Разработка теории методов оптического контроля наноразмерных тонкопленочных структур

mgu_admin - Wed, 01/09/2019 - 09:40
Программа:
Вид научной деятельности:
Вид создаваемой научно-технической продукции:
Дата начала работ:
Дата окончания работ :
Цели:

Целью настоящей работы является развитие физических основ эффективных оптических методов контроля геометрических параметров и оптических характеристик наноразмерных слоев, многослойных структур и метаматериалов, используемых в оптике, опто- и микроэлектронике, разработка на основе полученных данных новых высокоинформативных измерительных систем.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

 - Разработать новые и развить существующие эллипсометрические, спектрофотометрические и волноводные методы измерения контроля спектральных, геометрических характеристик и неоднородности планарных наноразмерных слоев, основанные на регистрации параметров световых пучков, отраженных от исследуемых структур. Оценить погрешность, устойчивость к шумам измерений и  чувствительность указанных методов.

 - Развить теорию аномального скин-эффекта для наноразмерных металлических пленок, создание и экспериментальная апробация волноводных и спектрофотометрических методов контроля геометрических параметров и электронных характеристик металлических пленок.

 - Развить электродинамическую теорию слоистых сред, содержащих субволновые рельефные диэлектрические дифракционные решетки, выполнить оптимальное проектирование соответствующих структур для сенсорных и телекоммуникационных приложений.

- Разработать метод локальных мод для решения дифракционных и волноводных задач, стоящих в физике фотонно-кристаллических волокон со сложным сечением образующих каналов. Исследовать проблему максимизации эффекта структурной окраски фотонно-кристаллических волокон для текстильных и сенсорных приложений.

- Разработать и апробировать экспериментально теорию туннельного возбуждения волноводных мод посредством ограниченной поглощающей призмы связи с целью волноводной спектроскопии слабо поглощающих  структур.

- Разработать метод расчета оптических свойств тонкопленочных структур,  содержащих субволновые включения в виде пор, сфер,  цилиндров и нитей; адаптировать метод спектральной эллипсометрии для измерения параметров морфологии структур.

 - Разработать и создать макеты измерительных установок, разработать управляющее и аналитическое программное обеспечение для измерения и контроля оптических и геометрических характеристик наноразмерных тонкопленочных структур, в том числе метаматериалов,   многослойных структур и активных элементов микросенсоров.

 - Применить разработанные методов для диагностики наноразмерных объектов, создаваемых в заводских условиях в ОАО «Интеграл» и ООО «Эссентоптикс», выполнить тестирование полученных результатов альтернативными физическими методами.

Актуальность (решаемые проблемы):

Дальнейшая разработка эффективных оптических методов контроля геометрических параметров и оптических характеристик наноразмерных структур, используемых в оптике, опто- и микроэлектронике.

Краткое описание создаваемой научно-технической продукции:

Развит и апробирован экспериментально метод спектральной эллипсометрии наноразмерных слоев на плоскопараллельных прозрачных подложках конечной толщины, учитывающий частичную когерентность зондирующего света. Прикладной аспект: эллипсометрический контроль спектров показателей преломления и поглощения наноразмерных полупроводниковых слоев на плоскопараллельных прозрачных подложках конечной толщины.

Развит и апробирован экспериментально метод решения обратной задачи спектрофотометрии наноразмерных слоев на плоскопараллельных прозрачных подложках конечной толщины, эффективный как в диапазонах прозрачности, так и вблизи полос поглощения материала слоя. Прикладной аспект: определение спектра комплексного показателя преломления и ширины запрещенной зоны полупроводниковых слоев для солнечных элементов.

Разработан метод расчета векторных дифракционных полей в микроструктурных оптических волокнах с гофрированной границей, основанный на решении системы обыкновенных дифференциальных уравнений для фурье-образов продольных компонент электромагнитного поля. С его использованием обнаружена новая зависимость, а именно, эффект аномальной дисперсии комплексной постоянной распространения основной моды микроструктурного волокна с гофрированной границей, имеющий дифракционную природу. Прикладной аспект: максимизация чувствительности волноводных сенсоров концентрации примесных компонентов в растворах.

Разработан метод подвижного окна для решения обратной оптической задачи о коррекции искажений спектрофотометрических данных для отражательной, либо пропускательной способности наноразмерного слоя, вызванных конечной шириной аппаратной функции спектрофотометра, основанный на представлении искомых функций полиномами оптимально выбранного порядка в пределах окна, последовательно перемещаемого по исследуемому спектральному диапазону. Прикладной аспект: Повышение точности измерения спектральных характеристик наноразмерных слоев в окрестности полос поглощения.

С использованием методики решения обратной оптической задачи для наноразмерных слоев, использующей массив данных многоугловой спектрофотометрии и спектроэллипсометрии исследованы многослойные структуры титаната стронция, полученные золь-гель методом. Установлено, что послойное осаждение золя на кварцевые подложки приводит к уменьшению среднего показателя преломления многослойных структур в видимой части спектра и к увеличению ширины их запрещенной зоны относительно аналогичных характеристик монослоя. Указанные закономерности объяснены повышенной пористостостью многослойных структур. Прикладной аспект: Оптимизация полупроводниковых наноразмерных структур для солнечных элементов.

С использованием методики решения обратной оптической задачи для наноразмерных слоев, использующей массив данных многоугловой спектрофотометрии и спектроэллипсометрии определены оптические характеристики чистых и допированных алюминием слоев ZnO, полученных магнетронным ВЧ распылением на стеклянных подложках. Установлена закономерность, состоящая в том, что при допировании ZnO алюминием (2%) в коротковолновую область смещается край полосы поглощения. Это приводит к увеличению ширины запрещенной зоны от 3.18eV до 3.46eV, уменьшению показателя преломления материала, смещению максимума полосы поглощения в коротковолновую область и смещению в длинноволновую область минимума спектра показателя поглощения. С использованием модели Максвелла-Гарнетта обнаружено, что не допированные пленки ZnO содержат около 4%, а пленки ZnO:Al – около 7% воздушных пор. Таким образом, установленные особенности спектральных характеристик объясняются не только с переходами электронов на экситонные уровни в запрещенных зонах, но и наличием в приповерхностных слоях пленок ZnO и ZnO:Al воздушных пор. Прикладной аспект: Оптимизация полупроводниковых наноразмерных структур для солнечных элементов.

Разработана дифракционная теория преобразования мод в тейпере с наноразмерным палладиевым покрытием, созданном в фотонно-кристаллическом волокне и являющимся чувствительным элементом волоконно-оптического сенсора водорода. Получена интерпретация экспериментальных данных для спектра пропускания тейпера при различных концентрациях водорода в атмосфере азота. Установлена закономерность, заключающаяся в том, что увеличение концентрации водорода таким образом влияет на дисперсионные характеристики покрытия, что приводит к росту интегрального пропускания сенсора и практически не сказывается на положении интерференционных максимумов пропускания сенсора на шкале длин волн. Обнаружена существенная зависимость дисперсионных характеристик палладиевой пленки от ее толщины, указывающая на аномальный скин-эффект. Определены возможности оптимизации сенсора. Прикладной аспект: Разработка оптимизированных волоконно-оптических сенсоров водорода на основе фотонно-кристаллических волокон.

Разработана электродинамическая теория поглощающей призмы связи (ПС). Прикладной аспект: Обнаружена новая закономерность в области волноводной спектроскопии слабо поглощающих тонких пленок (поглощение менее 10 дБ/см), согласно которой угловая структура m- линий, наблюдаемых при туннельном возбуждении волноводных мод пленки, существенно зависит от коэффициента поглощения и размеров ПС. В результате при волноводной спектроскопии слабо поглощающих тонких пленок корректная интерпретация углового спектра отражательной способности ПС с последующим определением коэффициента поглощения пленок не возможна без учета поглощения света призмой связи.

Установлено, что для диссипативной структуры пленка-подложка возможно выполнение строгого закона Брюстера, который заключается в отсутствии отраженных от структуры плоских волн ТМ, либо ТЕ поляризации. Обнаружена новая закономерность, согласно которой указанный закон реализуется в ограниченном диапазоне толщин пленок и при определенных сочетаниях значений частота излучения - угол падения излучения на структуру (угол Брюстера). Установлена новая зависимость углов Брюстера от диэлектрических проницаемостей и толщин пленок, согласно которой существуют либо два дискретных набора углов Брюстера для ТМ волн, либо один дискретный набор углов Брюстера для ТМ волн и один дискретный набор углов Брюстера для ТЕ волн. Прикладной аспект: Найденный закон может быть использован при создании эффективных пленочных сенсоров растворов, а также при аналитическом решении обратных задач спектральной эллипсометрии и отражательной спектрофотометрии об определении параметров слабо поглощающей пленок, находящихся на слабо поглощающих подложках.

Область применения результатов НИОКР:

Оптика, опто- и микроэлектроника.

Контактная информация:

Учреждение образования "Могилевский государственный университет имени А.А. Кулешова"
Сотский Александр Борисович
Тел.: +375222 28 39 69
e-mail: ab_sotsky@mail.ru