Нанофотоника алмаза (курс лекций)

Лекция 1
Алмаз
Востребованность в современной науке и технике.
Синтез.
ФГБОУ ВПО
«Московский государственный технический университет радиотехники
электроники и автоматики»
Алмаз
 Теплопроводность – 2100 Вт/(м·К)
 Твёрдость – 100 ГПа
 Показатель преломления – 2,418
 Высокая химическая инертность
 Стойкость к радиационным
воздействиям
Алмаз
Монокристаллический
• Теплоотводы
• Подложки для
электроники
• УФ детекторы
• Ювелирные изделия
+Порошки
• инструмент и
механическая
обработка
• источник засева для
поликристаллического
материала
• малоразмерные
источники
люминесценции
Поликристаллический
Пластины
Пленки
• Окна для
мощных
источников
Толстые
Тонкие
излучения
(от 10 мкм)
(менее 3 мкм)
• Теплоотводы
• Материал для
• Грубые защитные • Гладкие
МЭМС
покрытия
защитные
• Теплоотводящие
покрытия
слои
• Снижение
коэффициента
трения
• Мембраны
Востребованность тонких алмазных пленок
Применения:
 Теплоотводящие слои
 Химически стабильные электроды
(необходимо легирование бором)
 Упрочняющие покрытия
(инструмент)
Микрокристаллическая алмазная пленка
(MCD: размер зерен до 500 нм)
 Защитные слои (в т.ч. для
оптических элементов)
 Антифрикционные покрытия
 Источники полевой эмиссии
 Источники узкополосной
люминесценции на центрах
окраски (Si-V, N-V)
 Мембраны (сенсоры давления,
Нанокристаллическая алмазная пленка
(NCD: размер зерен менее 100 нм)
фотонные кристаллы, окна, маски
для рентгеновской литографии)
Метод «Высоких давлений-Высоких температур»
Режимы изменения условий
Плавное
сдавливание
Взрыв
Упрощенная фазовая
диаграмма углерода. Изменение
условий для перехода
«Графит-Алмаз»
Пресс для синтеза
Загрязнение синтезируемого алмаза методом
ВДВТ
алмаза материалом
катализаторов/взрывчатки!
Система синтеза
ультрадисперсного алмаза
(УДА) взрывным методом
Осаждение алмаза из газовой фазы (CVD)
Методы активации газа:
● Микроволновая плазма
● Горячая нить
● Дуговой разряд
● Лазерная плазма
● СВЧ факел
● Пламя (ацетиленовая горелка)
Структура поликристаллических алмазных CVD пленок
Алмазная пленка толщиной 30 мкм на подложке кремния
Необходимая плотность нуклеации*
*число центров кристаллизации на единицу поверхности
Алмазные частицы после CVDсинтеза
Размер частиц – 1-2 мкм
Плотность нуклеации – 107 см-2
h  2n  d

1
2
h –толщина пленки, нм;
n – плотность нуклеации, нм-2;
d – диаметр зародыша, нм.
Для пленок толщиной от 1 мкм
необходима плотность
нуклеации более 108 см-2.
Зависимость минимальной толщины
алмазного слоя от плотности нуклеации
Для пленок толщиной 100 нм
– более 1010 см-2.
Суспензии наноалмаза
Основным методом засева на сегодняшний день остается ультразвуковая
обработка образцов в суспензии алмазных порошков
Подложка сапфира с
нанесенными
частицами наноалмаза
Суспензия УДА в ацетоне
Жидкости:
- Ацетон
- Изопропиловый спирт
- ДМСО
- Этиловый спирт
- Вода
Впервые идея использования для засева взрывные алмазные
нанопорошки была выдвинута в ИОФ РАН:
Smolin, A.A., Ralchenko, V.G., Pimenov, S.M., Kononenko, T.V. and
Loubnin, E.N. (1993) Optical monitoring of nucleation and growth of
diamond films, Appl. Phys. Lett. 62, 3449–3451.
Равномерность толщины и структуры
синтетических алмазных CVD пленок
Профиль толщины
пленки вдоль
подложки.
Краевой эффект.
Скол алмазной пленки
толщиной 7.9 мкм.
Оптический микроскоп.
Спектры КР алмазной пленки на
различном удалении от края
подложки
Структура не меняется!
Лекция 2
Прямые и инвертированные
алмазные опалы
ФГБОУ ВПО
«Московский государственный технический университет радиотехники
электроники и автоматики»
Опаловые матрицы
Институт нанотехнологий, Техасский Университет, Даллас
период 250-310 нм, толщина до 1 мм
Углеродные реплики опаловых структур
Опаловые матрицы – удобные структуры для получения
- нанокомпозитов,
- фотонных кристаллов из различных материалов;
- матриц с новыми магнитными, био-свойствами.
Реплики из различного вида углерода:
● стеклоуглерод [A. Zakhidov et al. Science 282 (1998) 897;
M.W. Perpall et al. Langmuir 19(2003)7153]
● нанотрубки [A. Lan et al. APL 91(2002) 433]
● алмаз [A. Zakhidov et al. Science 282 (1998) 897].
Графитовые реплики опала
A.A. Zakhidov et al. Science 282 (1998) 897
·
Алмазные опалоподобные матрицы
● высокий показатель преломления n = 2,38 (n (SiO2) = 1,45)
● возможность управлять проводимостью алмаза (менять на много
порядков) путем гидрогенизации/окисления поверхности;
● химическая инертность;
● наличие интенсивных линий фотолюминисценции (Si-V, N-V);
● оптическая прозрачность в диапазоне длин волн 225 нм – ВЧ;
● носитель катализаторов
A. Zakhidov et al. Science 282 (1998) 897
Первая и вторая реплики опала
Алмазный опал
Скол синтетического
опала (L = 1 см)
Изображение РЭМ исходного опала
(диаметр шаров 300 нм)
Этапы формирования алмаза:
-
удаление воды из пор (150оС)
-
Засев порошками наноалмаза
CVD рост
Удаление опаловой матрицы
Инвертированный алмазный опал.
Матрица SiO2 удалена.
Спектры КР на сколе композита опал-алмаз-графит
в зависимости от расстояния до границы с алмазной пленкой
(толщина опала ~600 мкм)
1333,5 (алмаз)
Интенсивность, отн. ед.
40000
1597 (G пик)
1356 (D пик)
1 мкм
30000
9 мкм
17 мкм
20000
32 мкм
54 мкм
10000
70 мкм
● алмаз в нескольких
(<10 слоёв) слоях шаров.
500 мкм
0
1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800
-1
Сдвиг КР, см
● графит присутствует на
глубинах в сотни микрон.
Лекция 3
Алмазные наномембраны в фотонике
ФГБОУ ВПО
«Московский государственный технический университет радиотехники
электроники и автоматики»
Алмазные мембраны
Применение алмазных мембран
Рентгеновская литография
Усилители вторичной
электронной эмиссии
М.Э. Белоусов, Э.А. Ильичев и др. Письма в ЖТФ 38 (2012), 49
Рентгеновский лазер
Оптические резонаторы на
основе алмазных мембран
J. Riedrich-Möller et al. Nature Nanotechnology 7 (2012), 69
Изготовление мембран большого
диаметра.
Маска – скотч, предохраняет участок подложки от засева в суспензии частиц
наноалмаза.
Кислоты HF : HNO₃ : CH₃COOH (1:1:1)
Алмазная маска защищает подложку от воздействия кислоты при травлении.
5 минут роста.
N = 1011 см-2.
Идея использовать алмазную пленку в качестве маски при
получении мембран была впервые реализована Смолиным А.А. и
Пименовым С.М. (ИОФ РАН) в 90-е годы.
Микро- и нанокристаллические алмазные мембраны
MCD
NCD
Шероховатость
MCD: Rа = 264 нм, Rrms = 343 нм.
NCD: Rа = 40 нм, Rrms = 59 нм.
Толщины пленок:
MCD - 1,2 мкм
NCD - 1 мкм
Спектры КР мембран
• Алмазный пик (1332 см-1)
MCD мембран выражен
более ярко
NCD
MCD
Cпектры КР
• NCD мембраны содержат
большое количество
графита
• Характерный признак
нанокристаллической
пленки –
трансполиацетилен (на
границах зерен)
Толщины пленок составляют:
MCD - 1,2 мкм (красный)
NCD - 1 мкм (синий)
Структура транс-полиацетилена
Изготовление массивов
тонких алмазных микромембран
Массив алмазных микромембран
Травление
Окно в алмазной маске, полученное
методом лазерной абляции
(оптический микроскоп)
Нанокристаллическая мембрана,
толщина 250 нм.
(оптический микроскоп)
Механизм «внешнего» in-situ легирования
алмазной пленки кремнием
Схема процесса.
Источник легирующей примеси –
незасеянные подложки кремния.
Атомарный водород плазмы производит
травление кристаллического кремния,
обеспечивая поступление атомов Si в
плазму.
Спектр фотолюминесценции и спектр
КР (всавка) алмазных пленок,
выращенных на подложках Mo с
добавлением пластин кремния (синяя
линия) и без него (красная линия).
Легирование усиливает фотолюминесценцию алмаза!
Наночастицы алмаза, легированные Si на
подложках меди, кварца и сапфира
Изображение РЭМ изолированных
алмазных наночастиц, осажденных на
сапфировую
подложку.
Размер
кристаллитов <100 нм.
Спектры ФЛ
Оптические резонаторные структуры на
тонких алмазных мембранах
Геометрия структуры M1
(a) и распределение
магнитного поля Hy на
поверхности структуры
Геометрия структуры M3
(a) и распределение
магнитного поля Hy на
поверхности структуры
Kreuzer, C., Riedrich-Möller et al..
Design of photonic crystal
microcavities in diamond films. Opt.
Express 16, 1632(2008).
Bayn, I. et al. Processing of photonic
crystal nanocavity for quantum
information in diamond. Diamond
Relat. Mater. 20, 937–943 (2011).
Структура M7 на
монокристаллической
мембране и спектр ФЛ
J. Riedrich-Möller et al. // Nature
Nanotechnology 7, 69 (2012).
Травление фокусированным ионным пучком (ФИП)
Схема травления ФИП
Режимы травления ионами Ga+:
-
Ускоряющее напряжение 30 кВ
Ток ионного пучка от 10 до 100 пА
Время однократной экспозиции 1 мс
Глубина травления от 10 нм до 2 мкм
Двулучевой электронно-ионный
микроскоп Quanta 3D FEG (МГУ)
Негативные эффекты:
- Загрязнение образца атомами травителя
(имплантация ионов)
- Механические и термические нагрузки на
обрабатываемый материал
- Увеличение концентрации дефектов
- Переосаждение стравленного материала
Формирование массива резонаторов
Изображение РЭМ изготовленных методом ФИП
структур на алмазной мембране толщиной 300 нм:
(1) срез для определения толщины мембраны;
(2) утонение и сглаживание участка мембраны для
формирования резонаторных структур;
(3) структуры типа М1;
(4) структура типа М3;
(5) структуры типа М7.
Поверхность алмазной пленки
сглаживалась ионным пучком перед
формированием резонаторной структуры
Формирование оптических резонаторов
на алмазных мембранах
Структуры оптических резонаторов типа M1, M3 и М7 на тонкой (300 нм)
NCD мембране. Прямоугольная область 5х7 мкм2 предварительно
сглажена под действием ФИП. Точность формирования отверстий ионным
пучком – 10 нм.
Заключение

Алмаз является перспективным материалом для применения в нанофотонике и квантовой
оптике в качестве стабильного источника однофотонного излучения;

Методом газофазного осаждения может быть синтезирован как чистый, беспримесный алмаз,
так и алмаз, легированный выбранной примесью для формирования оптически активных
дефектов (Si-V, N-V и др.);

Наноструктурирование алмаза позволяет создавать фотонные кристаллы с широкой фотонной
запрещенной зоной. Примером таких фотонных кристаллов могут быть алмазные пленки со
структурой прямого и инвертированного опала, полученные методом CVD с использованием
природных или синтетических опаловых матриц..

Изготовление на тонких алмазных мембранах методом ФИП оптических резонаторных
структур
приводит
к
узкополосному
усилению
фотолюминесценции.
усиливаемого излучения зависят от геометрии сформированных структур.
Длины
волн