Фотонное эхо на экситонах и его роль при проектировании наноэлектронных приборов на квантово-размерных структурах в тонких пленках оксида цинка

Полный текст

ВВЕДЕНИЕ

При проектировании наноэлектронных приборов высокую практическую значимость представляют процессы, протекающие в квантово-размерных объектах типа квантовых точек при комнатных температурах. Хорошей иллюстрацией этого является, например, цикл исследований спектральных и фотофизических свойств нанокомпозитов на основе коллоидных квантовых точек с излучающим ядром из селенида кадмия, выполненных с помощью спектроскопии люминесценции и фотонного эха [1–6].

Для синтеха активных сред для наноэлектронных приборов применяются 3 метода: жидкофазная эпитаксия (ЖФЭ), химическое осаждение из газовой фазы (ХОГФ) и молекулярно-пучковая эпитаксия (МПЭ). Ранее в статьях [7–10] мы показали возможность изготовления квантово-размерных структур методом магнетронного распыления. При изготовлении тонких пленок этим способом формируется текстура пленок, состоящая из кристаллических волокон, ориентированных ортогонально к подложке и обладающих неравномерной кривизной поверхности, пространство между которыми заполнено рентгеноаморфной фазой. Вблизи поверхности волокон на границе раздела кристаллической и рентгеноаморфной фаз мигрируют возбуждаемые в кристаллической решетке экситоны. Высокая кривизна поверхности волокон из-за сдвигов формирующихся слоев кристаллической решетки способствует появлению на ней участков с дислокациями, которые являются источником ловушек для возбужденных экситонных состояний.

Структура энергетических уровней экситонов в ловушках дает возможность возбуждать переходы на длине волны 400 нм в режиме двухфотонного поглощения при помощи импульсного лазера, излучающего на длине волны 800 нм и исследовать их динамику методами спектроскопии фотонного эха. Величина времени релаксации, измеренная по кривой временного спада интенсивности фотонного эха, составляющая при комнатной температуре значения от несколько сотен фемтосекунд до единиц пикосекунд, характеризует время жизни экситонных состояний. Эти величины можно использовать в качестве оценочных при проектировании, например, оптических эхо-процессоров, которые могли бы функционировать при комнатной температуре за счет использования полупроводниковых наноструктур. Демонстрация возможности использования для этих целей тонких пленок оксида и оптимизация режимов работы приборов, основанных на эффекте фотонного эха, являются важными практически значимыми задачами. Изучение влияния параметров синтеза тонких пленок оксида цинка (например, концентрации кислорода в рабочей камере) дает возможность варьировать ширину запрещенной зоны оксида цинка для определения характеристик, обеспечивающих эффективные режимы формирования сигналов фотонного эха и работы устройств обработки информации на его основе [7–10].

МЕТОДИКА ПРОБОПОДГОТОВКИ И СПЕКТРОСКОПИЯ ФОТОННОГО ЭХА НА ЛОКАЛИЗОВАННЫХ ЭКСИТОННЫХ СОСТОЯНИЯХ

Для возбуждения фотонного эха в тонкой пленке необходимо оптимизировать ширину запрещенной зоны таким образом, чтобы реализовать возбуждение экситонов на длине волны 400 нм. При этом важную роль играет толщина пленки. Чем толще пленка, тем длиннее волокна, тем наибольшее количество локализованных экситонов в ней, но при этом больше и линейные размеры ловушек и тем быстрее спад во времени интенсивности сигналов фотонного эха, что накладывает ограничение на предельную длительность операции обработки информации в устройствах на основе фотонного эха. За счет изменения концентрации кислорода в вакуумной камере и длительности процесса формирования пленки нами получены различные образцы тонких пленок. Рассчитанные значения ширины запрещенной зоны оксида цинка приведены в табл. 1.

 

Таблица 1. Технологические режимы формирования тонких пленок оксида цинка методом магнетронного распыления и ширина запрещенной зоны этих пленок

Номер образца	Соотношение кислорода /аргона, %	Температура подложки во время напыления, °C	Время напыления, мин	Давление газа в камере, Па	Ток магнетрона, А	Ширина запрещенной зоны, эВ
1	30/70	100	2	1	1	3.38
2	35/65	100	2	1	1	3.12
3	50/50	100	2	1	1	3.22

 

В экспериментах по эхо-спектроскопии использовалась экспериментальная установка, представленная на рис. 6 в работе [12]. На исследуемые тонкие пленки после фокусировки линзой с фокусным расстоянием 15 см подавались под углом 8 градусов по отношению друг к другу три разнесенные во времени лазерных импульса, формируемых фемтосекундной лазерной системой Ti: Sa со следующими параметрами: длительность импульса – 35 фс, энергия в импульсе – 2 мДж, частота повторения импульсов – 1000 Гц. Возбуждающие лазерные импульсы формировались путем деления каждого генерируемого лазерного импульса на три и разделялись во времени с помощью оптических линий временной задержки. Возбуждаемые сигналы первичного (ПФЭ) и стимулированного фотонного эха (СФЭ) регистрировались в направлениях, определяемых условиями пространственного синхронизма. Эхо-сигналы отделялись от возбуждающих импульсов с помощью диафрагм, устанавливаемых перед фотодетекторами. Мощность первого возбуждающего импульса составляла 280 мВт, второго – 184 мВт, третьего – 230 мВт.

Особенностью возбуждения фотонного эха в тонких пленках оксида цинка, как было указано выше, является применение в качестве резонансного излучения фемтосекундных импульсов на длине волны 800 нм при условия отсутствии у активной среды переходов на длинах волн, больших 400 нм, в том числе и на длине волны 800 нм. Наличие двухфотонного поглощения лазерного излучения на длине волны 800 нм проверялось регистрацией сигналов ПФЭ в направлении пространственного синхронизма, соответствующего режиму двухфотонного поглощения. Для обеспечения этого режима необходимо точное соблюдение согласованности параметров двух фотонов, объединяющихся в один возбуждающий фотон. Условиям двухфотонного поглощения на квантовом переходе с длиной волны 400 нм соответствовало порядка 0.1% энергии лазерного импульса, подаваемого на длине волны 800 нм. Для точной юстировки нулевой задержки между возбуждающими импульсами вместо резонансной среды устанавливался нелинейный кристалл, в котором при нулевой задержке происходила неколлинеарная генерация второй гармоники.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТОНКИХ ПЛЕНОК ОКСИДА ЦИНКА ПО РЕЛАКСАЦИОННЫМ СПАДАМ ФОТОННОГО ЭХА

Мы исследовали зависимость параметров релаксационных спадов интенсивности сигналов фотонного ПФЭ при разных толщинах пленки. На рис. 1 показаны кривые спада сигналов ПФЭ для пленок оксида цинка толщиной 100, 600 и 800 нм.

 

Рис. 1. Зависимость спада средней мощности сигналов первичного фотонного эха от временного интервала между первым и вторым возбуждающими импульсами для пленок оксида цинка: толщиной 800 (а), 600 (б) и 100 (в) нм

 

Из графиков следует, что случаю пленок большой толщины (800 нм) соответсвует наибольший динамический диапазон изменения интенсивности сигналов фотонного эха, что может быть использованы при практической реализации устройств оптической обработки информации. Время необратимой поперечной релаксации Т₂ для пленок толщиной 800 нм составляет ~ 130±30 фс, а для пленки 600 нм – 320±60 фс. В то же время, с уменьшением толщины пленки, увеличивается значение времени релаксации резонансных квантовых переходов, приводит к возможности увеличения предельного времени отдельных операций обработки информации. Результаты исследований показывают, что в пленке толщиной 100 нм обеспечивается устойчивая регистрация эхо-сигналов, при этом время релаксации составляет 820±90 фс.

Кроме того, в изготовленных образцах тонких пленок оксида цинка нами были исследованы релаксационные спады интенсивности сигналов СФЭ. На рис. 2 показаны измеренные кривые спада сигналов СФЭ, на основе анализа которых были определены значения времени необратимой продольной релаксации Т₁ в пленках оксида цинка, кремния, легированного фосфором, и кремния, легированного бором. Для пленок толщиной 100 нм оно составило: 4300±690 фс (для ZnO); 670±120 фс (для Si(P)); 280±50 фс (для Si(B)).

 

Рис. 2. Зависимость спада средней мощности сигналов стимулированного фотонного эха от временного интервала между вторым и третьим возбуждающими импульсами для пленок толщиной 100 нм, отличающихся шириной запрещенной зоны: оксида цинка (а); кремния, легированного фосфором (б); кремния, легированного бором (в)

 

Обнаружено, что в пленке оксида цинка, с более широкой запрещенной зоной, интенсивность сигналов фотонного эха в среднем выше, чем в пленках германия. Тем не менее пленки на основе германия, легированного фосфором или бором, могут использоваться для обеспечения инжектирования электронов или дырок в пленку оксида цинка, в слоистых структурах для разработки различных наноэлектронных устройств.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, были продемонстрированы возможности детектирования при комнатной температуре сигналов фотонного эха в тонких пленках оксида цинка, а также германия, легированного фосфором и/или бором. Полученные значения характеристических времен фазовой и энергетической релаксации могут быть использованы в качестве рекомендаций в разработках быстродействующих наноэлектронных приборов на основе фемтосекундного фотонного эха. При этом пленки германия, легированного фосфором или бором, могут быть использованы для формировнаия вспомогательных тонких слоев, обеспечивающих инжекцию электронов или дырок в пленку оксида цинка, при формировании фемтосекундного фотонного эха на заряженных экситонных состояниях. Эффективная толщина слоев используемых тонких пленок может составлять величины от 100 до 800 нм.

Об авторах

И. И. Попов

Поволжский государственный технологический университет

Автор, ответственный за переписку.
Email: biht.orol@gmail.com
Россия, Йошкар-Ола

Р. В. Юсупов

Казанский (Приволжский) федеральный университет

Email: biht.orol@gmail.com
Россия, Казань

А. В. Петров

Казанский (Приволжский) федеральный университет

Email: biht.orol@gmail.com
Россия, Казань

А. Р. Бессонов

Поволжский государственный технологический университет

Email: biht.orol@gmail.com
Россия, Йошкар-Ола

А. М. Гайя

Поволжский государственный технологический университет

Email: biht.orol@gmail.com
Россия, Йошкар-Ола

А. В. Мороз

Поволжский государственный технологический университет

Email: biht.orol@gmail.com
Россия, Йошкар-Ола

Список литературы

Дополнительные файлы