Δηµιουργία νανοδοµών στην επιφάνεια πυριτίου µε laser για καινοτόµες οπτοηλεκτρονικές εφαρµογές

Transcript

1 ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΕΠΙΣΤΗΜΟΝΙΚΩΝ ΜΕΛΕΤΩΝ 2013 Δηµιουργία νανοδοµών στην επιφάνεια πυριτίου µε laser για καινοτόµες οπτοηλεκτρονικές εφαρµογές Μαρία Κάνδυλα, Δόκιµος Ερευνήτρια, Εθνικό Ίδρυµα Ερευνών Παύλος Λαγουδάκης, Professor, University of Southampton Δόµνα Κοτσιφάκη, Μεταδιδακτορική Ερευνήτρια, Εθνικό Ίδρυµα Ερευνών Δεκέµβριος 2013

2 Summary Silicon substrates, covered with uniform and quasi-periodic microspikes or nanospikes, were fabricated by irradiation of silicon by a large number of laser pulses in SF 6 gas or water, respectively. The microspikes were created by irradiation with nanosecond laser pulses, while the nanospikes with femtosecond laser pulses. Nanostructured silicon substrates were coated by a thin layer of ZnO, using pulsed laser deposition. A Si/ZnO heterojunction with large surface area was formed and its structural, optical, and electrical properties were characterized. Additionally, nanostructured silicon substrates were coated by thin layers of Ag or Cu/Au and employed as substrates for optical trapping of polystyrene nanobeads. The optical forces in the presence of the nanostructured, coated substrates increased ten times compared with optical forces induced in a conventional optical trap. The optical force and the quality factor of the optical trap decay exponentially with the distance from the coated, nanostructured substrates, following the decay of the near field of the metallic nanospikes. The formation of metallic nanostructures on the surface of the silicon substrates results in electromagnetic near-field enhancement due to the excitation of plasmon resonances during optical trapping, increasing the quality factor and the trapping force close to the surface. Περίληψη Στην εργασία αυτή κατασκευάσθηκαν υποστρώµατα πυριτίου καλυµένα µε οµοιόµορφες και ηµιπεριοδικές µικροακίδες ή νανοακίδες, οι οποίες δηµιουργήθηκαν από την ακτινοβόληση του πυριτίου µε µεγάλο αριθµό παλµών laser µέσα σε αέριο SF 6 ή νερό, αντίστοιχα. Οι µικροακίδες δηµιουργήθηκαν µε παλµούς nanosecond laser ενώ οι νανοακίδες µε παλµούς femtosecond laser. Τα νανοδιαµορφωµένα υποστρώµατα πυριτίου επιστρώθηκαν µε ένα λεπτό στρώµα ZnO µε τη µέθοδο της παλµικής εναπόθεσης µε laser. Με τον τρόπο αυτό δηµιουργήθηκε µια ετεροδοµή Si/ZnO µε µεγάλη ενργό επιφάνεια και µελετήθηκαν οι δοµικές, οπτικές και ηλεκτρικές της ιδιότητες. Επίσης, νανοδιαµορφωµένα δείγµατα πυριτίου επιστρώθηκαν µε λεπτά υµένια Ag ή Cu/Au και χρησιµοποιήθηκαν ως υποστρώµατα για την οπτική παγίδευση νανοσφαιριδίων πολυστυρενίου. Οι οπτικές δυνάµεις παρουσία των επιστρωµένων, νανoδιαµορφωµένων υποστρωµάτων παρουσίασαν

3 δεκαπλάσιο µέτρο σε σχέση µε τις δυνάµεις µιας συµβατικής οπτικής παγίδας. Οι οπτικές δυνάµεις και ο συντελεστής ποιότητας της οπτικής παγίδας µειώνονται εκθετικά µε την απόσταση από τα επιστρωµένα, νανοδιαµορφωµένα υποστρώµατα, ακολουθώντας την εκθετική πτώση του τοπικού ηλεκτροµαγνητικού πεδίου των µεταλλικών νανοακίδων. Η ανάπτυξη µεταλλικών νανοδοµών στην επιφάνεια των υποστρωµάτων πυριτίου συµβάλει στην ενίσχυση του τοπικού ηλεκτροµαγνητικού πεδίου µέσω της διέγερσης επιφανειακών πλασµονίων κατά τη διαδικασία της οπτικής παγίδευσης, οδηγώντας στην ενίσχυση του συντελεστή ποιότητας και της οπτικής δύναµης κοντά στα υποστρώµατα.

4 1. Εισαγωγή Ο στόχος της παρούσας ερευνητικής µελέτης είναι η δηµιουργία µικροακίδων και νανοακίδων στην επιφάνεια δειγµάτων πυριτίου µε ακτινοβόληση µε παλµικά συστήµατα laser και η χρήση των δειγµάτων αυτών για την ανάπτυξη οπτικών και ηλεκτρονικών διατάξεων. Στα πλαίσια της µελέτης ολοκληρώθηκαν τέσσερεις ενότητες εργασίας, οι οποίες περιγράφονται αναλυτικά παρακάτω ως προς τη µεθοδολογία και τα αποτελέσµατά τους. 2. Ενότητα εργασίας 1: Βελτιστοποίηση πειραµατικών παραµέτρων για τη δηµιουργία µικροδοµών. Ο σκοπός αυτής της ενότητας εργασίας είναι η ανάπτυξη µικροακίδων στην επιφάνεια πυριτίου, κατά την ακτινοβόληση του πυριτίου µε µεγάλο αριθµό παλµών laser µέσα σε κατάλληλο χηµικό περιβάλλον αερίου SF 6. Η ενότητα ολοκληρώθηκε µε επιτυχία στο Εθνικό Ίδρυµα Ερευνών και έχουµε δηµιουργήσει δείγµατα πυριτίου καλυµµένα µε οµοιόµορφες ηµιπεριοδικές ακίδες. Α. Πειραµατική διάταξη Η πειραµατική διάταξη που αναπτύξαµε στο Εθνικό Ίδρυµα Ερευνών απεικονίζεται σχηµατικά στην Εικόνα 1: Εικόνα 1: Σχηµατική αναπαράσταση πειραµατικής διάταξης. Το σύστηµα laser είναι ένα παλµικό Q-switched Nd:YAG laser µε διάρκεια παλµού 10 ns, επαναληπτικότητα παλµών 10 Hz, µέση ενέργεια 25 mj ανά παλµό και µπορεί να λειτουργήσει τόσο στο θεµελιώδες µήκος κύµατος των 1064 nm όσο και στις αρµονικές αυτού µε µήκη κύµατος 532 nm, 355 nm και 266 nm. Οι παλµοί που εξέρχονται από το laser καθοδηγούνται προς την πειραµατική διάταξη µε ένα σύστηµα από καθρέπτες και εστιάζονται στην επιφάνεια του δείγµατος µε τη χρήση

5 ενός φακού εστιακής απόστασης 20 cm, η απόσταση του οποίου από το δείγµα είναι µεταβαλλόµενη ώστε να προσαρµόζεται ανάλογα η διάµετρος της δέσµης στην επιφάνεια του δείγµατος. Τα δείγµατα πυριτίου τοποθετούνται µέσα σε ένα θάλαµο κενού. Ο θάλαµος εκκενώνεται µέχρι τα 10-3 mbar µε τη χρήση µιας περιστροφικής αντλίας (rotary pump) και στη συνέχεια τον γεµίζουµε µε αέριο SF 6 σε πίεση mbar. Το δείγµα ακτινοβολείται µε ένα µεγάλο αριθµό παλµών, συνήθως παλµούς. Οι παλµοί εισέρχονται στο θάλαµο κενού µέσα από ένα παράθυρο από χαλαζία, το οποίο βρίσκεται στην πάνω επιφάνεια του θαλάµου. Οι δοµές που σχηµατίζονται στην επιφάνεια του πυριτίου εξετάζονται µε ηλεκτρονικό µικροσκόπιο SEM. Μία φωτογραφία της διάταξης από το εργαστήριό µας παρουσιάζεται στην Εικόνα 2. Β. Αποτελέσµατα Εικόνα 2: Φωτογραφία πειραµατικής διάταξης. Στην Εικόνα 3 φαίνεται η απεικόνιση SEM υπό γωνία 45 ενός δείγµατος πυριτίου το οποίο έχει ακτινοβοληθεί µε 1000 παλµούς laser µε µήκος κύµατος 355 nm και φωτεινή ροή 0.9 J/cm 2, µέσα σε θάλαµο κενού γεµισµένο µε αέριο SF 6 σε πίεση 500 mbar. Η επιφάνεια φαίνεται µαύρη µε γυµνό µάτι αλλά στο ηλεκτρονικό µικροσκόπιο φαίνεται ότι είναι καλυµµένη µε κωνικές ακίδες πυριτίου, οι οποίες έχουν διάµετρο µικρότερη από 2 µm στην κορυφή. Εικόνα 3: Ακτινοβοληµένη επιφάνεια πυριτίου στο µικροσκόπιο SEM.

6 Η πιο κρίσιµη παράµετρος για τη δηµιουργία των ακίδων είναι η ένταση της δέσµης laser. Στην Εικόνα 4 φαίνονται τα αποτελέσµατα της ακτινοβόλησης της ίδιας επιφάνειας πυριτίου για τρεις διαφορετικές τιµές της έντασης laser, κρατώντας όλες τις υπόλοιπες συνθήκες ίδιες, δηλαδή 1000 παλµοί laser, µήκος κύµατος 355 nm και πίεση αερίου SF mbar. Η Εικόνα 4α, η οποία αντιστοιχεί σε φωτειµή ροή 0.7 J/cm 2, δείχνει ότι αν η ένταση της δέσµης laser είναι χαµηλότερη από όσο χρειάζεται τότε η επιφάνεια του πυριτίου αποκτά µια πιο ήπια µορφολογία η οποία δε χαρακτηρίζεται από ακίδες. Οι ακίδες εµφανίζονται στην Εικόνα 4β, η οποία αντιστοιχεί σε φωτεινή ροή 0.9 J/cm 2, ενώ αν αυξήσουµε κι άλλο την ένταση του laser σχηµατίζεται κρατήρας στην επιφάνεια του πυριτίου, όπως φαίνεται στην Εικόνα 4γ, η οποία αντιστοιχεί σε φωτεινή ροή 1.2 J/cm 2. Εικόνα 4α: Απεικόνιση SEM ακτινοβοληµένου δείγµατος πυριτίου µε φωτεινή ροή 0.7 J/cm 2. Εικόνα 4β: Απεικόνιση SEM ακτινοβοληµένου δείγµατος πυριτίου µε φωτεινή ροή 0.9 J/cm 2. Εικόνα 4γ: Απεικόνιση SEM ακτινοβοληµένου δείγµατος πυριτίου µε φωτεινή ροή 1.2 J/cm 2. Οι άλλες παράµετροι που υπεισέρχονται στη δηµιουργία των ακίδων είναι η πίεση του αερίου SF 6 και ο αριθµός των παλµών laser που ακτινοβολούν το δείγµα. Δοκιµάσαµε τη δηµιουργία ακίδων σε δύο διαφορετικές πιέσεις SF 6, στα 500 mbar και στα 800 mbar, και δεν παρατηρήσαµε διαφορά στη µορφολογία των ακίδων. Κρατήσαµε τον αριθµό των παλµών laser από 1000 παλµούς και άνω, ώστε οι ακίδες να είναι καλά σχηµατισµένες. Γ. Παραδοτέα Το παραδοτέο της πρώτης ενότητας εργασίας είναι η ανάπτυξη µικροακίδων στην επιφάνεια πυριτίου και ο χαρακτηρισµός τους. Στις προηγούµενες παραγράφους παρουσιάσαµε την πειραµατική διάταξη που αναπτύξαµε για τη δηµιουργία µικροακίδων και τα αποτελέσµατα που πήραµε. Η δηµιουργία µικροακίδων στην επιφάνεια πυριτίου ήταν επιτυχηµένη και οι πειραµατικές παράµετροι έχουν βελτιστοποιηθεί για τη δηµιουργία λεπτών και πυκνών ακίδων στην επιφάνεια του πυριτίου.

7 3. Ενότητα εργασίας 2: Βελτιστοποίηση πειραµατικών παραµέτρων για τη δηµιουργία νανοδοµών. Ο σκοπός αυτής της ενότητας εργασίας είναι η ανάπτυξη νανοακίδων στην επιφάνεια πυριτίου, κατά την ακτινοβόληση του πυριτίου µε µεγάλο αριθµό παλµών femtosecond laser µέσα σε νερό. Η ενότητα ολοκληρώθηκε µε επιτυχία στο University of Southampton, UK, και έχουµε δηµιουργήσει δείγµατα πυριτίου καλυµµένα µε οµοιόµορφες ηµιπεριοδικές νανοακίδες. Α. Πειραµατική διάταξη Η πειραµατική διάταξη που αναπτύξαµε στο University of Southampton απεικονίζεται σχηµατικά στην Εικόνα 5: Εικόνα 5: Σχηµατική αναπαράσταση πειραµατικής διάταξης. Το σύστηµα laser είναι ένα παλµικό femtosecond Ti:sapphire laser µε διάρκεια παλµού 200 fs, µήκος κύµατος 800 nm και επαναληπτικότητα παλµών 20 KHz. Για τους σκοπούς του πειράµατος, χρησιµοποιήσαµε ένα µη γραµµικό κρύσταλλο διπλασιασµού της συχνότητας στην έξοδο του laser και υποδιπλασιάσαµε το µήκος κύµατος στα 400 nm. Οι παλµοί που εξέρχονται από το laser καθοδηγούνται προς την πειραµατική διάταξη µε ένα σύστηµα από καθρέπτες και εστιάζονται στην επιφάνεια του δείγµατος µε τη χρήση ενός φακού εστιακής απόστασης 5 cm ή µε ένα φακό µικροσκοπίου, η απόσταση του οποίου από το δείγµα είναι µεταβαλλόµενη ώστε να προσαρµόζεται ανάλογα η διάµετρος της δέσµης στην επιφάνεια του δείγµατος. Τα δείγµατα πυριτίου τοποθετούνται µέσα σε ένα δοχείο µε απεσταγµένο νερό. Αφήνουµε το δείγµα να ακτινοβοληθεί 3-5 s µέσα στο νερό και στη συνέχεια εξετάζουµε τη µορφολογία της επιφάνειας µε ηλεκτρονικό µικροσκόπιο SEM.

8 Β. Αποτελέσµατα Στην Εικόνα 6 φαίνεται η απεικόνιση SEM υπό γωνία 45 ενός δείγµατος πυριτίου το οποίο έχει ακτινοβοληθεί για 3 s µέσα σε νερό. Παρατηρούµε ότι στην περιοχή στην οποία έχει ακτινοβοληθεί η επιφάνεια, η µορφολογία έχει αλλάξει. Εικόνα 6: Ακτινοβοληµένη επιφάνεια πυριτίου στο µικροσκόπιο SEM. Στην Εικόνα 7 φαίνεται η ίδια επιφάνεια µε την Εικόνα 6, σε µεγαλύτερη µεγέθυνση. Παρατηρούµε ότι η ακτινοβοληµένη επιφάνεια έχει καλυφθεί από νανοακίδες ύψους περίπου 500 nm, µε διάµετρο περίπου 150 nm. Εικόνα 7: Ακτινοβοληµένη επιφάνεια πυριτίου στο µικροσκόπιο SEM. Με το femtosecond σύστηµα laser δηµιουργούµε νανοακίδες στην επιφάνεια του πυριτίου, ενώ µε το nanosecond σύστηµα laser δηµιουργούµε µικροακίδες. Η διαφορά οφείλεται στη διαφορετική διάρκεια των παλµών που παράγει το κάθε σύστηµα. Όταν το υλικό ακτινοβολείται µε femtosecond παλµούς, η επιφάνειά του λιώνει πάρα πολύ γρήγορα και από τη συµβολή του φωτός που διαθλάται και σκεδάζεται από τη λιωµένη επιφάνεια, δηµιουργούνται τριχοειδή κύµατα (capillary waves). Η λιωµένη επιφάνεια ψύχεται γρήγορα, επειδή βρίσκεται µέσα σε νερό, και οι κυµατισµοί στερεοποιούνται, δηµιουργώντας µια ανοµοιόµορφη επιφάνεια. Οι επόµενοι παλµοί του laser απορροφούνται ανοµοιόµορφα λόγω της τραχύτητας της επιφάνειας και µετά από µεγάλο αριθµό παλµών, οι αρχικοί κυµατισµοί διαµορφώνονται σε νανοακίδες [1]. Με τους nanosecond παλµούς, µέχρι να

9 ολοκληρωθεί η απορρόφηση των παλµών και να λιώσει η επιφάνεια, τα τριχοειδή κύµατα έχουν αποσβεσθεί και έχουν αντικατασταθεί από µικροµετρικών διαστάσεων κυµατισµούς, οι οποίοι στεροποιούνται στην επιφάνεια και οδηγούν σε µικροακίδες. Γ. Παραδοτέα Το παραδοτέο της δεύτερης ενότητας εργασίας είναι η ανάπτυξη νανοακίδων στην επιφάνεια πυριτίου και ο χαρακτηρισµός τους. Στις προηγούµενες παραγράφους παρουσιάσαµε την πειραµατική διάταξη και τα αποτελέσµατα που πήραµε. Η δηµιουργία νανοακίδων στην επιφάνεια πυριτίου ήταν επιτυχηµένη και τα δείγµατα που φτιάξαµε σε αυτή την ενότητα εργασίας χρησιµοποιήθηκαν ως υποστρώµατα σε άλλες ενότητες εργασίας. Επειδή το σύστηµα laser που χρησιµοποιήσαµε είχε µικρή ενέργεια ανά παλµό, εστιάσαµε πολύ ισχυρά τη δέσµη για να αποκτήσουµε την απαραίτητη φωτεινή ροή ώστε να δηµιουργηθούν οι νανοακίδες. Για τον ίδιο λόγο, χρειάστηκε πολύ µεγαλύτερος αριθµός παλµών από ότι µε το nanosecond σύστηµα laser που χρησιµοποιήσαµε στην πρώτη ενότητα εργασίας για τη δηµιουργία των ακίδων. 4. Ενότητα εργασίας 3: Ανάπτυξη ηµιαγώγιµων διατάξεων. Ο σκοπός αυτής της ενότητας εργασίας είναι η ανάπτυξη ηµιαγώγιµων διατάξεων, βασισµένων σε νανοδιαµορφωµένα δείγµατα πυριτίου τα οποία παρουσιάζουν µεγάλη ενεργό επιφάνεια κατάλληλη για εφαρµογές. Η ενότητα αυτή ολοκληρώθηκε µε επιτυχία στο Εθνικό Ίδρυµα Ερευνών. Νανοδιαµορφωµένα δείγµατα πυριτίου µε µορφολογία παρόµοια µε αυτή που απεικονίζεται στην Εικόνα 7 επιστρώθηκαν µε ένα στρώµα ZnO και µελετήθηκαν οι ιδιότητες της προκύπτουσας ετεροδοµής. Το ZnO είναι ένας ηµιαγωγός n-τύπου µε ευρύ ενεργειακό διάκενο (3.37 ev) [2], που ακτινοβολεί/απορροφά στο κυανό/υπεριώδες µέρος του ηλεκτροµαγνητικού φάσµατος και γι αυτό το λόγο µελετάται η εφαρµογή του σε διατάξεις LED (light emitting devices) και υπεριώδεις φωτοδιόδους. Επειδή η δηµιουργία p-τύπου ZnO παρουσιάζει αυξηµένες δυσκολίες, εξαιτίας της περιορισµένης διαλυτότητας των στοιχείων νόθευσης, οι περισσότερες ηλεκτρονικές και οπτοηλεκτρονικές διατάξεις ZnO βασίζονται σε ετεροδοµές µεταξύ του ZnO και άλλων ηµιαγώγιµών στοιχείων, µε κυριότερο το πυρίτιο. Α. Πειραµατική διάταξη Για την εναπόθεση ενός στρώµατος ZnO πάνω σε υπόστρωµα νανοδιαµορφωµένου πυριτίου χρησιµοποιήσαµε τη µέθοδο της παλµικής εναπόθεσης laser (PLD), η οποία υλοποιήθηκε µε την παρακάτω πειραµατική διάταξη που βρίσκεται στο Εθνικό Ίδρυµα Ερευνών:

10 Εικόνα 8: Σχηµατική αναπαράσταση πειραµατικής διάταξης PLD. Το υπόστρωµα διαµορφωµένου πυριτίου εισάγεται σε ένα θάλαµο κενού και τοποθετείται απέναντι και σε µικρή απόσταση (~ 50 mm) από ένα στόχο στοιχειακού ψευδαργύρου. Ο θάλαµος εκκενώνεται µε τη βοήθεια ενός συστήµατος αντλιών σε πίεση κενού 10-5 mbar και στη συνέχεια ο στόχος ψευδαργύρου ακτινοβολείται από ένα µεγάλο αριθµό παλµών laser, που παράγονται από ένα Q-switched Nd:YAG laser (µήκος κύµατος 355 nm, διάρκεια παλµού 10 ns). Λόγω της µεγάλης ενέργειας των παλµών laser, η περιοχή του ψευδαργύρου η οποία ακτινοβολείται υφίσταται αποδόµηση και δηµιουργείται πλάσµα, το οποίο εκτονώνεται κάθετα προς τη επιφάνεια του ψευδαργύρου και κινείται προς τη γειτονική επιφάνεια του πυριτίου. Για τη δηµιουργία ZnΟ, καθαρό οξυγόνο εισάγεται στο θάλαµο κατά την ακτινοβόληση του ψευδαργύρου µέσω µιας βαλβίδας αερίου. Έτσι, ο ελεύθερος ψευδάργυρος αντιδρά µε το οξυγόνο και µετά από ένα αρκετά µεγάλο αριθµό παλµών laser, σχηµατίζεται ένα λεπτό υµένιο ZnΟ στην επιφάνεια του πυριτίου. Στην Εικόνα 9 φαίνεται µια φωτογραφία του πλάσµατος του ψευδαργύρου που ακτινοβολείται από το laser µέσα σε περιβάλλον οξυγόνου: Εικόνα 9: Φωτογραφία πλάσµατος ψευδαργύρου που εκτονώνεται µέσα σε περιβάλλον οξυγόνου.

11 Οι ατέλειες αυτές οφείλονται συνήθως σε κενά οξυγόνου και ψευδαργύρου ή σε ενδοπλεγµατικά άτοµα οξυγόνου και ψευδαργύρου [3]. Εικόνα 12: Φάσµα φωτοφωταύγειας ZnO πάνω σε νανοδιαµορφωµένο πυρίτιο. Η εικόνα 13 δείχνει τις ηλεκτρικές χαρακτηριστικές καµπύλες ρεύµατος τάσης (I-V) της ετεροδοµής νανοδιαµορφωµένου Si/ZnO σε γραµµική και ηµιλογαριθµική κλίµακα. Παρατηρούµε ότι η ηλεκτρική απόκριση της δοµής είναι µη γραµµική µε διοδική συµπεριφορά. Για τις καµπύλες αυτές εφαρµόστηκε αρνητική τάση στο πυρίτιο p-τύπου και θετική τάση στο n-τύπου ZnO, γι αυτό η ετεροδοµή άγει ρεύµα όταν αναστρέφεται η εφαρµοσµένη πολικότητα, ενώ δεν άγει για ορθή πολικότητα. Ο λόγος ανόρθωσης (rectification ratio) είναι αρκετά υψηλός, I forward /I reverse 473 στα 30 V. Το ρεύµα διαρροής στην ανάστροφη πόλωση είναι µόλις 0.21 µa στα 30 V. Χρησιµοποιώντας τη χαρακτηριστική εξίσωση της διόδου, I = I s exp qv nkt 1, οπου I s είναι το ρεύµα κορεσµού, q είναι το φορτίο του ηλεκτρονίου, n είναι ο συντελεστής ιδανικότητας, k η σταθερά Boltzmann και T η θερµοκρασία, βρίσκουµε n = Καθώς η τιµή του συντελεστή ιδανικότητας είναι µεγαλύτερη του 2, συµπεραίνουµε ότι η δίοδος δεν είναι ιδανική, κυρίως λόγω ατελειών στο ZnO και επιφανειακών καταστάσεων.

12 Εικόνα 13: Χαρακτηριστική ρεύµατος-τάσης της ετεροδοµής νανοδιαµορφωµένου Si/ZnO. Η µέθοδος που παρουσιάζεται σε αυτή την ενότητα εργασίας µπορεί να εφαρµοστεί σε πολλά και διαφορετικά είδη νανοδοµηµένων ηµιαγώγιµων δοµών, προσφέροντας ένα χρήσιµο εργαλείο στους τοµείς της ηλεκτρονικής και της οπτοηλεκτρονικής. Γ. Παραδοτέα Το παραδοτέο της τρίτης ενότητας εργασίας είναι η ανάπτυξη ηµιαγώγιµων διατάξεων πάνω σε δείγµατα πυριτίου διαµορφωµένης επιφάνειας. Σχηµατίστηκε διοδική ετεροδοµή Si/ZnO πάνω σε νανοδιαµορφωµένη περιοχή πυριτίου µεγάλης ενεργού επιφάνειας και χαρακτηρίσθηκαν οι οπτικές και ηλεκτρικές της ιδιότητες. Βρέθηκε ότι διατηρούνται οι οπτικές ιδιότητες του ZnO και σχηµατίζεται επαφή p-n µε µεγάλο λόγο ανόρθωσης (rectification ratio) και µικρό ρεύµα διαρροής. Στο σχηµατισµό των ετεροδοµών χρειάζεται προσοχή στο πάχος του υµενίου ZnO που εναποτίθεται πάνω στο νανοδιαµορφωµένο πυρίτιο, ώστε να διατηρηθεί η µορφολογία του υποστρώµατος. 5. Ενότητα εργασίας 4: Ανάπτυξη µεταλλικών διατάξεων. Ο σκοπός αυτής της ενότητας εργασίας είναι η επίστρωση νανοακίδων πυριτίου µε λεπτά µεταλλικά υµένια (Ag, Au) και η χρήση τους ως υποστρώµατα οπτικής παγίδευσης. Η ενότητα αυτή ολοκληρώθηκε µε επιτυχία στο University of Southampton, UK. Η χρήση τέτοιων δειγµάτων ως υποστρώµατα πάνω από τα οποία µελετήθηκε το φαινόµενο της οπτικής παγίδευσης, οδήγησε σε σηµαντική αύξηση των δυνάµεων της οπτικής παγίδας, πράγµα που είναι σηµαντικό για την παγίδευση νανοσωµατιδίων, τα οποία παρουσιάζουν περιορισµένη επιτυχία παγίδευσης από τις συµβατικές οπτικές παγίδες. Η αύξηση των δυνάµεων της οπτικής παγίδας οφείλεται στην ενίσχυση του ηλεκτροµαγνητικού πεδίου γύρω από τις µεταλλικές νανοδοµές.

13 Α. Πειραµατική διάταξη Δείγµατα νανοδιαµορφωµένου πυριτίου, παρόµοια µε αυτά που απεικονίζονται στην Εικόνα 7, επιστρώθηκαν µέσω θερµικής εναπόθεσης µε λεπτά υµένια Ag (50 nm) ή Cu/Au (5 nm Cu, 50 nm Au) και χρησιµοποιήθηκαν ως υποστρώµατα οπτικής παγίδευσης στη διάταξη που απεικονίζεται στην Εικόνα 14: Εικόνα 14: Σχηµατική αναπαράσταση οπτικής παγίδας. Ως laser παγίδευσης χρησιµοποιήθηκε ένα laser οπτικής ίνας συνεχούς λειτουργίας µε κορυφή εκποµπής στα 1074 nm και µε ρυθµό TEM 00. Το laser εστιάζεται ισχυρά µε έναν καταδυτικό αντικειµενικό φακό µεγέθυνσης 63x και αριθµητικό άνοιγµα (NA) 1.4 µέσα σε διάλυµα νανοσφαιριδίων πολυστυρενίου (400 nm διάµετρος) σε απιονισµένο νερό. Η οπτική παγίδα σχηµατίστηκε πάνω από νανοδιαµορφωµένα δείγµατα πυριτίου καλυµένα µε λεπτά υµένια Ag ή Cu/Au, παγιδεύοντας κάθε φορά ένα νανοσφαιρίδιο. Οι οπτικές δυνάµεις και ο συντελεστής ποιότητας της παγίδας µετρήθηκαν ως συνάρτηση της απόστασης της παγίδας από το νανοδιαµορφωµένο υπόστρωµα. Για το σκοπό αυτό, το υπόστρωµα τοποθετήθηκε πάνω σε πιεζοηλεκτρική µηχανοκίνητη βάση (piezo stage), η οποία ταλαντώνεται µε ελεγχόµενη ταχύτητα. Αυξάνοντας την ταχύτητα της ταλάντωσης µέχρι που το παγιδευµένο σωµατίδιο διαφεύγει από την παγίδα, µπορούµε να υπολογίσουµε την οπτική δύναµη που συγκρατούσε το σωµατίδιο. Γνωρίζοντας την ελάχιστη ταχύτητα διαφυγής, η δύναµη δίνεται από το νόµο του Stokes [4]: F = 6Kπηrv esc, όπου Κ είναι ένας συντελεστής διόρθωσης, η είναι ο συντελεστής ιξώδους του απιονισµένου νερού, r είναι η ακτίνα του παγιδευµένου σωµατιδίου και v esc η ταχύτητα διαφυγής.

14 Επειδή τα παγιδευµένα νανοσφαιρίδια είναι πολύ µικρών διαστάσεων, η απεικόνισή τους δεν είναι δυνατή µε οπτικό µικροσκόπιο και για το σκοπό αυτό αναπτύχθηκε η παρακάτω διάταξη: Εικόνα 15: Σχηµατική αναπαράσταση πειραµατικής διάταξης οπτικής παγίδευσης. Το laser υπερύθρου, που χρησιµοποιείται για την οπτική παγίδευση, εστιάζεται µέσω του αντικειµενικού φακού πάνω από το υπόστρωµα νανοδιαµορφωµένου πυριτίου, µέσα στο διάλυµα στο οποίο αιωρούνται τα νανοσφαιρίδια πολυστυρενίου. Ένα ασθενέστερο laser συνεχούς λειτουργίας µε κορυφή εκποµπής στα nm (µπλε ακτινοβολία), χρησιµοποιήθηκε προκειµένου να παρατηρηθεί ο φθορισµός των παγιδευµένων νανοσφαιριδίων. Το δεύτερο laser εισέρχεται στον αντικειµενικό φακό και φτάνει στο επίπεδο των νανοσφαιριδίων ακολουθώντας το ίδιο οπτικό µονοπάτι µε το laser της οπτικής παγίδας. Ο φθορισµός που επάγεται από την ακτινοβόληση των νανοσφαιριδίων µε το µπλε laser συλλέγεται από µία εξωτερική κάµερα µε τη βοήθεια ενός συστήµατος διχρωικών κατόπτρων και φίλτρων, ώστε να διαχωριστεί το σήµα του φθορισµού από τις υπόλοιπες δέσµες laser της διάταξης. Με τον τρόπο αυτό µπορούµε να παρατηρούµε την κίνηση των νανοσφαιριδίων µέσα στο διάλυµα και να προσδιορίσουµε την ταχύτητα διαφυγής από την οπτική παγίδα. Β. Αποτελέσµατα Στην Εικόνα 16 φαίνονται τρία στιγµιότυπα που απεικονίζουν την παγίδευση και τη διαφυγή ενός νανοσφαιριδίου πολυστυρενίου από την οπτική παγίδα. Τα στιγµιότυπα αυτά καταγράφηκαν µε τη βοήθεια της διάταξης που απεικονίζεται στην Εικόνα 15 και δείχνουν το φθορισµό των νανοσφαιριδίων.

15 Εικόνα 16: Στιγµιότυπα παγίδευσης φθορίζοντος νανοσφαιριδίου πολυστυρενίου. Τα νανοσφαιρίδια παγιδεύτηκαν πάνω από νανοδιαµορφωµένα δείγµατα πυριτίου µε µεταλλική επικάλυψη Ag ή Cu/Au και µε τη µέθοδο της ταχύτητας διαφυγής προδιορίστηκαν οι οπτικές δυνάµεις της παγίδας για διάφορες αποστάσεις παγίδευσης πάνω από το υπόστρωµα πυριτίου. Μετρήσεις πραγµατοποιήθηκαν επίσης πάνω από νανοδιοµορφωµένα υποστρώµατα πυριτίου χωρίς µεταλλική επίστρωση για αναφορά. Η Εικόνα 17 δείχνει τις οπτικές δυνάµεις συναρτήσει της ισχύος του laser παγίδευσης, όπως αναπτύχθηκαν πάνω από νανοδιαµορφωµένα υποστρώµατα πυριτίου χωρίς µεταλλική επίστρωση, για διάφορες αποστάσεις από το υπόστρωµα. Καθώς η ισχύς του laser παγίδευσης µεταβάλλεται από 600 mw σε 1200 mw, οι οπτικές δυνάµεις παίρνουν τιµές µεταξύ 0.2 pn και 5.5 pν. Επιπλέον, παρατηρούµε ότι οι δυνάµεις που ασκούνται στα παγιδευµένα νανοσφαιρίδια είναι ανάλογες της ισχύος του laser παγίδευσης. Παρόµοιες καµπύλες οπτικών δυνάµεων µετρήθηκαν και για τα υπόλοιπα δείγµατα πυριτίου µε µεταλλικές επιστρώσεις αλλά και πάνω από απλό γυάλινο υπόστρωµα, που είναι το σύνηθες υπόστρωµα στις συµβατικές οπτικές παγίδες. Βρέθηκε ότι οι επαγόµενες οπτικές δυνάµεις πάνω από νανοδιαµορφωµένα υποστρώµατα πυριτίου µε µεταλλική επίστρωση ενισχύθηκαν κατά ένα παράγοντα 10 σε σχέση µε τις δυνάµεις µιας συµβατικής οπτικής παγίδας µε γυάλινο υπόστρωµα. Εικόνα 17: Οπτικές δυνάµεις συναρτήσει της ισχύος του laser παγίδευσης για διάφορες αποστάσεις πάνω από νανοδιαµορφωµένο υπόστρωµα πυριτίου.

16 Από τις οπτικές δυνάµεις, µπορούµε να υπολογίσουµε το συντελεστή ποιότητας της οπτικής παγίδας, ο οποίος είναι ένα µέτρο της αποδοτικότητας της παγίδας. Ο συντελεστής ποιότητας, Q, ορίζεται ως Q = Fc/nP, όπου F είναι η οπτική δύναµη, c είναι η ταχύτητα του φωτός, P είναι η ισχύς του laser παγίδευσης και n ο δείκτης διάθλασης του µέσου στο οποίο αιωρούνται τα νανοσφαιρίδια. Η Εικόνα 18 δείχνει το συντελεστή ποιότητας των παγίδων που αναπτύχθηκαν πάνω από νανοδιαµορφωµένα υποστρώµατα πυριτίου µε µεταλλική επίστρωση ως συνάρτηση της απόστασης από το υπόστρωµα. Παρατηρούµε ότι ο συντελεστής ποιότητας, άρα και το µέτρο της οπτικής δύναµης, ελαττώνεται εκθετικά µε την απόσταση από το υπόστρωµα, πράγµα που επιβεβαιώνει ότι η αύξηση των οπτικών δυνάµεων κοντά στα υποστρώµατα οφείλεται στην ενίσχυση του τοπικού ηλεκτροµαγνητικού πεδίου των ακίδων λόγω της διέγερσης επιφανειακών πλασµονίων. Εικόνα 18: Συντελεστής ποιότητας ως συνάρτηση της απόστασης από νανοδιαµορφωµένα υποστρώµατα πυριτίου µε µεταλλική επίστρωση. Συγκρίνοντας τις επιστρώσεις Ag και Cu/Au, βρέθηκε ότι η επίστρωση Cu/Au άγει καλύτερα τη θερµότητα που αναπτύσεται στην περιοχή της οπτικής παγίδας, µε αποτέλεσµα να επιτρέπει την οπτική παγίδευση πιο κοντά στο υπόστρωµα, χωρίς τη δηµιουργία τυρβώδους ροής, η οποία εµποδίζει την παγίδευση και την απεκόνιση των νανοσφαιριδίων. Γ. Παραδοτέα Τα παραδοτέα της τέταρτης ενότητας εργασίας είναι η µεταλλική επίστρωση των διαµορφωµένων δειγµάτων πυριτίου και η χρήση του τοπικού ηλεκτροµαγνητικού πεδίου τους για εφαρµογές, καθώς και η σύγκριση µικροδιαµορφωµένων και νανοδιαµορφωµένων δειγµάτων. Η µεταλλική επίστρωση νανοδιαµορφωµένων δειγµάτων πυριτίου έδωσε πολύ καλά αποτελέσµατα στο φαινόµενο της οπτικής παγίδευσης, στο οποίο παρατηρήσαµε δεκαπλάσιες οπτικές δυνάµεις σε σχέση µε τις συµβατικές οπτικές παγίδες. Οι νανοδοµές κατασκευάσθηκαν µε απλές µεθόδους laser επεξεργασίας, σε αντίθεση µε τις δαπανηρές και πολύπλοκες µεθόδους λιθογραφίας που χρησιµοποιούνται για

17 ενίσχυση της οπτικής παγίδευσης. Τα νανοδιαµορφωµένα δείγµατα πυριτίου λειτουργούν καλύτερα ως υποστρώµατα παγίδευσης από τα µικροδιαµορφωµένα δείγµατα, επειδή ευνοούν τη διέγερση επιφανειακών πλασµονίων στις µεταλλικές νανοδοµές που προκύπτουν από την επίστρωση των δειγµάτων µε Ag ή Cu/Au. Η διέγερση των επιφανειακών πλασµονίων δηµιουργεί την ενίσχυση του τοπικού ηλεκτροµαγνητικού πεδίου γύρω από τα υποστρώµατα, το οποίο συντελεί στην αύξηση των δυνάµεων παγίδευσης. Βιβλιογραφία 1. M.Y. Shen, C.H. Crouch, J.E. Carey, and E. Mazur, Appl. Phys. Lett. 85, 5694 (2004). 2. A. El-Shaer et al., Phys. Status Solidi B 247, 1564 (2010). 3. C. Klingshirn, ZnO: From basics towards applications, Physica Status Solidi B 244, 3027 (2007). 4. A.N. Grigorenko, N.W. Roberts, M.R. Dickinson, and Y. Zhang, Nature Photonics 2, 365 (2008).