Pórusos szilícium alapú optikai multirétegek

Átírás

1 Pórusos szilícium alapú optikai multirétegek PhD tézisfüzet Volk János témavezető: Dr. Bársony István MTA Műszaki Fizikai és Anyagtudományi Kutató Intézet Budapest 2005.

2 A kutatás előzménye A szobahőmérsékleti fotolumineszcencia felfedezésének (1990) köszönhetően a pórusos szilícium (PS) hamar a félvezető-kutatások előterébe került. Azóta az intenzív vizsgálatok eredményeképpen az is kiderült, hogy a PS nem csak fény kibocsátására, hanem annak szűrésére is felhasználható, amennyiben egy megfelelő törésmutató-profillal rendelkező optikai multiréteget hozunk létre. Ez PS esetében az elektrokémiai áram megfelelő programozásával viszonylag egyszerűen megvalósítható. A pórusos természetnek és a nagy fajlagos felületnek köszönhetően a különböző kémiai, ill. biológiai anyagok érzékelése a pórusos szilícium multirétegek (PSM) számára ígéretes alkalmazásokat rejt. A Magyar Tudományos Akadémia Műszaki Fizikai és Anyagtudományi Intézete (MTA-MFA) több mint 15 éve foglalkozik a pórusos szilícium kutatásával, míg a multirétegek kutatását 2000-ben kezdte el. A PSM kutatáshoz kapcsolódó kezdeti eredmények a diplomamunkámban olvashatók [S9]. Célkitűzések Az MTA-MFA pórusos szilícium alapú optikai multirétegek kutatását irányozta elő. Távlati cél egy olyan olcsó mikrolaboratóriumi eszköz (lab-on-chip) kifejlesztése, mely alkalmas lehet folyadékok, ill. biológiai anyagok azonosítására. Az én feladatom az említett cél irányába végzett feltáró kutatás elvégzése volt. A munka alapjául szolgáló érzékelési elv szerint egy 2

3 Fabry-Perot (FP) PSM interfereciaszűrő rezonanciacsúcshullámhosszából következtethetünk a pórusokat kitöltő közeg törésmutatójára. Az első feladat a PSM alapú FP szűrők alapos optikai vizsgálata, valamint az elérhető optikai minőség elméleti és gyakorlati korlátainak feltérképezése volt. Az optimalizált szerkezeten ezután a refraktometriai alkalmazás demonstrálása következhetett, tiszta folyadékok alkalmazásával. A feltáró munka további célja volt, hogy a PSM-ek témakörében új kutatási irányok és az eddigiektől eltérő vizsgálati, ill. mintakészítési technikák szülessenek, melyek későbbi projektek alapjául szolgálhatnak. Vizsgálati módszerek Mintakészítés: váltakozó áramú elektrokémiai módszer Kísérleti technikák: ex situ / in situ merőleges spektroszkópiai reflektometria (MSR) spektroszkópiai ellipszometria (SE) pásztázó elektronmikroszkópia (SEM) gáz ad-/deszorpciós méréstechnika (BET, BJH) Matematikai módszer: vékonyrétegek optikai szimulációja szórási mátrix módszerrel 3

4 Új tudományos eredmények 1. Kidolgoztam a pórusos szilícium multirétegek optikai modellezésének módszerét, melyben a szükséges paramétereket alacsonyabb rétegszámú, kevés független paraméterrel jellemezhető szerkezetek esetén (pl. N 16 rétegű Bragg-tükör) a spektroszkópai ellipszometriás vizsgálatok eredményeinek közvetlen illesztésével határoztam meg [S1, S8]. Ennél többrétegű és/vagy bonyolultabb szerkezetek esetén (pl. 27 rétegű Fabry-Perot interferenciaszűrő) elektronmikroszkópos képanalízissel támogatott spektroszkópiai ellipszometriás illesztést használtam [S2]. Az optikai modell helyességét minden esetben egy független mérési módszerrel, merőleges spektroszkópiai reflektometriával ellenőriztem (6.1., 6.2. fejezet). 2. Elsőként végeztem in situ merőleges spektroszkópiai reflektometriás mérést pórusos szilícium multiréteg elektrokémiai előállítása során. A mérési eredményeket először ideális képződést feltételező optikai modellel, majd egy időben változó porozitás értékkel jellemzett aszimmetrikus modellel illesztettem. Ez utóbbi, pontosított modellel igazoltam, hogy a rezonanciacsúcs nem tervezett kékeltolódását fotoelektrokémiai oldódás ill. az elektrolit koncentráció gradiense okozza [S3]. Az általam bevezetett in situ monitorozás - megfelelő optikai modellel támogatva - lehetővé teszi az optikai elem 4

5 hangolását a technológiai paraméterek (marási idő és áramsűrűség) visszacsatolt vezérlésével (6.3. fejezet). 3. Elméleti és kísérleti szempontok figyelembevételével új optimalizálási eljárást dolgoztam ki, és ennek felhasználásával λ = nm hullámhossztartományban működő javított optikai minőségű Fabry- Perot interferenciaszűrőket állítottam elő. Az elméletileg megkövetelt maximális porozitáskontraszt kísérletileg P = 28 %-nak adódott stabil szobahőmérsékleti körülmények között (hordozó fajlagos ellenállása: 0,005 Ωcm, elektrolit HF-koncentráció: 19,5 t%, marási áramsűrűség függvény: j H /j L = 8 macm -2 /350 macm -2 ), ami n D = 1,02 törésmutató különbségnek felel meg. Az optimális rétegszerkezet a 2. tézispontban ismertetett in situ mérések alapján a szimpla- és a duplarezonátoros FP interferenciaszűrő esetén egyaránt 24 rétegűnek adódott, H[LH] 5 LL[HL] 6, ill. [HL] 3 HLL[HL] 4 HLL[HL] 6 optikai szerkezettel párosulva. A megvalósított szimplarezonátoros szűrő F = 268-as finesszel jellemezhető, melyhez λ FWHM 3 nm rezonanciacsúcs félértékszélesség tartozik [S4] (6.4 fejezet). 4. Kísérletileg bizonyítottam, hogy a folyadékkal töltött szerkezet statikus válaszjele (rezonanciacsúcs helye) és a meghatározandó mennyiség (folyadék törésmutatója) között széles törésmutató tartományban (n=1,36-1,54) lineáris kapcsolat áll fenn. Amennyiben a folyadék mennyisége pl. kapilláris kondenzáció vagy párolgás révén folyamatosan változik a pórusos szerkezetben, a kinetika 5

6 tanulmányozására a 2. tézispontban leírt in situ méréstechnika alkalmazható [S6]. Háromkomponensű effektív közeg modell alkalmazásával megmutattam, hogy a pórusos szilícium alapú refraktométer vártnál kisebb felbontóképesség értéke ( n 0,001) a pórusfalakat beborító határréteg pl. SiO x - jelenlétével magyarázható [S5] (7. fejezet). 5. Új módszert dolgoztam ki szilícium hordozóban kialakított üreges és laterális struktúrák létrehozására, melyekben az eredetileg felületi technikaként ismert 2D pórusos szilícium multiréteget optikai simaságú, mikrogépészeti úton előállított meredek oldalfalú 3D csatornákban hoztam létre. A javasolt technika alkalmazásával légmagos hullámvezető és nagysűrűségű optikai rács (> 2000 vonal/mm) [S7] megvalósítására tettem kísérletet (8. fejezet). 6

7 A tézispontokhoz kapcsolódó tudományos közlemények [S1] [S2] [S3] [S4] [S5] [S6] [S7] [S8] J. Volk, M. Fried, O. Polgár, I. Bársony Optimisation of porous silicon based passive optical elements by means of spectroscopic ellipsometry, Phys. Stat. Sol. (a), 197, 208 (2003) J. Volk, M. Fried, A. L. Tóth, I. Bársony The ideal vehicle for optical model development: porous silicon multilayers Thin Solid Films, , 535 (2004) J. Volk, K. Ferencz, J. J. Ramsden, A. L. Tóth, I. Bársony In situ observation of the evolution of porous silicon interference filter characteristics, to be published in Phys. Stat. Sol. (a) Zs. Szabó, Gy. Kádár, J. Volk Band gaps in photonic crystals with dispersion COMPEL, 24, No. 2, 521 (2005) J. Volk, T. Le Grand, I. Bársony, J. Gombkötő, J. J. Ramsden Porous silicon multilayer stack for sensitive refractive index determination of pure solvents, J. Phys. D: Appl. Phys., (2005) J. Volk, J. Balázs, A. L. Tóth, I. Bársony Porous silicon multilayers for sensing by tuneable IR transmission filtering, Sensors and Actuators B, 100, 163 (2004) J. Volk, N. Nagy, I. Bársony Laterally stacked porous silicon multilayers for subquart micron period UV gratings, to be published in Phys. Stat. Sol. (a). Fried M., Lohner T., Petrik P., Polgár O., Volk J.: Ellipszometria a vékonyréteg-technológiában, Fizikai Szemle, 6, 200 (2003) 7

8 További tudományos közlemények [S9] Volk János: Pórusos szilíciumból készített Bragg-reflektorok optimalizálása (BME, 2001) [S10] K. Molnár, T. Mohácsy, A.H. Abdulhadi, J. Volk, I. Bársony On the nature of metal-porous Si-single crystal silicon (MPS) diodes, Phys. Stat. Sol. (a), 197, 446 (2003) [S11] P. Petrik, É. Vázsonyi, M. Fried, J. Volk, G. T. Andrews, A. L. Tóth, Cs. S. Daróczy, I. Bársony, J. Gyulai Optical models for the ellipsometric characterisation of porous silicon structures, to be published in Phys. Stat. Sol. (a) [S12] N. Nagy, J. Volk, A. Hámori, I. Bársony Submicrometer period silicon diffraction gratings by porous etching, to be published in Phys. Stat. Sol. (a). [S13] Zs. Vízváry, J. Volk, Cs. Dücső Elasticity modulus measurement of silicon-nitride, Proceedings of the 4th Conference on Mechanical Engineering, pp , Gépészet 2004, 2004., Budapest Az eredmények hasznosítása A dolgozatban ismertetett munka a következő projektek sikerét segítette elő: OTKA: Elektrolumineszcens pórusos szilícium szerkezetek (T033094) Elektromágneses hullámok mesterséges periodikus szerkezetekben (T046696) Joint Project Grand (Royal Society of London): Fabry-Perot multilayers for chemical sensing 8