд-кiв вищим вщ перiоду основно! гратки. Для фотошв таке поле отримують пе-рюдичною змiною коефiцiента заломлення в одному, двох- чи трьох напрям-ках i тому вони належать до дiелектрично неоднорiдних наноструктур.
Аналiз методiв отримання фотонних кристалiв. На сьогодшшш пропонують багато методiв отримання 1Д-, 2Д- та 3Д- фотонних кристалiв. Однак, великою проблемою е створення фотонних кристалiв iз комплектом щшин у потрiбнiй сферi спектральних характеристик. З уЫх розроблених ме-тодiв постараемося видiлити такi, якi мають перспективу для практичного !х застосування.
Нащональний лкотехшчний унiверситет УкраТни
Фотоннi кристали - це мезопористi матерiали з перюдичним розташу-ванням нанорозмiрних пор. Яюсть наностуктури оцiнюють за двома параметрами. Перший параметр - це контрастний коефщент заломлення, який виз-начають як спiввiдношення мiж коефщентом заломлення матерiалу фотонного кристалу i сусiдньою субстанщею. Другим критерiем е вiдсоткове сшв-вщношення об'ему, який займае матерiал фотонного кристалу, до об'ему за-йнятого пустотами.
Для формування 1Д-фотонних кристалiв найбшьшо! уваги заслугову-ють таю методи. Перший - це формування одновимiрних структур на основi фулерешв С60 або С70 у виглядi багатошарово! структури, сформовано! з двох рiзних матерiалiв, якi мають рiзнi дiелектричнi сталi (s1; s2) та рiзну товщину (d1; d2) [1]. В результат один шар формуеться з фулерешв С60 чи С70, а другий з нiтриду алюмшш. Товщина плiвки з фулеренiв становила 49 нм, а з штриду алюмшш - 21 нм. Перевагою цього методу е те, що фулерени можна осаджу-вати на сьогодш на рiзних матерiалах, вщ металiв (срiбло, мiдь та шш^ до на-пiвпровiдникiв (кремнiй, германш, арсенiд галiю), що створюе можливють задавати ширину щiлини в спектральнш характеристицi фотонного кристалу.
Другий метод - це використання молекулярно-променево! ештакси пiд час формування багатошарово! структури з рiзних напiвпровiдникових та дiелектричних матерiалiв [2]. Пiд час шдбору матерiалiв потрiбно враховува-ти, що рiзниця в коефiцiентах заломлення i товщинi шарiв повинна бути до-сить велика. Наприклад, якщо розглянути контакт арсенiду галiю з дiелектри-ком, оксидом антимонiду алюмшш, то вони мають таю параметри: GaAs -n1=3,53, d1=65 нм; AlAsO2 - n2=1,56, d2=145 нм. Така структура формуеться з чотирьох шарiв. Непогаш результати були отримаш i на контактах кремнш-двоокис кремнш, двоокис кремнiю-двоокис титану та полiетилен-телур.
2Д-фотоннi кристали порiвняно з 1Д вiдзначаються чiтко вираженою щшиною в спектральних характеристиках, що значно розширюе сферу !х зас-тосування, зокрема, для створення оптоелектронних пристро1в та хвиль ово-дiв. Багатообщяючим методом виготовлення двовимiрних структур е так званий метод фотонно-кристалiчноl пластини (photonic crystal slab). У цьому ви-падку структури складаються з пластини матерiалу (таких як кремшю), на яю можна наносити вiзерунки за допомогою технологiй, позичених з нашвпро-вщниково! шдустрп. Таю структури мають в собi потенщал поеднання фо-тонно! оброблення з електронною обробкою на одному чшь
Автори [3] запропонували метод формування 2Д-фотонного кристалу на арсенiд-галiевiй шдкладщ з орiентацiею поверхнi (111), яку попередньо покривали двоокисом кремнiю методом вакуумного плазмового осадження. Шсля цього методом електронно! лггографи i хiмiчного травлення формували перiодичну структуру. На таким чином шдготовлену основу методом орга-шчно! вакуумно! фазово! ештакси в присутност триметилалюмiнiю, три- ме-тилгалiю i арсiну наносили AlGaAs. У процесi нанесення AlGaAs парщаль-ний тиск арсiну (AsH3) змшювали вiд 6,25 10-5 до 6,25 10-4 атм., а при нане-сеннi метилу галiю i триметил алюмiнiю - в межах 3,7-10-7-5,8-10-6 атм. Шд-кладка в процес росту нагрiвалася до температури 550 0С. За температури
нижче 450 иС структура попршуеться внаслiдок низького коефщента розкла-ду вихiдних MaTepi^iB, а за температури вишо за 650 0С буде швидке оса-дження eлeмeнтiв третьо! групи, що змшюе стeхiомeтpiю осаджуваного шару. Сформована таким способом структура 2Д фотонного кристалу однорщна за товщиною i пори мають суворо вертикальш стiнки. Отpимaнi структури мають таю параметри: вiдношeння R/а =0,44 i roa/2nd = 0,36, де а - перюд до-piвнюе 500±50 нм, R - paдiус доpiвнюе 200й0 нм, d - вщдаль мiж дipкaми -130±60 нм. 2Д-фотонш кристали з такими параметрами мають повний комплект фотонних щшин.
Вадою цього методу е досить тривалий процес формування пор елек-тронно-променевою лiтогpaфiею, оскiльки для зaсвiчeння використовують електронорезист товщиною бшьше мiкpонa (1,3-1,55) мкм, а чим товстший резист, тим бiльшa вщдаль мiж порами.
У pоботi [4] запропоновано метод швидко! зaсвiчeння електронорезис-та при eлeктpонно-пpомeнeвiй лiтогpaфiï. Якщо зaмiсть eкспозицiï pixel-by-pixel використати single- pixel, тодi швидкiсть експозицп збiльшуеться в 510 paзiв. В мeтодi pixel-by-pixel електронний промшь сфокусований на най-меншу дшянку, на якi дiлиться зразок, i послщовно пересуваеться вiд дiлянки до дшянки, що займае досить багато часу. У запропонованому мeтодi експо-зицiя здiйснюеться розфокусованим променем, себто одночасно всього зраз-ка i можна отримати вiддaль мiж дipкaми менше 100 нм. Але, у paзi зменшен-ня вiддaлi мiж дipкaми не вдаеться уникнути ефекту близькость Експеримен-ти було виконано на зразках арсешду гaлiю за енерги електронного променя 2,5 кеВ i за контpольовaноï змiни дiaмeтpa дipок з використанням експозицп з розфокусованим променем. Внаслщок цього отримали пepiодично розмще-нi окpуглi дipки дiaмeтpом 210 нм i перюдом 300 нм.
Для 2Д та 3Д фотонних кpистaлiв застосовували piзнi тeхнологiï, зок-рема лiтогpaфiю i технологи травлення, подiбнi до тих, що застосовуються в мжроелектрошщ. Деяю з цих тeхнологiй вже застосовують комерцшно, нап-риклад, тaкi як система прямого лазерного запису (Nanoscribe's Direct Laser Writing system) [5]
Хоча е багато публжацш [6-8] з використання молекулярно-промене-во1' ештакси, електроннопроменево1' лiтогpaфiï i piзних способiв сухого травлення, цi процеси досить дороп, хоча дають змогу отримати високояюсш 1Д-, 2Д- та 3Д-фотоннi кристали. Щоб обшти нaнотeхнологiчнi методи з ïхнiм комплексним обладнанням, з'являються aльтepнaтивнi пiдходи для вирощу-вання фотонних кpистaлiв, зокрема, таю як процеси самозбирання з колощ-них розчишв (sol-gel синтез).
У роботах за 2003-2004 pp. [9, 10] пропонують значно дешевший тех-нолопчний процес, що розширяе комплект щiлин у спектральних характеристиках 1Д, 2Д i 3Д фотонних кpистaлiв i сферу 1'х застосування.
Зокрема, в pоботi [11] пропонують для отримання 2Д-фотонних крис-тaлiв використовувати опaловi шаблони. Шаблон виготовляли з оксидо-лов'яного шдш pозмipом (1х 5) см. Для утворення поверхнево1' пдрофшьно1* плiвки зразок шаблону занурювали в водний розчин 0,1 М NaOH i витримува-ли протягом 30 хв. Пдрофшьна плiвкa потpiбнa для стимуляцiï самозбираль-
Haцioнaльний лicoтeхнiчний yнiвeрcитeт yKpa'1'ни
нoгo пpoцесy пoлiстиpoлoвих чaстинoк на oксидoлoв'янiй oснoвi. Bнaслiдoк цьoгo фopмyeться мoнoплiвкa пoлiстиpoлy 2Д-стpyктypи. Дiaметp чaстинoк, якi yтвopюють плiвкy, стaнoвив 519 нм. Шсля цьoгo oтpимaнi зpaзки ^orpi-вають за темпеpaтypи SGGC пpoтягoм 2 годин. Це пoтpiбнo для затоб^ання pyйнyвaння шaблoнy пiд час oтpимaння ФК на oснoвi двooкисy тггану. Пiсля цьoгo вiдбyвaвся пpoцес фopмyвaння 2 Д-фoтoнних кpистaлiв з TiO2 метoдoм електpoхiмiчнoгo oсaдження. Один з електpoдiв - це пoпеpедньo виготовле-ний шaблoн, дpyгий вигoтoвляли з платини. Електpoлiтичний poзчин з 1G % вoднoгo poзчинy TiO2 (PH2). Вщдаль мiж електpoдaми стaнoвилa 1см, натуга 1В. Сеpеднiй дiaметp частишк TiO2 2Gнм. Пiсля електpoхiмiчнoгo oсa-дження зpaзoк витpимyвaли за T=45GиС пpoтягoм 3 гoдин. Отpимaнa CTpy^ тypa фoтoннoгo кpистaлy мала дiaметp дipoк 519 нм.
Нayкoвi спiвpoбiтники iнститyтy мaтеpiaлiв i yнiвеpситетy "Пoлiтеxнi-ка Валенси", Iспaнiя [12], oтpимaли 3D-фoтoннi кpистaли метoдoм синтезу iнвеpсних oпaлiв. Спoчaткy sol-gel синтезoм фopмyвaли oпaлoвий шaблoн i того пoтiм викopистoвyвaли для фopмyвaння iнвеpсних oпaлiв з piзних мате-piaлiв - це пoлiмеpнi, iз сульфщу кaдмiю, кpемнiю та геpмaнiю. Для ^жтого з цих мaтеpiaлiв пoтpiбнo бyлo вигoтoвити шaблoн з певшю вiддaллю мiж дipкaми, oскiльки вщ цьoгo залежить шиpинa чaстoтнoï щшини в спек^ал^ них хapaктеpистикaх, яка для piзних мaтеpiaлiв e piзнoю. Mетoди виготовлен-ня oпaлoвих шaблoнiв sol-gel синтезoм oписaнo в poбoтaх [13,14]. Тут ми скoнцентpyeмo увагу на виготовленш iнвеpсних oпaлiв.
Iнвеpснi пoлiмеpнi oпaли oтpимaли з викopистaнням епoксиднoï смo-ли певнoï в'язгаст з кaтaлiзaтopoм (тpиетилентетpaмiн). Рiдинa змoчye та ди-фyндye в шaблoн i на пpoтягoм 12 годин внаслдак пoлiмеpизaцiï твеpдie. ni-сля ^oro шaблoн yсyвaeться в 1 %-му poзчинi HF. Koефiцieнт зaлoмлення пoлiмеpa мae пopядoк 1,6. Як бaчимo, кoнтpaстнiсть у кoефiцieнтaх зaлoмлен-ня пoлiмеpa i пoвiтpя зaбезпечyeться, але не дoстaтня для фopмyвaння швш-цiннoï щiлини в спекфальних хapaктеpистикaх.
Iнвеpснi oпaли з сульфщу кaдмiю мають дещo вищий кoефiцieнт за-лoмлення - 2.5 i не фopмyють пoвнoцiннoï щiлини (кoнтpaстний пopiг для пoяви щiлини стaнoвить 2,S), але пpoявляють хopoшi ornrnm влaстивoстi. Пpoцес oтpимaння iнвеpсних oпaлiв здiйснюють в два етапи. На пеpшoмy
1G 2
етaпi oпaлoвий шaблoн oпyскaють у вoдний poзчин 2.5^ " M CdSO4. На дpy-гoмy етaпi oпaл/CdSO4 зaнypюють у вoдний poзчин
3,5-1G M S=C(NH2)2. Час
здiйснення пpoцесy на кoжнoмy етaпi залежить вiд вимoг дo poзмipiв CTpy^ тypи. Обидва етапи вiдбyвaються за темпеpaтypи 6G° i в пpисyтнoстi кaтaлiзa-тopa (aмoнiю). Шляхoм тpaвлення в 1 % poзчинi HF yсyвaeться шaблoн.
Нaйбiльший кoнтpaстний кoефiцieнт зaлoмлення мають геpмaнieвi ш-веpснi oпaли i вiн дopiвнюe 4. Це po6rnb ïx нaйбiльш цiкaвим мaтеpiaлoм для ствopення фoтoнниx кpистaлiв з ч^га виpaженoю щiлинoю в спектpaльнiй ха-paктеpистицi. Геpмaнieвi iнвеpснi oпaли мoжнa oтpимaти двoмa спoсoбaми. Пеpший спoсiб - це викopистaння poзчинy [Ge(OCH3)4] в який зaнypюють ша-блoн i який нaгpiвaють дo висoкoï темпеpaтypи, пpиблизнo 7GG GC. Але сшчат-ку пyстoти в шaблoнi, внaслiдoк гiдpoлiзy, зaпoвнюються мiкpoчaстинкaми (1GG нм) GeO2, тoмy темпеpaтypy чеpез певний час знижують дo 55GgC i oтpи-
мують пустоти, заповнеш гермашем. Пiсля закiнчення процесу шаблон усу-ваеться травленням. Цим способом досить важко отримати суворо впорядкова-ну структуру, що ютотно вплине на оптичнi властивостi фотонного кристалу.
Другий спошб базуеться на осадженш хiмiчним випаровуванням i усу-вае ваду першого способу, себто невпорядковашсть структури. Процес оса-дження здшснюеться у вакуумi порядку 5-10-6 Па в присутностi Ge2H6. За охолодження шаблону рщким азотом Ge2H6 осiдае на шаблонi i заповнюе пустоти. Пiсля цього зразки про^валися до температури бiльше 473К i менше 623К для розкладу Ge2H6 на Ge i H2. Коли пустоти були заповненi гермашем зразок ще раз прогрiвався до температури 770К для отримання кристалiчного германiю. Пiсля закiнчення процесу усувався шаблон. Фотонш кристали от-римаш цим методом, мають хорошу впорядковану структуру.
Кремнiевi iнверснi опали мають також високий контрастний показник заломлення, який дорiвнюе 3,5. Крiм того, вони можуть бути легко виготов-леш в частотному дiапазонi щкавому для комунiкацiйних технологiй. Крем-нiевi iнверснi опали мають повну щшину в спектральнiй характеристицi, яка становить 1,5 мкм. I отримаш хiмiчним осадженням мають добре впорядковану структуру. Як джерело для отримання кремшевого шверсного опалу ви-користовують Si2H6. Процес спочатку вiдбувався за температури 2500С, пот-рiбноï для розкладу дiсiлану i часткового заповнення шаблону. Для повного заповнення шаблону температуру тдвишували до 3500С i витримували пев-ний час. Шсля цього зразки ще раз про^вають до температури 6000С для отримання кристалiчноï структури та усувають шаблон.
У роботi [15] запропоновано споЫб виготовлення опалового шаблону i фотонних кристалiв з оксиду титану sol-gel методом. Для отримання фотонних кристалiв використали розчин, до складу якого увшшли iзопропоксид титану, анпдрид етанолу, дiетаноламiн i деюшзована вода з молярним сшввщ-ношенням 1: 40:0,6:3,3. У цей розчин вертикально опускали попередньо виго-товлений шаблон з кварцу, пори якого заповнювалися гелеподiбним оксидом титану, витюняючи повiтря. Синтез вiдбувався за температури 5200С до згу-щення i кристалiзацiï аморфного оксиду титану. Цикл вмочування i синтезу повторювали вщ 500 до 6000 раз для отримання кращого заповнення пустот. Шсля закшчення циклу отриману структуру занурювали в 20 %-й теплий розчин NaOH i витримували 24 години до повного усунення шаблону, зали-шаючи пори в структурi оксиду титану. Отриманi таким методом фотонш кристали вщзначаються досконалою структурою. Ефективний коефщент заломлення для ^eï структури можна розрахувати за формулою:
Пеф =л1 Нг02 + (1 - f )П1
де f- коефiцieнт заповнення твердою фазою, птг02~ 2,3, пиое=1. Знаючи зна-чення пеф, можна визначити довжину хвилг
А=1,63 n^d, де d - вiддаль мiж пустотами (дiрками).
Висновок. 1снуе досить великий вибiр технологiй виготовлення фотонних кристалiв. Можна застосувати технолопчш методи, вже освоeнi i дос-лiдженi при отриманнi iнтегральних мжросхем субмiкронних розмiрiв, але у
Нащональний лкотехшчний унiверситет Украши
випадку таких технолопчних процесiв, як молекулярно-променева ештакЫя, електро-променева лiтографiя та cyxi методи травлення, треба врахувати, що вони е досить дорогi i тривалi в часi. Бiльш перспективними е методи синтезу за допомогою sol-gel процесу, особливо з використанням опалового шаблону. Цим методом можна сформувати фотонш кристали з напiвпровiдникових ма-терiалiв, що дае змогу сформувати повнощнну зону в спектральних характеристиках. Основною складшстю в отриманш фотонних кристалiв е 1хне виго-товлення з вiдповiдним рiвнем точност^ щоб уникнути втрати на розсдаван-нi. Також важко довести технологи виготовлення до масового виробництва.
Лггература
1. Bingshe X., Solid State Communications / X. Bingshe, H. Deide, L. Jion, 133(2005)353-356.
2. Gabrini S., Microelectronic Engineering / S. Gabrini, A. Carpentiero, R. Kumar, 78-79 (2005)11-15.
3. Takeda J., Journal of Crystal Growth / J. Takeda, M. Inari, J. Motohisa, T. Fukui, 015(2004).
4. Stomeo T., Supperlattices and Microstructures / T. Stomeo, A. Passaseo, R. Cingolani, 36(2004)263-240.
5. Homepage of Nanoscribe-a spinoff enterprise of the Karlsruhe Institute of Technology. [Електронний ресурс]. - Доступний з http://www.nanoscribe.de.
6. Imada M., Phts.Rev / M. Imada, A. Chutinau, S. Noda. B65(2002)195306.
7. Mekis A., Phys.Rev.Lett / A. Mekis, J. Chen, I. Karland 77(1996)3787.
8. Jonson S., Phys.Rev. / S. Jonson, P. Villeneuve, S. Fan, R62(2000)8212.
9. Matsushita S., Chem.Lett / S. Matsushita, T. Miva, A. Fujishima.(1997)925-926.
10. Jiang P., Chem. Mater. / P. Jiang, et.al,11(1999)2132.
11. MatsushitaS., Colloids and Surfaces A: Physikochem.Eng.Aspects / S. Matsushita, N. Fukuda, M. Shimomura, 032(2004).
12. MeseguerF.. Colloids and Surfaces A: Physicochemical.Eng.Aspects / F. Meseguer, A. Blanco, H. Miguez, et.al. 202(2002) 281-290.
13. Yu A., Phys.Rev / A. Yu, A. Vlasov, et.al. B55(1997)13357.
14. Miguez H., Appl.Phys.Lett / H. Miguez, et.al., 71(1997)1148.
15. Kuai S., Journal of Crystal Grouwth / S. Kuai, X. Hu, V. Truong, 259(2003)404-410.
УДК 674.09 Ст. викл. С.1. Коширець; проф. Ю.1. Грицюк,
д-p техн. наук - НЛТУ Украти, м. Лbвiв
МОДЕЛЮВАННЯ ВАД ДЕРЕВИНИ
Розроблено iмiтацiйну модель, яка вщтворюе внутршш вади деревини, а також дае змогу врахувати i"i яюсш фактори в загальнш моделi процесу розкрою колод на пиломатерiали. Ця модель уможливлюе прогнозування якюного виходу пиломатерь алiв з урахуванням специфши вад пласт! та крайки дощок. Бшьшють вад деревини в цш моделi подано у виглядi просторових ф^р - конуав або елшсо!дов.
Senior teacher S.I. Koshyrets;prof. Yu.I. Gryciuk-NUFWTof Ukraine, L'viv
Design of defects of wood
A simulation model, which reproduces the internal defects of wood, and also enables to take into account its high-quality factors in the general model of process will cut out logs on saw-timbers, is developed. This model does possible prognostication of high-quality output of saw-timbers taking into account the specific of defects layer and edge of boards. Most defects of wood in this model are given as spatial figures - cones or ellipsoids.
