Pórusos szilícium alapú optikai multirétegek

Hasonló dokumentumok
PERIODIKUS NANOSTRUKTÚRÁK NAGY FELÜLETEKEN

2. Két elírás: 9. oldal, 2. bekezdés - figyelembe, fegyelembe, 57. oldal első mondat - foglalkozok, foglalkozom.

Mikroelektromechanikai szerkezetek szilárdsági és megbízhatósági vizsgálata

Félvezető nanokristályok szigetelőkben memória célokra

Fényérzékeny amorf nanokompozitok: technológia és alkalmazásuk a fotonikában. Csarnovics István

Bírálat. Lohner Tivadar A spektroszkópiai ellipszometria és az ionsugaras analitika néhány alkalmazása az anyagtudományban című doktori értekezéséről

PhD kutatási téma adatlap

Szélesszögű spektroszkópiai ellipszométer fejlesztése és alkalmazása napelem-technológiai ZnO rétegek vizsgálatára

Előzmények. a:sige:h vékonyréteg. 100 rétegből álló a:si/ge rétegrendszer (MultiLayer) H szerepe: dangling bond passzíválása

Mikroszerkezeti vizsgálatok

SZABAD FORMÁJÚ MART FELÜLETEK

Szilícium alapú nanokristályos szerkezetek minősítése spektroszkópiai ellipszometriával

Mikroszkóp vizsgálata Folyadék törésmutatójának mérése

PhD DISSZERTÁCIÓ TÉZISEI

PÉCSI TUDOMÁNYEGYETEM

Rétegződés, domének és atomi mozgás ultravékony rétegszerkezetekben

E (total) = E (translational) + E (rotation) + E (vibration) + E (electronic) + E (electronic

Fotoindukált változások vizsgálata amorf félvezető kalkogenid arany nanorészecskéket tartalmazó rendszerekben

Szén nanoszerkezetekkel adalékolt szilíciumnitrid. Tapasztó Orsolya

Nagy érzékenyégű módszerek hosszú felezési idejű nehéz radioizotópok analitikájában. Vajda N., Molnár Zs., Bokori E., Groska J., Mácsik Zs., Széles É.

OTKA K Nanoszemcsés szerkezetek és vékonyrétegek ellipszometriai modellezése bioszenzorikai és (opto)elektronikai alkalmazásokhoz

Gamma-röntgen spektrométer és eljárás kifejlesztése anyagok elemi összetétele és izotópszelektív radioaktivitása egyidejű elemzésére

GÉPI ÉS EMBERI POZICIONÁLÁSI, ÉRINTÉSI MŰVELETEK DINAMIKÁJA

Szén nanoszerkezetek grafén nanolitográfiai szimulációja

VALÓS HULLÁMFRONT ELŐÁLLÍTÁSA A SZÁMÍTÓGÉPES ÉS A DIGITÁLIS HOLOGRÁFIÁBAN PhD tézisfüzet

Spektroellipszometria a mikroelektronikai rétegminősítésben

DETERMINATION OF SHEAR STRENGTH OF SOLID WASTES BASED ON CPT TEST RESULTS

MIKROELEKTRONIKAI ÉRZÉKELİK I

Abszorpciós spektroszkópia

Digitális mikrofluidika THz-es képalkotáshoz

Válasz Dr. Tóth Zsoltnak a Spektroellipszometria a mikroelektronikai rétegminősítésben című doktori értekezésem bírálatára

MEMBRÁNKONTAKTOR ALKALMAZÁSA AMMÓNIA IPARI SZENNYVÍZBŐL VALÓ KINYERÉSÉRE

1. ábra. Egydimenziós fotonikus kristály Bragg tükör, amelyben egy réteghiba rezonáns frekvenciát keltett

TÁMOP A-11/1/KONV WORKSHOP Június 27.

Aerogél alapú gyógyszerszállító rendszerek. Tóth Tünde Anyagtudomány MSc

Depolarizációs források és hatásuk vékonyrétegek spektroszkópiai ellipszometriai vizsgálatára

MIKRO- ÉS NANOTECHNIKA II

TÉMA ÉRTÉKELÉS TÁMOP-4.2.1/B-09/1/KMR (minden téma külön lapra) június május 31

Szabad formájú mart felületek mikro és makro pontosságának vizsgálata

Mikroszkóp vizsgálata Lencse görbületi sugarának mérése Folyadék törésmutatójának mérése

TÉMA ÉRTÉKELÉS TÁMOP-4.2.1/B-09/1/KMR (minden téma külön lapra) június május 31

NEHÉZFÉMEK ELTÁVOLÍTÁSA IPARI SZENNYVIZEKBŐL Modell kísérletek Cr(VI) alkalmazásával növényi hulladékokból nyert aktív szénen

VÍZGŐZKONCENTRÁCIÓ-MÉRÉS DIÓDALÉZERES FOTOAKUSZTIKUS MÓDSZERREL

MW-PECVD GYÉMÁNTRÉTEG NUKLEÁCIÓJA ÉS NÖVEKEDÉSE KÜLÖNBÖZŐ HORDOZÓKON. Ph.D. értekezés tézisfüzet

Klórbenzol lebontásának vizsgálata termikus rádiófrekvenciás plazmában

Fotódokumentáció. Projektazonosító: KMOP /

Lehet-e tökéletes nanotechnológiai eszközöket készíteni tökéletlen grafénból?

Fény és anyag munkában

Az ellipszometria Újpesten

3. (b) Kereszthatások. Utolsó módosítás: április 1. Dr. Márkus Ferenc BME Fizika Tanszék

Világító diódák emissziójának szimulációja Monte Carlo sugárkövetés módszerével

Doktori (PhD) értekezés tézisei. Hanyecz István. SZTE Optikai és Kvantumelektronikai Tanszék Fizika Doktori Iskola

Pórusos szilícium alapú optikai multirétegek

Zaj- és rezgés. Törvényszerűségek

Mikroszkóp vizsgálata és folyadék törésmutatójának mérése (8-as számú mérés) mérési jegyzõkönyv

Protonnyaláb okozta fizikai és kémiai változások vizsgálata polimerekben és alkalmazásaik a protonnyalábos mikromegmunkálásban

Röntgen-gamma spektrometria

REGULARIZÁLT INVERZ KARAKTERISZTIKÁKKAL

Amorf fényérzékeny rétegstruktúrák fotonikai alkalmazásokra. Csarnovics István

AZ MTA MFA és elődei rövid története. MFKI- A Műszaki Fizikai Kutatóintézet (Bartha László írása nyomán)

A mikroszkóp vizsgálata Lencse görbületi sugarának mérése Newton-gyűrűkkel Folyadék törésmutatójának mérése Abbe-féle refraktométerrel

Gamma-röntgen spektrométer és eljárás kifejlesztése anyagok elemi összetétele és izotópszelektív radioaktivitása egyidejű elemzésére

Különböző szűrési eljárásokkal meghatározott érdességi paraméterek változása a választott szűrési eljárás figyelembevételével

Periodikus struktúrák előállítása nanolitográfiával és vizsgálatuk három dimenzióban

HŐÁTVITEL SZILÍCIUM MIKROGÉPÉSZETI SZERKEZETEKBEN

VEGYIPARI RENDSZEREK OPTIMALIZÁLÁSA

Mikroszkóp vizsgálata Lencse görbületi sugarának mérése Folyadék törésmutatójának mérése

PHD tézisfüzet. Szabó Zoltán. Témavezető: Dr. Volk János Konzulens: Dr. Hárs György

A hálózattervezés alapvető ismeretei

KIEMELKEDŐ EREDMÉNYEK MTA TTK MŰSZAKI FIZIKAI ÉS ANYAGTUDOMÁNYI INTÉZET

Baris A. - Varga G. - Ratter K. - Radi Zs. K.

Arccal a nap felé Vékonyréteg napelemek és intelligens üvegek. Lábadi Zoltán MTA TTK MFA

VEGYIPARI RENDSZEREK MODELLEZÉSE

Nyírási lokalizáció és rendeződés szemcsés anyagokban (munkabeszámoló) Szabó Balázs

OTDK ápr Grafén nanoszalagok. Témavezető: : Dr. Csonka Szabolcs BME TTK Fizika Tanszék MTA MFA

Biofizika. Sugárzások. Csik Gabriella. Mi a biofizika tárgya? Mi a biofizika tárgya? Biológiai jelenségek fizikai leírása/értelmezése

Lézeres eljárások Teflon vékonyréteg leválasztására valamint Teflon adhéziójának módosítására

HULLADÉKCSÖKKENTÉS. EEA Grants Norway Grants. Élelmiszeripari zöld innovációs program megvalósítása. Dr. Nagy Attila, Debreceni Egyetem

10. előadás Kőzettani bevezetés

Szeletkötés háromdimenziós mikroszerkezetekhez

ÉPÍTŐANYAGOK REOLÓGIAI TULAJDONSÁGAINAK VIZSGÁLATA A DE-ATC-MFK MÉLY- ÉS SZERKEZETÉPÍTÉSI TANSZÉKÉN

MTA doktori értekezés tézisei

Tapintásérzékelés és. Analogikai Algoritmusok

Milyen simaságú legyen a minta felülete jó minőségű EBSD mérésekhez

Zárójelentés a Folyadékkristályok és polimerek kölcsönhatása c. OTKA pályázathoz

Hőmérsékleti sugárzás

Kiválósági ösztöndíjjal támogatott kutatások az Építőmérnöki Karon c. előadóülés

Tapintásérzékelô tömbök

Patkó Dániel. Tézisfüzet. Pannon Egyetem Molekuláris- és Nanotechnológiák Doktori Iskola

Spektrográf elvi felépítése. B: maszk. A: távcső. Ø maszk. Rés Itt lencse, de általában komplex tükörrendszer

Nem-lineáris programozási feladatok

Vegyületfélvezető rétegek optoelektronikus és fotovoltaikus célokra

Interferometrikus optikai hullámvezetőbioszenzor jelölésmentes érzékeléshez

Mérés és adatgyűjtés

Ultragyors fényindukált folyamatok és optikai mikromanipuláció a biológiában. Groma Géza

Az Ampère-Maxwell-féle gerjesztési törvény

Dankházi Z., Kalácska Sz., Baris A., Varga G., Ratter K., Radi Zs.*, Havancsák K.

Az alakítással bevitt energia hatása az ausztenit átalakulási hőmérsékletére

Szilíciumkarbid nanokristályok szilíciumon

Optika és Relativitáselmélet

Átírás:

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

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

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

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

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 = 600-900 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

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

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, 455-456, 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., 38 1313 (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

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. 215-219, 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