Az Eötvös Loránd Fizikai Társulat Anyagtudományi és Diffrakciós Szakcsoportjának Őszi Iskolája 2011.10.05 Visegrád Fotoindukált változások vizsgálata amorf félvezető kalkogenid arany nanorészecskéket tartalmazó rendszerekben Csarnovics István, Kökényesi Sándor, Szabó István Debreceni Egyetem, Fizika Intézet
Tartalom: Miért épp a kalkogenidek? Kalkogenid üvegek, mint funkcionális anyagok: tulajdonságok, alkalmazások. Optikai írás, tárolás fajtái és jellemzői. Anyagok és technológiák. Felületi plazmonok hatása a fényindukált változásokra. Konkluzió.
Mik is azok a kalkogenidek?: A S, Se és Te vegyületei. Amorf kalkogenidek - olyan nem oxid üvegek, vagy amorf rétegek, amelyek a periódusos rendszer IV és V főcsoportjába tartozó elemek vegyületei (As 2 S 3, As 2 Se 3, Sb 2 S 3, GeS, Ge 2 Sb 2 Te 5 ), illetve több komponenses keverékei. Ezek mind különböző tiltott sávval rendelkező félvezetők. Thin films and Vékony structures rétegek és struktúrák
Kalkogenid üvegek, mint funkcionális anyagok: tulajdonságok, alkalmazások. A fény infravörös tartományában (0.8-10 μm) átlátszóak. Viszonylag magas (n >2) törésmutatóval rendelkeznek. Az oxigént tartalmazó üvegekhez képest kisebb a tiltott sáv energiája, elnyelik a fényt az elnyelési él közelében (fotovezetők), kisebb a kémiai kötések energiája és ezek külső hatások által változtathatóak ( fény, elektromos tér, ionok, hőkezelés), ami a szerkezet, viszkozitás változásához is vezet. Ebből erednek a különleges alkalmazásaik: optikai, elektromos memória, integrált optika, szenzorika, infravörös, nemlineáris optika.
Optikai írás fajtái, jellemzői 1.1., n, R 1.2. ChG 1 Írás ChG 2 Írás 1.3., n, R, d 3. ChG, 1,2? Lézer, e-sugár vagy ionok Írás NML Írás Olv. Olv. Olv, Olv. Törlés Törlés Törlés? Törlés? Maratás, másolás 2. Indentáció 4.
Áteresztõképesség, % I/I0 Áteresztõképesség, % Fényindukált változások a kalkogenidekben Szerkezeti, törésmutató, elnyelési él és térfogat változás bevilágítás hatására. 1,00 0,95 0,90 0,85 90 80 70 60 50 0,80 40 0,75 0,70 30 20 10 40 35 30 25 20 15 10 5 0,65 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 Idõ, s 0 400 410 420 430 440 450 460 470 480 490 500 0 Hullámhossz, nm 300 400 500 600 700 800 900 Hullámhossz, nm Δn/n = 1-5 % Δd/d= 1-10 % Δ T /T = 5-80 %
Height, nm In situ felületi változások vizsgálata kalkogenid vékonyrétegekben. Diffraction, r.u. 400 350 300 250 200 20000 15000 As20Se80 fresh d=2 mkm laser off 150 100 50 0 10000 5000 0 laser on laser off 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 Exposition, s b -50-1000 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 Exposition, sec A holografikus rács kialakulásának és időbeli változásának vizsgálata in situ bevilágítás során 2 m vastagságú As 0.2 Se 0.8 vékonyrétegen. Tapping módban végzett AFM kísérlet során, melyben a rács magasságát vizsgáltuk az eltelt bevilágítási idő függvényében. Miközben a rács magasságának időbeli változását összevetettük a rács diffrakciós hatásfokának változásával is. A térfogat változásnak két komponense van: szabad térfogat változás és laterális tömegtranszport.
M.L.Trunov, V.S. Bilanich, S.N. Dub JETP Lett. 82 (2005) 562 A fotoplasztikus effektus maximális értéke Felületi rács amplitudójának arzén koncentrációtól való függése 2 m vastag As x Se 1-x rétegben ( 0-40 at%) 40 perc bevilágítás után. Ez a függés antikkorrelációt mutat a bevilágítás során tapasztalt sötétedési folyamattal. 8
Elektron sugárral történő írás kalkogenid rétegekben Az elektronsugár okozta változások profiljai a As 20 Se 80 rétegen különböző bevilágítási idő alatt: 10 s (A), 30s (B) és 60 s (C). (20 kv, 7 na) A réteg felületének változásához a vízszintes ( mikrométeres tartományban) és a függőleges ( nanométeres tartományban) változás tartozik, A legjobb eredményeket a 2 m vastagságú As x Se 100-x (10 x 30) és 3 m As 40 S 60 vékony rétegekben értük el. Az elektronsugaras írás (7 na, 20 kv) gigantikus, 10-30 %-os felületi változásokhoz vezetett
Az első és legfontosabb lépés mindegyik felsorolt esetben - a megvilágítás (elektron lyuk pár generáció, hibakeltés,). Más fajta energiabevitel útján is ( elektron sugár, ionok) is megfigyelhetőek ezek a változások. Elektromos tér segítségével is lehetséges a kalkogenid üveg szerkezetének a változtatása, illetve az elektromos tér segítheti az optikai átalakulásokat. Ha ez így van, akkor a plazmonok, illetve azok tere is hathat a fotoindukált változásokra.
Felületi Plazmon Rezonancia A felületi plazmonok fénnyel történő gerjesztését nevezik felületi plazmon rezonanciának ( FPR), ha síkbeli felületről beszélünk és lokalizált felületi plazmon rezonancia ( LFPR), hogyha nanométer méretű fém struktúrákról. Hogyan tudunk felületi plazmonokat generálni?: (a) (b) (c) (d) Alkalmazott módszer "Near-field photonics: surface plasmon polaritons and localized surface plasmons",anatoly V Zayats1,3 and Igor I Smolyaninov2, J. Opt. A: Pure Appl. Opt. 5 (2003) S16 S50
Anyagok és technológiák. Az arany nanorészecsekéket (ANR) 15-25 nm vastag arany réteg különböző hőmérsékleten, különböző ideig történő hőkezelésével állítottuk elő ( 400-600 0 C). Az elkészült arany nanorészecskéket tartalmazó rétegre termikus párologtatással 500-700 nm vastag kalkogenid réteget párologtattunk (As 2 Se 3 vagy As 0,2 Se 0,8 ). Zöld vagy piros lézer Holografikus írás Kalkogenid réteg ANR Hordozó ANR készült SEM kép A megvizsgált rendszer sematikus rajza
A plazmon rezonancia hullámhosszának ANR méretétől való függése. Az As 2 S 3 számára a leginkább megfelelő 30 nm átlagméretű nanorészecske, míg a As 20 Se 80 100 nm átlagméretű. Az ANR optika áteresztőképessége különböző átlagméretű nanorészecskék esetén és a bevilágításhoz használt lézerek hullámhossza (1 90 nm, 2 75 nm, 3-60 nm, 4 - piros, 5- zöld).
Optikai áteresztőképesség változása idővel bevilágítás hatására tiszta As 2 S 3 és As 20 Se 80 rétegekben (4), valamint ANR struktúrákat tartalmazó rendszerekben (az ANR átlagméretei 60 (1), 75 (2) és 90 nm (3)). A rétegek vastagsága 700 nm volt. S. Charnovych, S. Kökényesi, Gy. Glodán, A. Csik - Enhancement of photoinduced transformations in amorphous chalcogenide film via surface plasmon resonances, Thin Solid Films 519 (2011) 4309-4312
d. nm Asdep Ill Δ % d. nm Asdep Ill Δ % As 20 Se 80 700 677-23 4,3 +60 nm ANR 730 690-40 5,5 +75 nm ANR 730 680-50 6,8 +90 nm ANR 730 670-60 8,2 As 2 S 3 700 680-20 2,86 + 60 nm ANR 730 680-50 6,85 + 75 nm ANR 730 685-45 6,2 + 90 nm ANR 730 690-40 5,5 A vastagság változása piros vagy zöld lézerrel történő megvilágítás hatására.
Z 3 1 2 2 1 Z - plazmon tér hatásának távolsága, nm. ε 1 az arany nanorészecskék dielektrikumos állandójának valós része ε 3 - a kalkogenid réteg dielektrikumos állandója, λ a bevilágítás hullámhossza( 633 nm és 533 nm a mi esetünkben) Az As 20 Se 80 esetében: 1-926 nm, 2 930 nm, 3 935 nm Az As 2 S 3 esetében: 1-751 nm, 2 748 nm, 3-745 nm.
Holografikusan keltett felületi rács vizsgálata tiszta és arany nanorészecskéket tartalmazó rétegben Δd/d, % 6 h 12 h As 20 Se 80 4 8 As 20 Se 80 + ANR 8 13
Rétegek felületi érdességének in situ vizsgálata atomerőmikroszkóp segítségével. As 20 Se 80 As 20 Se 80 + ANR 0, min 0,8 27 5, min 0,9 16 10, min 1,1 12 15. min 1,3 11 20, min 1,5 11 A rétegek felületi érdessége: a és b tiszta kalkogenid bevilágítás előtt és után, c és d kalkogenid + ANR rendszer bevilágítás előtt és után.
Konklúzió Ha az arany nanorészecskében gerjeszthető plazmonrezonancia és a kalkogenid réteg ugyanabban a spektrális tartományban érzékeny, akkor hatással lehet a fotoindukált változásokra, megnövelve a felületi változások mértékét és kialakulási sebességét. Ennek magyarázata nagyban megegyezik a plazmonrezonancia által erősített fluoreszcencia, Raman- szórás jelenségekkel. A kutatásunkat a TAMOP 4.2.1./B-09/1/KONV-2010-0007 program keretein belül végezzük, amelyet az Európai Unió és az Európai Szociális Alap támogat.
Köszönettel tartozunk a velünk együttműködő kollégáknak: Dr. Beke Dezső, Dr. Cserháti Csaba, Dr. Csík Attila, Dr. Erdélyi Gábor, Glodán Györgyi, valamint egy sor külföldi kollegának. Köszönöm figyelmüket!