Materiały fotoniczne

Transkrypt

1 Materiały fotoniczne Półprzewodniki Ferroelektryki Mat. organiczne III-V, II-VI, III-N - źródła III-V (λ=0.65 i 1.55) II-IV, III-N niebieskie/zielone/uv - detektory - modulatory Supersieci, studnie Kwantowe, Struktury warstwowe - modulatory - skanery - przetworniki częstotliwości - pamięci holograficzne - wyświetlacze Dwójłomność, efekt e-o, Fotorefrakcyjny, fotoelestoopt. Nieliniowe efekty opt. -przetworniki częstotliwości - modulatory Konwersja częstości Efekty nieliniowe, niska stała dielektryczna USF_2 Materiały M.Kujawińska, T.Kozacki, M.Jóżwik 2-1

2 Materiały (Kryształy) objętościowe Cienkie warstwy Półprzewodniki - technologie Epitaksja (struktura warstwy jest identyczna ze strukturą podłoża, może być inny skład chemiczny, grubość warstw od kilku do kilkunastu µm): CVD (Chemical Vapour Deposition) chemiczne osadzanie z fazy lotnej: - APCVD (Atmosferic Pressure CVD) - LPCVD (Low Pressure CVD) - PECVD (Plasma Enhanced CVD) - MOCVD (Metaloorganic CVD) MBE (Molecular Beam Epitaxy) - warstwy o ekstremalnie cienkich grubościach (1-100 nm) - struktury o obniżonej wymiarowości (2D studnie kwantowe, 1D druty kwantowe, 0D kropki kwantowe) Reaktor LPCVD Heteroepitaksja (wzrost warstw na niedopasowanym pod względem struktury krystalicznej podłożu) USF_2 Materiały M.Kujawińska, T.Kozacki, M.Jóżwik 2-2

3 Półprzewodniki Pasmo przewodnictwa Pasmo walencyjne Przerwa energetyczna Całkowita przewodność elektryczna: σ~ (nµ e + pµ h ) µ e ruchliwość elektronów µ h ruchliwość dziur Tu rozważane optyczne procesy: Odbicie, dyfrakcja, propagacja falowodowa, Absorpcja, emisja, E-O i nieliniowe efekty Współczynnik załamania (n), współczynnik absorpcji (α), energia emisji i przerwa energetyczna USF_2 Materiały M.Kujawińska, T.Kozacki, M.Jóżwik 2-3

4 Półprzewodniki USF_2 Materiały M.Kujawińska, T.Kozacki, M.Jóżwik 2-4

5 Półprzewodniki USF_2 Materiały M.Kujawińska, T.Kozacki, M.Jóżwik 2-5

6 Półprzewodniki III-V III grupa: aluminium, gal, ind V grupa: fosfor, arsen, antymon 9 struktur podwójnych 18 potrójnych 15 poczwórnych Konieczność dopasowania stałych sieci przy grubych warstwach Dopuszczalne przy cienkich warstwach USF_2 Materiały M.Kujawińska, T.Kozacki, M.Jóżwik 2-6

7 Półprzewodniki III-V: Struktury AlGaAs Zastosowania struktur AlGaAs - elektronika (tranzystory, diody tunelowe) - fotonika (lasery diodowe, ogniwa słoneczne, szybkie detektory, modulatory, absorbery) Studnia kwantowa: - przynajmniej jeden wymiar materiału jest mniejszy niż kilkaset A, Cienka warstwa materiału studni pomiędzy dwiema warstwami materiału granicznego USF_2 Materiały M.Kujawińska, T.Kozacki, M.Jóżwik 2-7

8 Półprzewodniki III-V: Struktury AlGaAs Obniżenie Przerwy energetycznej USF_2 Materiały M.Kujawińska, T.Kozacki, M.Jóżwik 2-8

9 Półprzewodniki III-V: Struktury AlGaAs Bandgap dla sieci dopasowanych 870nm Możliwość modyfikacji długości fali emitowanej powyżej 1um przez zastosowanie niedopasowanych sieci (strained pseudomorphic quantum wells) USF_2 Materiały M.Kujawińska, T.Kozacki, M.Jóżwik 2-9

10 Półprzewodniki III-V: Struktury GaInAsP/InP Urządzenia optoelektroniczne dla telekomunikacji 1.3 i 1.55 um Diody laserowe i detektory USF_2 Materiały M.Kujawińska, T.Kozacki, M.Jóżwik 2-10

11 Półprzewodniki III-V: Struktury GaInAsP/InP USF_2 Materiały M.Kujawińska, T.Kozacki, M.Jóżwik 2-11

12 Półprzewodniki III-V: Struktury GaInAsP/InP USF_2 Materiały M.Kujawińska, T.Kozacki, M.Jóżwik 2-12

13 Półprzewodniki II-VI Szeroki zakres przerwy energetycznej Urządzenia fotoniczne w zakresie od podczerwieni do ultrafioletu (np. niebieskie diody laserowe) USF_2 Materiały M.Kujawińska, T.Kozacki, M.Jóżwik 2-13

14 Półprzewodniki II-VI - wzrost w monolityczne struktury wielowarstwowe (możliwość uzyskania różnorodnych struktur typu studni kwantowych) - różne stałe sieci krystalicznych umożliwiają wytworzenie struktur z dopasowanymi i z odkształconymi warstwami ZnSe/Zn 0,75 Cd 0,25 Se USF_2 Materiały M.Kujawińska, T.Kozacki, M.Jóżwik 2-14

15 Półprzewodniki II-VI - epitaksja umożliwia uzyskanie nowych faz nie występujących w naturze - wszystkie związki (poza HgS) mają tetraedryczną strukturę: Struktura blendy cynkowej (sfalerytu), ZnS Hexagonalna struktura wurcytu, ZnS USF_2 Materiały M.Kujawińska, T.Kozacki, M.Jóżwik 2-15

16 Zastosowania: Półprzewodniki: SiC i III-V N -źródła i detektory w niebiesko-zielonym, niebieskim i ultrafioletowym zakresie promieniowania - optyczne pamięci i kolorowe wyświetlacze Właściwości: - odporne chemicznie i na wysokie temperatury - łatwe domieszkowanie (typ n i p) USF_2 Materiały M.Kujawińska, T.Kozacki, M.Jóżwik 2-16

17 Półprzewodniki SiC Różnorodne układy warstw krystalicznych np..: -3C SiC czysta struktura kubiczna (typ blendy cynkowej), ABCABC - E do 2.3 ev - 2H SiC czysta struktura periodyczna o heksagonalnej symetrii (typ wurcytu), ABAB - E do 3.3 ev - 6H SiC struktura mieszana, E do 2.9 ev Przykład heterozłącza 3C SiC i 6H SiC (z dopasowaną stałą siatki ) USF_2 Materiały M.Kujawińska, T.Kozacki, M.Jóżwik 2-17

18 Półprzewodniki III-V N USF_2 Materiały M.Kujawińska, T.Kozacki, M.Jóżwik 2-18

19 Półprzewodniki III-V N AlN - E g = 6.2 ev InN E g = 1.9 ev ZASTOSOWANIE: lasery w niebieskim i ultrafioletowym zakresie USF_2 Materiały M.Kujawińska, T.Kozacki, M.Jóżwik 2-19

20 Materiały ferroelektryczne Zastosowania: modulatory światła, powielanie częstotliwości, wzmacniacze wiązki, optyka zintegrowana, pamięci optyczne, Bazują na zjawiskach dwójłomności, efektów elektrooptycznych, zjawiskach nieliniowych, fotorefrakcyjnych, pyroelektycznych i elektroelastooptycznych występujących w materiałach ferroelektrycznych. Materiały ferroelektryczne materiały (kryształy, ceramiki, cienkie warstwy) wykazujące w pewnym zakresie temperatur spontaniczną polaryzację P s której kierunek może zostać odwrócony na skutek przyłożonego pola elektrycznego. Θ c punkt Curie T< Θc ferroelektryk T> Θc paraelektryk USF_2 Materiały M.Kujawińska, T.Kozacki, M.Jóżwik 2-20

21 Materiały ferroelektryczne USF_2 Materiały M.Kujawińska, T.Kozacki, M.Jóżwik 2-21

22 Materiały ferroelektryczne USF_2 Materiały M.Kujawińska, T.Kozacki, M.Jóżwik 2-22

23 Materiały ferroelektryczne: efekt elektrooptyczny Przykładowe tensory liniowego wsp. r: W przypadku kwadratowego efektu elektrooptycznego: gdzie: S 13 wsp. Kerra Szereg efektów nieliniowych USF_2 Materiały M.Kujawińska, T.Kozacki, M.Jóżwik 2-23

24 USF_2 Materiały M.Kujawińska, T.Kozacki, M.Jóżwik 2-24

25 Materiały organiczne Ciała amorficzne, molekularne złożone z dużych molekuł, związanych ze sobą słabymi siłami międzycząsteczkowymi (np.. Van der Waalsa), podczas gdy w obrębie makromolekuły występują znacznie silniejsze wiązania kowalencyjne. Przykład: polimery organiczne i nieorganiczne Struktura wewnętrzna: tzw. Model przypadkowych łańcuchów (kłębków) Średnica kłębka: ok.30 nm, długość: ok.50 µm POLISTYREN (CH 2 CHC 6 H 5 ) N PMM Poli(metakrylean metylu) N indeks polimeryzacji H H -- C C -- H monomer H CH 3 -- C C H C O Pierścień benzenowy (C 6 H 5 ) O CH 3 bez jednego atomu wodoru USF_2 Materiały M.Kujawińska, T.Kozacki, M.Jóżwik 2-25

26 Materiały ferroelektryczne: efekty nieliniowe Przykładowe tensory wsp. nieliniowości optycznej d: n(2ω) = n(ω), n 0 >n e - dopasowanie faz będzie dla kąta Θ spełniającego r-nie: Dla Gaussowskiej wiązki laserowej natężenie drugiej harmonicznej wyniesie: USF_2 Materiały M.Kujawińska, T.Kozacki, M.Jóżwik 2-26