MATERIAŁY ELEKTRONICZNE

INSTYTUT TECHNOLOGII MATERIAŁÓW ELEKTRONICZNYCH MATERIAŁY ELEKTRONICZNE ELECTRONIC MATERIALS KWARTALNIK T. 42-2014 nr 2 Wydanie publikacji dofinansowane jest przez Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego WARSZAWA ITME 2014 MATERIAŁY ELEKTRONICZNE (Electronic Materials), T. 40, Nr 1/2012 1

INSTYTUT TECHNOLOGII MATERIAŁÓW ELEKTRONICZNYCH ul. Wólczyńska 133, 01-919 Warszawa Z-ca Dyrektora ds. Naukowych tel.: (48 22) 835 44 16 fax: (48 22) 834 90 03 e-mail: Andrzej.Jelenski@itme.edu.pl Ośrodek Informacji Naukowej i Technicznej (OINTE) tel.: (48 22) 835 30 41-9 w. 129, 498 e-mail: ointe@itme.edu.pl http://www.itme.edu.pl/biblioteka Instytut Technologii Materiałów Elektronicznych wydaje dwa czasopisma naukowe, których tematyka dotyczy inżynierii materiałowej, elektroniki i fizyki ciała stałego, a w szczególności technologii otrzymywania nowoczesnych materiałów, ich obróbki, miernictwa oraz wykorzystania dla potrzeb elektroniki i innych dziedzin gospodarki: Materiały Elektroniczne zawierające artykuły problemowe, teksty wystąpień pracowników ITME na konferencjach i Biuletyn PTWK, Prace ITME zawierające monografie, rozprawy doktorskie i habilitacyjne oraz stale aktualizowane katalogi i karty katalogowe technologii, materiałów, wyrobów i usług oferowanych przez Instytut i opartych o wyniki prowadzonych prac badawczych, opisy nowych wyrobów, metod i aparatury Informacje można uzyskać: tel.: (48 22) 834 97 30; fax: (48 22) 834 90 03 e-mail: itme@itme.edu.pl MATERIAŁY ELEKTRONICZNE (Electronic Materials), T. 40, Nr 1/2012 2

KOLEGIUM REDAKCYJNE Redaktor Naczelny: prof. dr hab. inż. Andrzej JELEŃSKI Redaktorzy Tematyczni: prof. dr hab. inż. Zdzisław JANKIEWICZ dr hab. inż. Paweł KAMIŃSKI dr Zdzisław LIBRANT dr Zygmunt Łuczyński prof. dr hab. inż. Tadeusz ŁUKASIEWICZ prof. dr hab. inż. Wiesław MARCINIAK prof. dr hab. Anna Pajączkowska prof. dr hab. inż. Władysław K. WŁOSIŃSKI Sekretarz Redakcji: mgr Anna WAGA Redaktorzy Językowi: mgr Anna KOSZEŁOWICZ - KRASKA mgr Krystyna SOSNOWSKA Redaktor Techniczny: mgr Szymon PLASOTA Kwartalnik notowany na liście czasopism naukowych Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego (3 pkt. - wg komunikatu MNiSW z 17 grudnia 2013 r.) Publikowane artykuły mające charakter naukowy są recenzowane przez samodzielnych pracowników naukowych. Opublikowane artykuły są indeksowane w bazach danych: BazTech, CAS - Chemical Abstracts Wersja papierowa jest wersją pierwotną. Nakład: 200 egz. ADRES REDAKCJI Instytut Technologii Materiałów Elektronicznych ul. Wólczyńska 133, 01-919 Warszawa, e-mail: ointe@itme.edu.pl; www: www.itme.edu.pl KONTAKT redaktor naczelny: tel.: (22) 835 44 16 lub 835 30 41 w. 454 z-ca redaktora naczelnego: (22) 835 30 41 w. 426 sekretarz redakcji: (22) 835 30 41 w. 129 PL ISSN 0209-0058 Na okładce: włókno szklane, które na czarnym tle przyjmuje niebieski kolor, a na bialym tle żółty. Efekt jest wytłumaczony w artykule na str. 18. spis treści - contents Modyfikacja technologii polerowania płytek GaSb stosowanych jako podłoża w procesie epitaksji D. Smoczyński 5 Modification of mechanical-chemical treatment technology of epi-ready GaSb substrates Bezprzewodowy pomiar temperatury z wykorzystaniem rezonatora kwarcowego z akustyczną poprzeczną falą powierzchniową T. Wróbel, E. Brzozowski 13 Wireless temperature measurement based on surface transverse wave quartz resonator Przegląd metod otrzymywania materiałów plazmonicznych oraz wybranych alternatywnych materiałów K. Korzeb, M. Gajc, D. Pawlak 18 Overview of fabrication methods of plasmonic materials and selected alternative materials for plasmonic applications Repozytorium Cyfrowe Instytutów Naukowych 30 Streszczenia wybranych artykułów pracowników ITME 31 MATERIAŁY ELEKTRONICZNE (Electronic Materials), T. 40, Nr 1/2012 3

Streszczenia artykułów ME 42-2 - 2014 Modyfikacja technologii polerowania płytek GaSb stosowanych jako podłoża w procesie epitaksji ME 42, 2, 2014, s. 5 Celem pracy była modyfikacja technologii obróbki mechaniczno chemicznej powierzchni płytek antymonku galu (GaSb), oferowanych przez Instytut Technologii Materiałów Elektronicznych w celu uzyskania powierzchni o jakości epi- -ready, spełniającej wymagania stawiane płytkom podłożowym stosowanym w procesie epitaksji. Zbadano wpływ sposobu trawienia płytek na stopień zanieczyszczenia powierzchni. Stwierdzono, że trawienie w kwasie nieorganicznym ma wpływ na czystość powierzchni. Wymieniono wosk polerski rozpuszczalny w trójchloroetylenie na wosk rozpuszczalny w alkoholu. Wyeliminowano etap mycia płytek w parach wrzącego alkoholu mogących pozostawiać smugi. Wprowadzenie powyższych modyfikacji zmniejszyło gęstość zanieczyszczeń oraz grubość powłoki tlenkowej. Znacząco zmniejszono też chropowatość powierzchni, która dyskwalifikowała podłoża jako epi-ready. Bezprzewodowy pomiar temperatury z wykorzystaniem rezonatora kwarcowego z akustyczną poprzeczną falą powierzchniową ME 42, 2, 2014, s. 13 W artykule przedstawiono wyniki badań urządzenia laboratoryjnego do bezprzewodowego pomiaru temperatury, w którym wykorzystano rezonator kwarcowy z akustyczną poprzeczną falą powierzchniową o liniowej zależności częstotliwości rezonansowej od temperatury. Model urządzenia składa się z części nadawczej i odbiorczej. Układ nadawczy z rezonatorem o środkowej częstotliwości ~ 434 MHz, umieszczonym w pętli sprzężenia zwrotnego szerokopasmowych wzmacniaczy, generuje sygnał, który po wzmocnieniu we wzmacniaczu mocy jest przesyłany przy pomocy anteny do układu odbiorczego. Układ odbiorczy składa się z anteny odbiorczej, z szerokopasmowego wzmacniacza i licznika częstotliwości. Opracowany model umożliwia pomiar temperatury w zakresie 0 100 C z odległości ~ 30 m o dokładności ~ ± 0,2 C. Przegląd metod otrzymywania materiałów plazmonicznych oraz wybranych alternatywnych materiałów ME 42, 2, 2014, s. 18 Praca przedstawia przegląd literaturowy dotyczący technologii otrzymywania materiałów plazmonicznych oraz propozycji materiałów alternatywnych do obecnie stosowanych materiałów w obszarze plazmoniki. W analizie literaturowej przedstawiono porównanie metod top-down i bottom-up do otrzymywania materiałów plazmonicznych w postaci warstw, jak również jako materiałów objętościowych. Dodatkowo wybrano potencjalnie najkorzystniejsze alternatywne materiały plazmoniczne, które mogą zastąpić współcześnie używane materiały konwencjonalne stosowane w dziedzinie plazmoniki. The articles abstracts ME 42-2 - 2014 Modification of mechanical-chemical treatment technology of epi-ready GaSb substrates ME 42, 2, 2014, p. 5 The purpose of this study was to modify the mechanical-chemical treatment technology of epi-ready GaSb substrates produced at the Institute of Electronic Materials Technology. Another aim was to minimize and eliminate the sources of oxidation and contamination generated on the surface of wafers at the washing stage. The effect of substrate etching on the amount of residual contaminants remaining on the surface was investigated. It was found that etching in an inorganic acid has an influence on the purity of the surface. Polishing wax soluble in trichloroethylene was replaced by wax soluble in alcohol. The stage of substrate washing in boiling alcohol was skipped, because it was likely to leave streaks on the surface. As a result of these modifications the thickness of oxide films, which substantially increased the surface roughness and disqualified the use of wafers as epi-ready substrates, was succesfully reduced. Wireless temperature measurement based on surface transverse wave quartz resonator ME 42, 2, 2014, p. 13 In this paper the results of investigation of a laboratory wireless temperature measurement system are presented. A surface transverse wave quartz resonator with a linear dependence of resonance frequency on temperature was used to produce a model of the sensor. The model consists of a transmitter unit and a receiver unit. In the transmitter unit, the resonator, with the center frequency of about 434 MHz, located in a coupling loop of a broadband amplifier generates a signal, which is sent by an antenna to the receiver unit after amplification by a power amplifier. The receiver unit consists of an antenna, a broadband amplifier and a frequency counter. The developed model can measure temperature in a range of 0 100 C, at a distance of about 30 m, with an accuracy of about ± 0.2 C. Overview of fabrication methods of plasmonic materials and selected alternative materials for plasmonic applications ME 42, 2, 2014, p. 18 In this work we reviewed the fabrication methods of both plasmonic materials and novel alternative materials for plasmonics. The analysis of the literature enabled a comparison of top-down and bottom-up preparation methods of plasmonic materials, in the form of layers as well as bulk materials. In addition, potentially the best alternative plasmonic materials which can replace conventional materials for plasmonics are proposed.. MATERIAŁY ELEKTRONICZNE (Electronic Materials), T. 40, Nr 1/2012 4

D. Smoczyński Modyfikacja technologii polerowania płytek GaSb stosowanych jako podłoża w procesie epitaksji Dariusz Smoczyński Instytut Technologii Materiałów Elektronicznych ul. Wólczyńska 133, 01-919 Warszawa; e-mail: dariusz.smoczynski@itme.edu.pl Streszczenie: Celem pracy była modyfikacja technologii obróbki mechaniczno chemicznej powierzchni płytek antymonku galu (GaSb), oferowanych przez Instytut Technologii Materiałów Elektronicznych w celu uzyskania powierzchni o jakości epi-ready, spełniającej wymagania stawiane płytkom podłożowym stosowanym w procesie epitaksji. Zbadano wpływ sposobu trawienia płytek na stopień zanieczyszczenia powierzchni. Stwierdzono, że trawienie w kwasie nieorganicznym ma wpływ na czystość powierzchni. Wymieniono wosk polerski rozpuszczalny w trójchloroetylenie na wosk rozpuszczalny w alkoholu. Wyeliminowano etap mycia płytek w parach wrzącego alkoholu mogących pozostawiać smugi. Wprowadzenie powyższych modyfikacji zmniejszyło gęstość zanieczyszczeń oraz grubość powłoki tlenkowej. Znacząco zmniejszono też chropowatość powierzchni, która dyskwalifikowała podłoża jako epi-ready. Słowa kluczowe: GaSb, obróbka mechaniczno - chemiczna, chropowatość, utlenianie, epitaksja Modification of mechanical-chemical treatment technology of epi-ready GaSb substrates Abstract: The purpose of this study was to modify the mechanical-chemical treatment technology of epi-ready GaSb substrates produced at the Institute of Electronic Materials Technology. Another aim was to minimize and eliminate the sources of oxidation and contamination generated on the surface of wafers at the washing stage. The effect of substrate etching on the amount of residual contaminants remaining on the surface was investigated. It was found that etching in an inorganic acid has an influence on the purity of the surface. Polishing wax soluble in trichloroethylene was replaced by wax soluble in alcohol. The stage of substrate washing in boiling alcohol was skipped, because it was likely to leave streaks on the surface. As a result of these modifications the thickness of oxide films, which substantially increased the surface roughness and disqualified the use of wafers as epi-ready substrates, was succesfully reduced. Key words: GaSb, mechanical - chemical treatment, roughness, oxidation, epitaxy 1. Wprowadzenie Celem pracy była modyfikacja technologii obróbki mechaniczno chemicznej powierzchni płytek antymonku galu (GaSb) w celu uzyskania jakości powierzchni spełniającej wymagania epitaksji z wiązek molekularnych (MBE - Molecular Beam Epitaxy). Zakład Technologii Związków Półprzewodnikowych ITME od dłuższego czasu dysponuje technologią wytwarzania polerowanych płytek GaSb o jakości epi-ready dla epitaksji metodą MOCVD (Metal Organic Chemical Vapour Deposition). Tymczasem współczesne technologie stawiają wyższe wymagania jakościowe dla podłoży pod względem dopuszczalnych wad powierzchni jakimi są tlenki i zanieczyszczenia. Chropowatość powierzchni płytek dopuszczonych do procesu epitaksji powinna spełniać warunek Ra 0,5 nm. W związku z powyższym podjęto decyzję o rozpoczęciu prac badawczo-technologicznych mających na celu uzyskanie podłoży spełniających wymagania epitaksji metodą MBE. Z powyższych powodów prace badawcze skoncentrowano na dwóch procesach: polerowania i trawienia chemicznego po polerowaniu. Dodatkowo, pojawiła się potrzeba wytwarzania większej ilości podłoży, przez co niezbędne stało się opracowanie nie tylko skuteczniejszej ale i wydajniejszej metody mycia płytek. Wymagania dla podłoży dla epitaksji metodą MBE wymuszały modyfikację obecnie stosowanej obróbki GaSb. Celem prac było zmniejszenie chropowatości spowodowanej występowaniem warstwy tlenkowej i zanieczyszczeń. Dlatego też postanowiono wybrać i przetestować spośród prezentowanych w literaturze te środki chemiczne, które skutecznie oczyszczają powierzchnię i są proste w użyciu. Zapotrzebowanie na podłoża o coraz niższej chropowatości wiąże się z wzrastającym zainteresowaniem przyrządami półprzewodnikowymi opartymi na GaSb, tj. fotodiodami, diodami elektroluminescencyjnymi (LED), heterostrukturalnymi laserami diodowymi InGaAsSb/ AlGaAsSb, fotodetektorami InGaAsSb/GaSb i przyrządami termofotowoltaicznymi InGaAsSb/GaSb [1-2]. Stosowane są one m.in. w lampach medycznych, czujnikach śladowych ilości gazu oraz jako elementy ogniw słonecznych podnoszące ich wydajność [3]. Związane jest to z trwającym już od kilku lat poszukiwaniem nowych materiałów na źródła i detektory działające w zakresie długości fal od 2 μm do 4 μm. W związku z tym, monokryształy i płytki GaSb stały się ostatnio poszukiwanym materiałem na podłoża pod wieloskładnikowe (potrójne i poczwórne) warstwy epitaksjalne. GaSb jest szczególnie interesującym materiałem ze względu na dobre dopasowanie stałej sieci (Δa/a w zakresie od 0,08 % do 0,14 % [2]) MATERIAŁY ELEKTRONICZNE (Electronic Materials), T. 42, Nr 2/2014 5

Modyfikacja technologii polerowania płytek GaSb stosowanych jako podłoża... do związków typu: InAsSb, GaInAsSb, AlGaAsSb, charakteryzujących się przerwą energetyczną w szerokim zakresie od 0,30 do 1,58 ev [4]. Wykrywanie dłuższych fal, od 8 μm do 14 μm, jest możliwe dzięki międzypasmowej absorpcji w supersieciach opartych na antymonkach. Przykładami potencjalnych zastosowań GaSb, cywilnych i militarnych, są czujniki obrazowe do rakiet i nadzoru systemów wykrywania pożaru oraz monitoringu zanieczyszczenia środowiska. Należy dodać, że zarówno kilka rodzajów gazów przemysłowych, jak i para wodna silnie absorbują promieniowanie w zakresie bliskiej podczerwieni. Heterostruktury wytwarzane na podłożach GaSb przydatne są do wytwarzania detektorów tego promieniowania. Przyrządy oparte na GaSb mogą również służyć do monitorowania czystości gazów, wykrywania śladów wilgoci w gazach korozyjnych np. HCl i w procesach obróbki półprzewodników. Dodatkowo płytki GaSb i struktury na nich wytworzone mogą znaleźć zastosowanie do wykrywania mikronieszczelności w zbiornikach toksycznych gazów, takich jak: PH 3, HF, H 2 S w zakładach chemicznych oraz monitorowania in situ trawienia plazmowego [3]. Epitaksja dla tych zastosowań wymaga podłoża o powierzchni pozbawionej: mikrorys, warstwy tlenkowej, wszelkiego rodzaju zanieczyszczeń (np. kurzu) oraz posiadającej jak najmniejszą, możliwą do uzyskania chropowatość. Związane jest to ze sposobem prowadzenia procesu osadzania warstw epitaksjalnych. W pierwszym etapie powierzchnia płytki jest długotrwale wygrzewana w ultra wysokiej próżni lub trawiona. Następnie, osadzane są atomy lub molekuły substancji chemicznych tworzące monowarstwy, o grubości rzędu 0,3 nm. Możliwe jest dzięki temu uzyskanie warstw różnych związków półprzewodnikowych o wysokiej jakości morfologii powierzchni, ostrych granicach międzyfazowych i precyzyjnie określonej grubości [5-6]. Dlatego ważne jest aby powierzchnia była jak najlepiej oczyszczona, tak aby struktura krystaliczna osadzanych warstw nie została zaburzona przez zanieczyszczenia. 1.1. Struktura krystalograficzna i cechy kryształów GaSb GaSb należy do grupy związków A III B V o niskiej temperaturze topnienia (T = 712 C), znacznej kruchości, niskiej twardości i bardzo dużej podatności na utlenianie (największej w grupie A III B V ). Kryształy GaSb otrzymywane są głównie metodą Czochralskiego w różnych jej odmianach, tzn. techniką z użyciem topnika lub w redukującej atmosferze wodoru. Kryształy GaSb posiadają strukturę blendy cynkowej, w której każdy atom Ga posiada cztery tetraedrycznie rozmieszczone sąsiednie atomy Sb i na odwrót. Płaszczyzna (100) jest schodkowa i zawiera zarówno atomy Ga, jak i Sb. Płaszczyzny (111) mogą być złożone z atomów Ga (oznaczana jako (111)A) lub Sb (oznaczona jako (111)B). Płaszczyzny te wykazują istotne różnice właściwości chemicznych, elektrycznych i mechanicznych. Różnice te mają znaczący wpływ na sposób polerowania mechaniczno - chemicznego danej płaszczyzny. Stwierdzono doświadczalnie, że wśród wszystkich związków A III B V grupy galowej (GaP, GaAs, GaSb) płaszczyzna (111)A jest wyjątkowo reaktywna chemicznie i wymaga szczególnej uwagi i ostrożności przy ustalaniu stężenia środków polerskich [7]. 1.2. Reakcje zachodzące na powierzchni GaSb Na powierzchni GaSb już w warunkach otoczenia (temperatura pokojowa, wolny dostęp powietrza) powstaje warstwa nierównowagowych termodynamicznie tlenków Ga 2 Sb 2 według poniższej reakcji [5]: 2GaSb + 3O 2 Ga 2 + Sb 2. Jedynymi stabilnymi fazami istniejącymi na powierzchni GaSb w warunkach standardowych są Ga 2 i metaliczny antymon. Tlenek antymonu (III) reaguje z GaSb według reakcji [5]: 2GaSb + Sb 2 Ga 2 + 4Sb. Reakcja (2) zachodzi w temperaturze pokojowej. W ten sposób powierzchnia GaSb w kontakcie z powietrzem pokrywa się warstwą tlenkową złożoną z Ga 2, niewielkiej ilości Sb 2 oraz metalicznego antymonu, który znajduje się na granicy tlenki - GaSb [8]. Wolny antymon jest niekorzystny, ponieważ reaguje dalej z tlenem powodując dalsze utlenianie powierzchni według reakcji [8]: 4Sb + 3O 2 2Sb 2. 1.3. Warunki obróbki mechaniczno-chemicznej GaSb Przygotowanie płytek z GaSb o dobrej jakości powierzchni zależy od wielu czynników, takich jak: prawidłowo dobrane warunki następujących po sobie procesów obróbki mechanicznej (cięcie, szlifowanie) oraz mechaniczno - chemicznej (trawienie, polerowanie, mycie). Do mechanicznego szlifowania płytek GaSb używany jest proszek Al 2 o różnej granulacji ziarna (od 5 µm do 0,05 µm), w mieszaninie wodnej z dodatkiem środka opóźniającego sedymentację. W procesie polerowania stosowane są dwa rodzaje tkanin o różnej twardości i porowatości. Jako medium polerskie stosowany jest bazowy roztwór krzemionki koloidalnej, którego wyjściową granulację można w pewnym stopniu regulować poprzez zmianę ph. Właściwie dobrane warunki polerowania powinny zapewnić równowagę między oddziaływaniami chemicznymi (utlenianie, rozpuszczanie) i mechanicznymi (usuwanie uszkodzonej warstwy). 1.4. Procesy polerowania i mycia podłoży GaSb o średnicy 2 przed modyfikacjami Procesy polerowania i mycia zostały opracowane w Zakładzie Technologii Związków Półprzewodnikowych ITME w ramach prac statutowych [9-11] i są stosowane (1) (2) (3) 6 MATERIAŁY ELEKTRONICZNE (Electronic Materials), T. 42, Nr 2/2014

D. Smoczyński obecnie przy obróbce wszystkich materiałów z grupy A III B V. Wyjątkiem jest etap polerowania, odmienny dla poszczególnych materiałów, a związany z różnymi stężeniami środków trawiących stosowanych w procesie polerowania podłoży. 1.5. Polerowanie Standardowy proces polerowania mechaniczno - chemicznego przebiega przy jednorazowym załadunku 8-10 płytek naklejanych na paletę ceramiczną. Jest to optymalna liczba zapewniająca równomierne rozłożenie siły docisku, a także dzięki odpowiedniemu oddaleniu płytek od siebie, właściwy przepływ medium polerskiego. Do polerowania GaSb wykorzystuje się dwa roztwory wodne podawane jednocześnie na tkaninę polerską. Pierwszym jest roztwór podchlorynu sodu (NaOCl), krzemionki koloidalnej SiO 2 o rozmiarze cząstek 64 nm oraz soli fosforanów sodu używanych jako stabilizatory ph w wodzie dejonizowanej. Wartość ph roztworu powinna zawierać się w granicach od 9,0 do 9,5. Drugim jest roztwór kwasu cytrynowego w wodzie dejonizowanej. Standardowe polerowanie podłoży A III B V podzielone jest na dwa etapy. W etapie pierwszym płytki polerowane są na tkaninie Politex przeznaczonej do usunięcia warstwy uszkodzonej po szlifowaniu oraz do otrzymania lustrzanej powierzchni wolnej od podtrawień bądź głębokich mikrorys. W drugim etapie płytki są polerowane na tkaninie OPC firmy Eminess przeznaczonej do uzyskania finalnej powierzchni płytek. Na tym etapie powierzchnia jest wygładzana, a celem jest otrzymanie jak najmniejszej chropowatości i usunięcie mikrorys. Niestety niezależnie od składu roztworów i wielkości dozowania nie jest możliwe całkowite usunięcie mikrorys. Spowodowane jest to kruchością GaSb oraz tendencją do tworzenia się aglomeratów w roztworze krzemionki koloidalnej SiO 2 (Nalco). Aby wyeliminować zbyt duże cząsteczki tlenku krzemu roztwór poddaje się filtracji. 1.6. Mycie po polerowaniu Mycie po polerowaniu jest procesem, którego celem jest usunięcie wosku polerskiego oraz pozostałości medium polerskiego z powierzchni podłoży. W przypadku materiałów z grupy A III B V mycie jest procesem wieloetapowym. W pierwszym etapie płytki, bezpośrednio po zdjęciu z palety zanurzane są w rozpuszczalniku w celu rozpuszczenia i usunięcia wosku. W kolejnych trzech etapach usuwa się pozostałości wosku, jony metali, tlenki, a w ostatnim etapie tzw. mycia aktywnego trawiona jest z powierzchni płytki warstwa o grubości 1 nm [9, 11]. Wykorzystywane są w tym celu specjalnie dobrane roztwory wodne detergentów przystosowanych do czyszczenia powierzchni związków A III B V. Poszczególne etapy mycia oddzielone są procesem płukania w wodzie dejonizowanej (DI). Na tym etapie powierzchnia GaSb, przy dłuższym kontakcie z wodą, może się utlenić (Rys. 1). Z tego powodu płukanie w wodzie dejonizowanej ograniczone powinno być do kilkunastu sekund. Wszystkie etapy Rys. 1. Utleniona powierzchnia płytki GaSb płukanej 10 min. w wodzie DI. Fig. 1. Oxidized surface of GaSb wafer rinsed in DI water for 10 min.. Rys. 2. Obraz AFM zanieczyszczonej powierzchni GaSb. Obszar 20 μm x 20 μm. Fig. 2. AFM image of contaminated GaSb surface. Surface area 20 μm x 20 μm. Tab. 1. Zestawienie wyników pomiarów chropowatości płytki podłożowej GaSb (Rys. 2). Tab. 1. Collated roughness measurements results for GaSb substrate (Fig. 2). Rmax Rz Rms Ra (Frequency Cutoff) 11,175 (nm) 9,609 (nm) 2,713 (nm) 2,347 (nm) 13,938 (nm) 8,351 (nm) 3,327 (nm) 2,695 (nm) 9,219 (nm) 4,445 (nm) 1,116 (nm) 0,511 (nm) mycia odbywają się w płuczce ultradźwiękowej w celu usunięcia mikrozanieczyszczeń (np. ziaren krzemionki koloidalnej) znajdujących się na powierzchni. Końcowym etapem jest suszenie polegające na zanurzeniu płytek w gorącym alkoholu izopropylowym, a następnie powolnym wyjmowaniu, tak aby spowodować laminarne spłynięcie alkoholu z powierzchni. Bezpośrednio po wy- MATERIAŁY ELEKTRONICZNE (Electronic Materials), T. 42, Nr 2/2014 7

Modyfikacja technologii polerowania płytek GaSb stosowanych jako podłoża... suszeniu płytki poddawane są wizualnej kontroli jakości powierzchni za pomocą epilampy oraz losowo za pomocą mikroskopu sił atomowych. Następnie pakowane są pojedynczo do pudełek i folii aluminiowej oraz zgrzewane próżniowo. Opisany powyżej proces nie zapewniał wymaganej jakości powierzchni płytek GaSb. Ponadto, utleniona powierzchnia płytek wymagała powtórnego ich polerowania i powtórzenia procesu mycia, co w przypadku większej partii jest nieekonomiczne. Występujące na płytkach zanieczyszczenia oraz tlenki (Rys. 1) obniżają jakość warstw epitaksjalnych osadzonych na takich podłożach. Zanieczyszczenia widoczne na Rys. 2 mają znaczący wpływ na wartość chropowatości powierzchni. Wartości średniej arytmetycznej chropowatości R a określone wzdłuż linii niebieskiej i czerwonej wynoszą ponad 2 nm. Gęstość zanieczyszczeń dyskwalifikuje podłoże dla celów epitaksji. Jedynie chropowatość mierzona wzdłuż linii zielonej wynosi 0,511 nm. Jest to graniczna wartość chropowatości akceptowalna przez odbiorców. 2. Optymalizacja technologii Po analizie etapów opracowanej technologii okazało się, że należy zmodyfikować etap mycia płytek, podczas którego pojawiają się tlenki i zanieczyszczenia rezydualne. Na powierzchni płytek naklejonych na paletę bezpośrednio po polerowaniu nie zaobserwowano wad widocznych na Rys. 1. Z przeglądu literaturowego wynika jednak, iż warstwa tlenków powstająca na powierzchni GaSb narasta na tyle szybko, że nie jest możliwe zabezpieczenie powierzchni przed ich narastaniem, nawet gdy płytki są pakowane bezpośrednio po myciu do pudełek wypełnionych N 2 [12]. Dlatego celem badań było uzyskanie powierzchni o najwyższym stopniu czystości, możliwej do zaakceptowania przez użytkowników podłoży w minimalnym stopniu pokrytych warstwą tlenkową. Zaplanowano przeprowadzenie następujących prób: 1. Zastosowanie rozpuszczalnych w alkoholu wosków polerskich do naklejania płytek na krążki ceramiczne. Dotychczas stosowano wosk rozpuszczany w trójchloroetylenie. Jest to substancja ulegająca degradacji podczas długotrwałego przechowywania. Z tego powodu może ona stanowić źródło zanieczyszczeń chemicznych na powierzchni wypolerowanych płytek. Opary trójchloroetylenu są również szkodliwe dla zdrowia. 2. Wykorzystanie płynów polerskich opartych na zawiesinie Al 2 (dotychczasowe roztwory składały się z mieszaniny podchlorynu sodu i krzemionki koloidalnej SiO 2 ) oraz tkanin polerskich o innej fakturze włókien. Próby miały na celu obniżenie chropowatości i zminimalizowanie liczby mikrorys. 3. Całkowite wyeliminowanie wody dejonizowanej (jako źródła tlenu) w całym procesie mycia oraz wprowadzenie dodatkowego, końcowego etapu trawienia powierzchni (w roztworach kwasów) w celu usunięcia resztkowej warstwy tlenków oraz zanieczyszczeń. Morfologia powierzchni płytek po zastosowaniu modyfikacji mierzona była in situ za pomocą mikroskopu sił atomowych. Jest to metoda wymagana w atestach przez odbiorców, w celu potwierdzenia jakości powierzchni. 3. Przebieg badań 3.1. Próba zamiany wosku polerskiego W pierwszym etapie przetestowano wosk rozpuszczalny w alkoholu. Kryterium przydatności była wstępna ocena powierzchni wypolerowanych płytek po rozpuszczeniu wosku w alkoholu. Wosk z płytek rozpuszczano w ciepłym alkoholu o temperaturze ~ 40 C w czasie 2 min. Obserwacja w świetle lampy halogenowej wykazała, że wosk rozpuścił się całkowicie, nie pozostawiając żadnych smug na powierzchni. Na podstawie powyższych obserwacji podjęta została decyzja o wprowadzeniu do technologii wosku rozpuszczalnego w alkoholu. 3.2. Ocena roztworów polerskich opartych na zawiesinie Al 2 W drugim etapie prac badawczych wypróbowano alternatywny roztwór trawiąco-ścierny firmy Baikowski wykorzystujący Al 2. Procedura stosowania tego środka została opisana w artykule P. S. Dutty [13]. Podstawowymi zaletami tego roztworu są: brak aglomeratów czynnika ściernego, możliwość bezpośredniego podawania na tkaninę (bez potrzeby dodawania czynnika utleniającego) oraz bardzo drobne ziarna zawiesiny Al 2. Gwarantowany przez producenta brak aglomeratów oraz dane z artykułu skłoniły do przetestowania tej zawiesiny. Stosując etapy polerowania opisane w artykule[13] wyeliminowano z procesu obróbki mechaniczno-chemicznej szlifowanie i zastąpiono je dwoma etapami polerowania: pierwszy na twardej tkaninie Politex przy użyciu roztworu Baikowski CR1S (ziarno Al 2 o wielkości 0,3 µm), a następnie drugi na miękkiej tkaninie (aksamitny filc) z roztworem Baikowski CR15S (ziarno Al 2 o wielkości 0,05 µm). Zadaniem polerowania na twardej tkaninie jest uzyskanie płaskiej powierzchni, chociaż skutkuje to dużą ilością mikrorys. Finalne polerowanie odbywa się na miękkiej tkaninie w czasie ~ 2 min. Celem tego etapu jest wyeliminowanie drobnych mikrorys. Po wstępnym polerowaniu na twardej tkaninie powierzchnia płytek w świetle lampy halogenowej okazała się całkowicie porysowana, co było zgodne z danymi z artykułu [13]. Podczas drugiego etapu polerowania na miękkiej tkaninie (mimo użycia medium o mniejszym ziarnie) mikrorysy nie zostały jednak usunięte, nawet po wydłużeniu czasu polerowania. Przeprowadzono drugą próbę polerowa- 8 MATERIAŁY ELEKTRONICZNE (Electronic Materials), T. 42, Nr 2/2014

D. Smoczyński nia roztworem firmy Baikowski o ziarnistości 0,05 µm w czasie 2 min przy użyciu płytek wypolerowanych według wcześniej opisanej technologii. Powierzchnia obserwowana w świetle lampy halogenowej była również całkowicie porysowana. Potwierdziło to przypuszczenia, że środki bazujące na tlenku aluminium nie nadają się do polerowania GaSb. Można wymienić dwa tego powody. Pierwszy, to większa twardość Al 2 (9 w skali Mohsa) od SiO 2 (6,5 w skali Mohsa), która skutkuje zarysowaniem powierzchni GaSb. Drugi powód, to brak czynnika utleniającego. Roztwór krzemionki SiO 2 jest dodawany do podchlorynu sodu i kwasu cytrynowego. Optymalne polerowanie osiągane jest przy równowadze trawienia i ścierania powierzchni. Roztwór firmy Baikowski (pełny skład pozostaje tajemnicą producenta) prawdopodobnie działa tylko ściernie. Jednak mimo niepowodzenia podjęto jeszcze jedną próbę polerowania z użyciem Al 2. Wykorzystano standardową mieszaninę polerską podchlorynu sodu i wody DI, w której zamiast roztworu Nalco użyto tlenku aluminium. Powierzchnia polerowanych płytek okazała się równie porysowana jak przy stężonym roztworze Baikowski. W związku z powyższym zdecydowano się pozostać przy stosowaniu krzemionki koloidalnej. 3.3. Doświadczalna weryfikacja oddziaływań chemicznych roztworów trawiących z powierzchnią GaSb Trawienie chemiczne po polerowaniu jest nowym etapem technologii obróbki podłoży GaSb. Został on opracowany na podstawie danych z artykułów P. S. Dutty [13] i C. A. Wanga [12]. W opisanej metodzie, płytki po polerowaniu poddane zostały myciu w ksylenie, acetonie oraz metanolu. Następnie przeprowadzono trawienie w wodnych roztworach kwasów HF i HCl o różnych stężeniach. Zaproponowane kwasy stosowane są w mieszankach do trawienia antymonków w celu ujawnienia dyslokacji, trawienia polerującego oraz usuwania tlenków z powierzchni. Z literatury wynika, że warstwa tlenkowa pozostająca na powierzchni po procesie płukania płytek z resztek kwasu, jest najgrubsza po wodzie dejonizowanej, a najcieńsza po 2-propanolu [12]. Po płukaniu w wodzie DI na powierzchni pojawił się metaliczny Ga, którego obecność wiąże się z reakcją materiału powierzchni z wodą i powstaniem związku Ga(OH) 3 [14]. Doświadczenia własne potwierdzają, że płukanie w wodzie DI pozostawia na podłożach osad w postaci białych kropek (Rys. 4a). Jest to prawdopodobnie chlorek galu pozostający na powierzchni jako produkt reakcji po rozpuszczeniu tlenków w HCl według reakcji (4) [15]. Ponadto płukanie w wodzie DI może utleniać powierzchnie płytek dyskwalifikując je do epitaksji. Jest to podstawowy powód aby wyeliminować wodę DI z całego procesu mycia podłoży GaSb po polerowaniu. Modyfikacja ta spowoduje również usunięcie stosowanych obecnie, rozcieńczanych w wodzie, detergentów. Literatura podaje wiele roztworów używanych do trawienia powierzchni GaSb [14]. Składają się one zazwyczaj z co najmniej dwóch składników: utleniacza i czynnika kompleksującego. Mieszanki ze związkami utleniającymi (głównie kwasem azotowym) gwałtownie rozrywają wiązania Ga z Sb, co skutkuje trawieniem powierzchni i zniszczeniem efektu polerowania. Wydaje się, że niekorzystne jest stosowanie wszelkiego rodzaju utleniaczy, a zwłaszcza H 2 O 2 w roztworach trawiących. Mogą one skutkować pojawieniem się na powierzchni bardzo trudno rozpuszczalnego Sb 2 O 5, który występuje jako cienka żółta warstwa. Z powyższych powodów w opracowanych mieszankach trawiących powierzchnie płytek wykorzystano głównie a) kwas kompleksujący (HCl). Tlenki Ga i Sb są rozpuszczane w HCl według reakcji [15]: Ga 2 + 6HCl 2GaCl 3 + 3H 2 O Sb 2 + 6HCl 2SbCl 3 + 3H 2 O Jest to potwierdzone badaniami XPS, które wykazują o wiele mniejszą intensywność sygnału związanego z tlenem oraz z tlenkami Ga 2 i Sb 2, po trawieniu w HCl [15]. Główny produkt reakcji czyli trójchlorek galu jest bezbarwny i łatwo rozpuszczalny m.in. w izopropanolu. W tym opracowaniu do prób trawienia wykorzystano cztery roztwory: - stężony HCl, - roztwór HCl z wodą DI w proporcji 1:1, - roztwór HCl z CH 3 OH w proporcji 3:1, - roztwór HCl z HN w proporcji 30:1. Ostatni roztwór, mimo wykorzystania HN występuje w literaturze jako trawiacz dla tlenków GaSb, dlatego zdecydowano się również na przetestowanie jego wpływu na jakość powierzchni. Efektywne usunięcie tlenków osiągane jest poprzez oczyszczenie chemiczne powierzchni podczas krótkiego działania środka trawiącego, ponieważ zbyt długie trawienie płytki GaSb prowadzi do wzrostu chropowatości. Morfologię powierzchni płytek GaSb trawionych w wymienionych roztworach przedstawiono na Rys. 3 i Rys. 6. (4) (5) MATERIAŁY ELEKTRONICZNE (Electronic Materials), T. 42, Nr 2/2014 9

Modyfikacja technologii polerowania płytek GaSb stosowanych jako podłoża... a) b) Rys. 3. Powierzchnia płytki GaSb trawiona w stężonym HCl: a) zdjęcie, b) obraz powierzchni w ciemnym polu mikroskopu z kontrastem Nomarskiego. Fig. 3. Surface of GaSb wafer etched in a concentrated HCl: a) photograph, b) dark field optical micrograph with Nomarski contrast. a) b) Rys. 4. Powierzchnia płytki GaSb trawiona w HCl z wodą dejonizowaną w proporcji 1:1: a) zdjęcie, b) obraz powierzchni w ciemnym polu mikroskopu z kontrastem Nomarskiego. Fig. 4. Surface of GaSb wafer etched in HCl witch deionized water in 1:1 ratio: a) photograph, b) dark field optical micrograph with Nomarski contrast. a) b) Rys. 5. Powierzchnia płytki GaSb trawiona w HCl z CH 3 OH w proporcji 3:1: a) zdjęcie, b) obraz powierzchni w ciemnym polu mikroskopu z kontrastem Nomarskiego. Fig. 5. Surface of GaSb wafer etched in HCl witch CH 3 OH in 3:1 ratio: a) photograph, b) dark field optical micrograph with Nomarski contrast. 10 MATERIAŁY ELEKTRONICZNE (Electronic Materials), T. 42, Nr 2/2014

D. Smoczyński a) b) Rys. 6. Powierzchnia płytki GaSb trawiona w HCl z HN w proporcji 30:1: a) zdjęcie, b) jamki trawienia widoczne pod mikroskopem z kontrastem Nomarskiego. Fig. 6. Surface of GaSb wafer etched in HCl with HN in 30:1 ratio: a) photograph, b) etch pits visible under microscope with Nomarski contrast. 4. Omówienie wyników badań Najlepszą jakość powierzchni otrzymano po trawieniu płytek w stężonym kwasie solnym (Rys. 3). Nie mniej ważne dla otrzymania czystej powierzchni jest również dokładne wypłukanie produktów reakcji. Do tego celu zastosowano alkohol izopropylowy, w którym rozpuszczają się chlorki powstałe po trawieniu tlenków galu i antymonu, nie pozostawiając osadów na powierzchni. Mieszanina kwasu solnego z wodą DI okazała się nieskuteczna. Na powierzchni pozostały zanieczyszczenia, które nie zostały usunięte w trakcie płukania w alkoholu izopropylowym (Rys. 4b). Podobne efekty uzyskano po trawieniu w mieszaninie HCl z CH 3 OH. Stwierdzono, że dodatek metanolu nie wpłynął na skuteczność trawienia. Również po tym trawieniu pozostała na powierzchni niewielka ilość osadów (Rys. 5b). Trudno jest ustalić skład chemiczny zanieczyszczeń widocznych na obu płytkach. Wszystkie próbki płukane były w izopropanolu dlatego też nie powinny to być pozostałości chlorków (do podobnych wniosków doszli autorzy pracy [15]). Żółty nalot na płytce trawionej w mieszaninie HCl z HN (Rys. 6a) jest prawdopodobnie warstwą Sb 2 O 5, która jest nierozpuszczalna w wodnych roztworach kwasów i zasad. Tlenek ten powstaje w silnie utleniającym środowisku, np. w obecności HN [15]. Dodatkowo pojawiły się wytrawione jamki, które zniszczyły efekt polerowania (Rys. 6b). Jakość powierzchni płytki trawionej w stężonym HCl została oceniona przy użyciu mikroskopu sił atomowych. Powyższe badania potwierdziły, że powierzchnia płytki została dokładnie oczyszczona (Rys. 7). Średnia wartość parametru chropowatości Ra śr wynosi 0,210 nm (Tab. 2). Zmierzono również grubość warstwy tlenkowej na Rys. 7. Obraz AFM powierzchni płytki GaSb po trawieniu w stężonym HCl. Obszar 20 μm x 20 μm. Fig. 7. AFM image of GaSb wafer surface after etching in concentrated HCl. Surface area 20 μm x 20. Tab. 2. Zestawienie wyników pomiaru chropowatości płytki podłożowej GaSb, Ra śr = 0,210 nm (Rys. 7). Tab. 2. Collated results of roughness measurements for GaSb substrate, Ra śr = 0.210 nm (Fig. 7). Rmax Rz Rms Ra (Frequency Cutoff) 1,507 (nm) 0,720 (nm) 0,278 (nm) 0,231 (nm) 1,609 (nm) 0,841 (nm) 0,261 (nm) 0,193 (nm) 1,674 (nm) 0,912 (nm) 0,290 (nm) 0,207 (nm) MATERIAŁY ELEKTRONICZNE (Electronic Materials), T. 42, Nr 2/2014 11

Modyfikacja technologii polerowania płytek GaSb stosowanych jako podłoża... płytce trawionej stężonym HCl, przechowywanej przez 3 miesiące w szafie azotowej w opakowaniu próżniowym. Pomiar wykonany za pomocą elipsometru wykazał obecność warstwy tlenkowej o grubości 0,6 nm. Mikroskopowe obrazy powierzchni wskazują, że trawienie oczyściło powierzchnię płytki z zanieczyszczeń. Chropowatość Ra nie przekracza 0,5 nm. Najwyższa jej wartość obserwowana jest wzdłuż linii niebieskiej i wynosi 0,231 nm, a najmniejsza wzdłuż linii czerwonej i wynosi 0,193 nm. 5. Podsumowanie Celem pracy było uzyskanie dobrej jakości powierzchni płytek podłożowych GaSb spełniającej współczesne wymagania dla podłoży stosowanych w procesie epitaksji. W tym celu zmodyfikowano proces mycia płytek po polerowaniu. Etap polerowania pozostał bez większych zmian. Wynika to z faktu, że głównym czynnikiem pogarszającym jakość podłoży były nieusunięte w procesie mycia różnego rodzaju zanieczyszczenia pozostające na powierzchni. Przetestowany alternatywny roztwór polerski na bazie Al 2, który miał znacząco przyspieszyć czas polerowania i zredukować liczbę mikrorys okazał się jednak nieodpowiedni dla podłoży GaSb. Powierzchnia po jego zastosowaniu była całkowicie porysowana. Na etapie polerowania zastąpiono wosk rozpuszczalny w trójchloroetylenie woskiem rozpuszczalnym w alkoholu izopropylowym. Wyeliminowało to szkodliwy rozpuszczalnik, jakim jest trójchloroetylen. Spośród proponowanych w literaturze roztworów służących do oczyszczenia powierzchni płytek GaSb wybrano i przetestowano te, które usuwały tlenki, nie trawiąc podłoża i nie zwiększając chropowatości. Udało się również ograniczyć ilość środków stosowanych do mycia podłoży, co zwiększyło wydajność całego procesu obróbki płytek. Podsumowując, można stwierdzić, że skutecznym środkiem służącym do oczyszczenia podłoży GaSb jest roztwór kwasu solnego. Wyniki przeprowadzonych badań wskazują, że uzyskano znaczącą poprawę jakości powierzchni płytek i zmniejszono ich chropowatość. Uzyskana wartość chropowatości R a 0,231 nm jest ponad dwukrotnie mniejsza od wartości równej 0,5 nm, będącej warunkiem akceptacji płytek przez odbiorców. Zmodyfikowanie technologii umożliwiło uzyskanie płytek o znacznie mniejszym stopniu zanieczyszczenia powierzchni w porównaniu do płytek przygotowanych według poprzedniej procedury. Pomiary elipsometryczne wykazały niewielką grubość warstwy tlenkowej, wynosząca 0,6 nm. Całkowite usunięcie tlenków z powierzchni GaSb wydaje się być niemożliwe dlatego gdyż powstają one bardzo szybko w kontakcie z powietrzem. 6. Literatura [1] Anikeev S., Donetsky D., Belenky G., Luryi S., Wang C. A., Borrego J. M., Nichols G.: Measurement of the Auger recombination rate in p-type 0.54 ev Ga- InAsSb by time resolved photoluminescence, Appl. Phys. Lett., 2003, 83, 3317-3319 [2] Tsang W. T., Chiu T. H., Kisker W., Ditzenberger J. A.: Molecular beem epitaxial growth of In 1-x Ga x As 1-y Sb y lattice matched to GaSb, Appl. Phys. Lett., 1985, 46, 283-285 [3] Dutta P. S., Bhat H. L., Kumar V.: The physics and technology of gallium antimonide: An emerging optoelectronic material, J. Appl. Phys., 1997, 81(9) 5821-5870 [4] Milnes A. G., Polyakov A. Y.: Review Gallium antimonide device related properties, Solid-State Electr., 1993, 36, 803-818 [5] Palisaitis J.: Epitaxial growth of thin films, Physics of Advanced Materials Winter School, 2008, 1-16 [6] Kelsall R.W., Hamley I.W., Geoghegan M., Nanotechnologie, 2009, PWN, Warszawa [7] Papis Polakowska E.: Surface treatments of GaSb and related materials for the processing of mid-infrared semiconductor devices, Electron Technology, 2005/2006, 37/38, 1-34 [8] Kitamura N., Kikuchi T., Kakehi M., Wada T.: Chemical depth profile of thermal oxide on GaSb using XPS method, Jpn. J. Appl. Phys., 1984, 23, 1534 [9] Bańkowska A.: Zbadanie warunków technologicznych procesu obróbki mechaniczno-chemicznej (OMC) podłoży GaSb i InSb o średnicy 2 i orientacji [100], Sprawozdanie z pracy statutowej ITME, 2005, Warszawa [10] Gładki A.: Przygotowanie stanowisk szlifowania i polerowania oraz uruchomienie małoseryjnej produkcji podłoży GaAs otrzymanych metodami LEC Ø 2 i Bridgeman a, Sprawozdanie z pracy statutowej ITME, 1997, Warszawa [11] Gładki A.: Opracowanie warunków przygotowania handlowych podłoży GaAs o średnicy Ø 2 i 3 oraz grubości 100 ± 20 µm, Sprawozdanie z pracy statutowej ITME, 2005, Warszawa [12] C Wang. A., Shiau D. A., Lin A.: Preparation for GaSb and GaInAsSb growth by organometallic vapor phase epitaxy, Journal of Crystal Growth, 2004, 261, 385-392 [13] Dutta P. S., Rajagopalan G., Kim H. J., Kumar A.: A novel surface preparation methodology for epi-reay antimonide based III-V substrates, Proc. SPIE 5783, Infrared Technology and Applications XXXI, 2005, 78, 78-85 [14] Faust, J. W. Jr: Compound semiconductors, preparation of III V Compounds, edited by R. K. Willardson and H. L. Goering ~Reinhold, Chapman and Hall, 1962, London, Vol. 1, Chap. 50 [15] Liu Z. Y., Hawkins B., Kuech T. F.: Chemical and structural characterization of GaSb(100) surfaces treated by HCl-based solutions and annealed in vacuum, J. Vac. Sci. Technol. B, 2002, 21, (71), 71-77 12 MATERIAŁY ELEKTRONICZNE (Electronic Materials), T. 42, Nr 2/2014

T. Wróbel, E. Brzozowski Bezprzewodowy pomiar temperatury z wykorzystaniem rezonatora kwarcowego z akustyczną poprzeczną falą powierzchniową Tadeusz Wróbel, Ernest Brzozowski Instytut Technologii Materiałów Elektronicznych ul. Wólczyńska 133, 01-919 Warszawa; e-mail: Tadeusz.Wrobel@itme.edu.pl, Ernest.Brzozowski@itme.edu.pl Streszczenie: W artykule przedstawiono wyniki badań urządzenia laboratoryjnego do bezprzewodowego pomiaru temperatury, w którym wykorzystano rezonator kwarcowy z akustyczną poprzeczną falą powierzchniową o liniowej zależności częstotliwości rezonansowej od temperatury. Model urządzenia składa się z części nadawczej i odbiorczej. Układ nadawczy z rezonatorem o środkowej częstotliwości ~ 434 MHz, umieszczonym w pętli sprzężenia zwrotnego szerokopasmowych wzmacniaczy, generuje sygnał, który po wzmocnieniu we wzmacniaczu mocy jest przesyłany przy pomocy anteny do układu odbiorczego. Układ odbiorczy składa się z anteny odbiorczej, z szerokopasmowego wzmacniacza i licznika częstotliwości. Opracowany model umożliwia pomiar temperatury w zakresie 0 100 C z odległości ~ 30 m o dokładności ~ ± 0,2 C. Słowa kluczowe: poprzeczna akustyczna fala powierzchniowa, rezonator, czujnik temperatury, czujnik bezprzewodowy Wireless temperature measurement based on surface transverse wave quartz resonator Abstract: In this paper the results of investigation of a laboratory wireless temperature measurement system are presented. A surface transverse wave quartz resonator with a linear dependence of resonance frequency on temperature was used to produce a model of the sensor. The model consists of a transmitter unit and a receiver unit. In the transmitter unit, the resonator, with the center frequency of about 434 MHz, located in a coupling loop of a broadband amplifier generates a signal, which is sent by an antenna to the receiver unit after amplification by a power amplifier. The receiver unit consists of an antenna, a broadband amplifier and a frequency counter. The developed model can measure temperature in a range of 0 100 C, at a distance of about 30 m, with an accuracy of about ± 0.2 C. Key words: surface transverse wave, resonator, temperature sensor, wireless sensor 1. Wstęp Aktualnie istnieje duże zainteresowanie problematyką monitorowania temperatury w trudno dostępnych miejscach, bądź w nieprzyjaznym środowisku. Prowadzone są prace zmierzające do opracowania bezprzewodowych czujników temperatury opartych na podzespołach piezoelektrycznych z akustyczną falą powierzchniową [1-2]. W ITME opracowano laboratoryjny bezprzewodowy czujnik temperatury oparty na rezonatorze kwarcowym z akustyczną poprzeczną falą powierzchniową umożliwiający zdalny pomiar temperatury. W artykule przedstawiono zasadę działania i wyniki pomiarów bezprzewodowego czujnika temperatury. 2. Zasada działania urządzenia do bezprzewodowego pomiaru temperatury Zasada działania bezprzewodowego czujnika temperatury polega na emisji sygnału o częstotliwości zależnej od temperatury. Emitowany sygnał jest odbierany przez licznik częstotliwości, przy czym wielkość rejestrowanej częstotliwości określa mierzoną temperaturę. Podzespołem poddawanym oddziaływaniu mierzonej temperatury jest rezonator kwarcowy z akustyczną poprzeczną falą powierzchniową (APFP). Rezonator jest elementem układu generacyjnego umieszczonym w pewnej odległości od części aktywnej układu. Schemat blokowy bezprzewodowego czujnika temperatury przedstawiono na Rys. 1. Rys. 1. Schemat blokowy laboratoryjnego urządzenia do bezprzewodowego pomiaru temperatury. Oznaczenia części nadawczej: 1 rezonator kwarcowy, 2 układ generacyjny, 3 wzmacniacz mocy, 4 antena nadawcza. Oznaczenia części odbiorczej: 5 antena odbiorcza, 6 wzmacniacz, 7 licznik częstotliwości. Fig. 1. Block diagram of laboratory wireless temperature sensor. Marking for transmitter unit: 1 quartz resonator, 2 generator circuit, 3 power amplifier, 4 transmitting antenna. Marking for receiver unit: 5 receiving antenna, 6 amplifier, 7 frequency counter. MATERIAŁY ELEKTRONICZNE (Electronic Materials), T. 42, Nr 2/2014 13

Bezprzewodowy pomiar temperatury z wykorzystaniem rezonatora kwarcowego... 3. Rezonator kwarcowy z APFP W ITME opracowany został rezonator kwarcowy z APFP na częstotliwość ~ 434 MHz dopuszczoną do zastosowań w czujnikach bezprzewodowych. Rezonator posiada strukturę czwórnikową, wykonany został na kwarcu o orientacji 55 YX90, charakteryzuje się niską tłumiennością wtrąceniową (~ 6 db) oraz liniową zależnością zmian częstotliwości rezonansowej w funkcji temperatury. Szczegółowe parametry rezonatora zamieszczone są w karcie katalogowej [3]. Rezonator zmontowany jest w obudowie metalowej (Rys. 2), jego charakterystyki amplitudową i fazową przedstawiono na Rys. 3. Rezonator załączony do układu generacyjnego decyduje o częstotliwości generacji. 4. Część nadawcza urządzenia do bezprzewodowego pomiaru temperatury Podstawowym układem części nadawczej czujnika temperatury jest generator. W skład układu generatora wchodzą: rezonator kwarcowy, wzmacniacze szerokopasmowe i przesuwniki fazy (Rys. 4). Rezonator kwarcowy funkcjonuje między dwoma wzmacniaczami, z którymi połączony jest przewodami koncentrycznymi o impedancji Z = 50 Ω. Długość przewodów wynosi pół długości fali, co zapewnia odpowiednią transformację impedancji (1:1). Wzbudzenie drgań w układzie generacyjnym występuje przy spełnieniu warunków [4]: 1. W(f 0 ) > 0 2. φ(f 0 ) = 2πn n = 0, 1, 2, 3, (1) (2) Rys. 2. Obudowa rezonatora kwarcowego. Fig. 2. Package of quartz resonator. a) b) W(f 0 ) - wzmocnienie układu przy częstotliwości generacji f 0 [db], φ(f 0 ) - faza w układzie przy częstotliwości f 0 będąca sumą przesunięć fazowych wprowadzanych przez elementy układu. W układzie generacyjnym odpowiednie wzmocnienie w pętli sprzężenia zwrotnego zapewniają wzmacniacze, między którymi załączony jest rezonator, natomiast przesuwniki fazy (elementy bierne oraz przewód koncentryczny) wnoszą wymaganą wielkość przesunięcia fazowego. Przewody koncentryczne łączące rezonator z częścią aktywną układu posiadają długość l = λ/2 = 18 cm. Wzmacniacz szerokopasmowy załączony między układem generacyjnym a wzmacniaczem mocy pełni funkcję separatora. Sygnał z generatora wzmocniony przez wzmacniacz mocy jest wyemitowany przez antenę nadawczą. Pasmo przenoszenia wzmacniacza mocy wynosi Rys. 3. Charakterystyki rezonatora kwarcowego z APFP: a) charakterystyka amplitudowa; b) charakterystyka fazowa. Fig. 3. Responses of STW quartz resonator: a) amplitude response; b) phase response. 14 MATERIAŁY ELEKTRONICZNE (Electronic Materials), T. 42, Nr 2/2014

T. Wróbel, E. Brzozowski Rys. 4. Schemat blokowy części nadawczej urządzenia do bezprzewodowego pomiaru temperatury. Oznaczenia: 1 rezonator kwarcowy, 2, 3 wzmacniacze szerokopasmowe, 4,5,6 przesuwniki fazy, 7 wzmacniacz szerokopasmowy, 8 wzmacniacz mocy, 9 antena nadawcza. Fig. 4. Block diagram of transmitter unit. Marking: 1 quartz resonator, 2, 3 wideband amplifiers, 4, 5, 6 phase shifters, 7 wideband amplifier, 8 power amplifier, 9 transmitting antenna. a) a) b) b) Rys. 6. Układ generatora i wzmacniacza mocy w obudowie: a) obudowa otwarta, b) obudowa zamknięta. Fig. 6. Generator circuit and power amplifier in package: a) opened package, b) closed package. Rys. 5. Charakterystyki toru generacyjnego: a) charakterystyka amplitudowa, b) charakterystyka fazowa. Fig. 5. Responses of generator circuit: a) amplitude response, b) phase response. 400 470 MHz, natomiast antena funkcjonuje w paśmie 433 ± 5 MHz. Istotnym warunkiem wzbudzenia stabilnych drgań generatora jest odwzorowanie charakterystyk rezonatora kwarcowego w torze generacyjnym. Poprawnie odwzorowane charakterystyki rezonatora w torze generacyjnym przedstawiono na Rys. 5. Część nadawczą bezprzewodowego czujnika temperatury umieszczono w obudowie metalowej o wymiarach 146 x 102 x 65 mm (Rys. 6). MATERIAŁY ELEKTRONICZNE (Electronic Materials), T. 42, Nr 2/2014 15

Bezprzewodowy pomiar temperatury z wykorzystaniem rezonatora kwarcowego... 5. Część odbiorcza urządzenia do bezprzewodowego pomiaru temperatury Sygnał emitowany przez część nadawczą czujnika temperatury jest odbierany w części odbiorczej czujnika przez antenę i po przejściu przez wzmacniacz szerokopasmowy rejestrowany jest przez licznik częstotliwości typu HP53181A (Rys. 7). Antena odbiorcza podobnie jak antena nadawcza funkcjonuje w paśmie częstotliwości 433 ± 5 MHz. Rys. 7. Schemat blokowy części odbiorczej urządzenia do bezprzewodowego pomiaru temperatury. Oznaczenia: 1 - wzmacniacz szerokopasmowy, 2 - licznik częstotliwości, 3 - antena odbiorcza. Fig. 7. Block diagram of receiver unit. Marking: 1 - wideband amplifier, 2 - frequency counter, 3 - receiving antenna. Wzmacniacz szerokopasmowy umieszczono w obudowie metalowej o wymiarach 50 x 55 x 26 mm. Część odbiorczą bezprzewodowego czujnika temperatury zilustrowano na Rys. 8. Rys. 9. Zależność częstotliwości emitowanego sygnału od temperatury. Fig. 9. Emitted signal frequency versus temperature. Przeprowadzono badania zależności częstotliwości emitowanego sygnału od temperatury (Rys. 9) oraz wykonano pomiar zasięgu tego sygnału. Badania temperaturowe przeprowadzono w zakresie 0 100 C, przy czym rezonator kwarcowy umieszczono w komorze temperaturowej, natomiast część aktywną układu nadawczego pozostawiono poza komorą. Określona czułość układu na podstawie charakterystyki temperaturowej wynosi ~ 32 khz / C, natomiast zdolność rozdzielcza wynosi 0,1 C / 3,2 khz. Stwierdzono, że po załączeniu zasilania układu częstotliwość generowanego sygnału stabilizuje się po 20 min. Model bezprzewodowego czujnika temperatury pozwala na pomiar temperatury z dokładnością ± 0,2 C, natomiast zasięg emitowanego sygnału z mocą ~ 1 W wynosi ~ 30 m. 7. Parametry urządzenia do bezprzewodowego pomiaru temperatury Rys. 8. Część odbiorcza urządzenia do bezprzewodowego pomiaru temperatury. Fig. 8. Receiver unit of laboratory wireless temperature measurement system. 6. Badania urządzenia do bezprzewodowego pomiaru temperatury 1. Częstotliwość pracy ~ 434 MHz 2. Zakres pomiaru temperatur 0 100 C, 3. Dokładność pomiaru temperatury ± 0,2 C, 4. Czułość układu 32 khz / C, 5. Zdolność rozdzielcza układu 0,1 / 3,2 khz, 6. Wstępny czas stabilizacji układu 20 min., 7. Zasięg ~ 30 m, 8. Zakres temperatur pracy części aktywnej układu 25 ± 10 C 9. Moc promieniowana ~1 W, 10. Zasilanie: - napięcie stałe + 12 V, - pobór prądu ~ 0,8 A. 8. Podsumowanie Opracowano laboratoryjne urządzenie do bezprzewodowego pomiaru temperatury złożone z części nadawczej i odbiorczej, umożliwiające zdalny pomiar temperatury. Emitowany sygnał o mocy ~1 W umożliwia pomiar temperatury z odległości ~30 m. Podstawowym elementem układu generacyjnego jest rezonator kwarcowy o liniowej zależności częstotliwości rezonansowej rezonatora od temperatury. Dzięki temu możliwe jest jednoznaczne określenie temperatury. Umieszczenie rezonatora z dala od części aktywnej układu generatora pozwala na pomiar 16 MATERIAŁY ELEKTRONICZNE (Electronic Materials), T. 42, Nr 2/2014

T. Wróbel, E. Brzozowski temperatury w zakresie 0 100 C. Odległość rezonatora od części aktywnej układu generatora może być wielokrotnością połowy długości fali λ, w tym przypadku przyjęto odległość λ/2 = 18 cm. 9. Literatura [1] Reindl L., Shrena I. M.: Wireless measurement of temperature using surface acoustic waves sensors, IEEE Transactions on UFFC,, 2004, 51, 11, 1457-1463 [2] Canabal A., Davulis P. M., Harris G. M., Pereira da Cunha M.: High-temperature battery-free wireless microwave acoustic resonators sensor system, Electronics Letters, 2010, 46, 7, 471-472 [3] Katalog podzespołów z AFP: www.itme.edu.pl/oferta-154.html [4] Wagner J., Philip M., von Schickfus M.: A Mode- -locked acoustic wave oscillator for sensor applications, 2002 IEEE International Frequency Control Symposium and PDA Exhibition. 255-259 MATERIAŁY ELEKTRONICZNE (Electronic Materials), T. 42, Nr 2/2014 17

Przegląd metod otrzymywania materiałów plazmonicznych oraz wybranych... Przegląd metod otrzymywania materiałów plazmonicznych oraz wybranych alternatywnych materiałów karolina Korzeb, Marcin Gajc, Dorota Pawlak Instytut Technologii Materiałów Elektronicznych ul. Wólczyńska 133, 01-919 Warszawa; e-mail: karolinakorzeb@gmail.com, Dorota.Pawlak@itme.edu.pl Streszczenie: Praca przedstawia przegląd literaturowy dotyczący technologii otrzymywania materiałów plazmonicznych oraz propozycji materiałów alternatywnych do obecnie stosowanych materiałów w obszarze plazmoniki. W analizie literaturowej przedstawiono porównanie metod top-down i bottom-up do otrzymywania materiałów plazmonicznych w postaci warstw, jak również jako materiałów objętościowych. Dodatkowo wybrano potencjalnie najkorzystniejsze alternatywne materiały plazmoniczne, które mogą zastąpić współcześnie używane materiały konwencjonalne stosowane w dziedzinie plazmoniki. Słowa kluczowe: plazmonika, materiał plazmoniczny, top-down, bottom-up Overview of fabrication methods of plasmonic materials and selected alternative materials for plasmonic applications Abstract: In this work we reviewed the fabrication methods of both plasmonic materials and novel alternative materials for plasmonics. The analysis of the literature enabled a comparison of 'top-down' and 'bottom-up' preparation methods of plasmonic materials, in the form of layers as well as bulk materials. In addition, potentially the best alternative plasmonic materials which can replace conventional materials for plasmonics are proposed. Key words: plasmonics, plasmonic materials, top-down, bottom-up 1. Wstęp Plazmonika [1-2] to dziedzina wiedzy badająca plazmony, czyli kwazicząstki będące kwantami oscylacji plazmy, które drgają z charakterystyczną częstotliwością - częstotliwością plazmy ω p, w wyniku oddziaływania fali elektromagnetycznej na quasi-swobodne nośniki pochodzące z pasma przewodnictwa metalu lub półprzewodnika. Na skutek działania pola elektromagnetycznego nośniki te oddalają się od dodatnio naładowanego jądra atomowego, po czym powracają do stanu wcześniejszego po jego ustaniu w wyniku przyciągających sił kulombowskich. Na Rys. 1 przedstawiono schemat przedstawiający podział plazmonów, który dzieli je na plazmony objętościowe nie oddziaływujące z falą elektromagnetyczną (tworzą fale podłużne) [3]. oraz plazmony powierzchniowe, które mogą oddziaływać z falą elektromagnetyczną (tworzą fale poprzeczne). Powstający w plazmonicznych nanostrukturach zlokalizowany rezonans plazmonów powierzchniowych (Localized Surface Plasmon Resonance - LSPR) [1] może prowadzić do wzmocnienia lub powstania liniowych oraz nieliniowych zjawisk optycznych (takich jak spontaniczna emisja, absorbcja nieliniowa czy rozpraszanie ramanowskie). Efekt ten znajduje wiele aplikacji [3], m.in. zwiększenie wydajności fotoogniw słonecznych [4], pojemności dysków twardych [5], nowe terapie leczenia [6] i wykrywania nowotworów [7], czy wspomaganie termiczne zapisu magnetycznego [8]. Materiały plazmoniczne znajdują również zastosowanie w nanolaserach plazmonowych [9-10], czy też w wysokowydajnych źródłach światła oraz plazmonicznych metamateriałach [11]. Dodatkowo są one używane jako elementy biosensorów [12-13], przykładowo wykorzystuje się je w testach ciążowych. Jednym z najstarszych przedmiotów wykorzystujących efekt LSPR jest Puchar Likurga (Lycurgus Cup), króla Tracji żyjącego w VIII w. p.n.e. Sam puchar znaleziono w Rzymie w IV wieku n.e., obecnie znajduje się on w Muzeum Brytyjskim. Oświetlenie pucharu z zewnątrz lub od środka wywołuje zmianę jego barwy. Gdy światło pada z zewnątrz puchar przyjmuje zabarwienie zielone, natomiast podczas oświetlenia pucharu od wewnątrz obserwuje się kolor czerwony. Zmiany koloru pucharu związane są ze zlokalizowanym rezonansem plazmonów powierzchniowych w nanocząstkach srebra i złota znajdujących się w szkle z którego kielich jest wykonany. Rys. 1. Schemat przedstawiający podział plazmonów. Fig. 1. Diagram showing types of plasmon. 18 MATERIAŁY ELEKTRONICZNE (Electronic Materials), T. 42, Nr 2/2014

K. Korzeb, M. Gajc, D. Pawlak 2. Podstawy teoretyczne rezonansu plazmonów powierzchniowych 2.1. Model Drudego-Lorentza Model Drude go-lorentz a [14] oparty na równaniu oscylatora harmonicznego tłumionego (1.1) [3], które wraz z teorią Maxwell a [15] pozwala na opisanie teoretycznych właściwości elektromagnetycznych ciał posiadających swobodne nośniki (np. metali lub półprzewodników) lub ciał posiadających elektrony związane z jądrem atomowym (np. dielektryki). d m 2 x dx + mγ + mω o2 x = ee, dt 2 dt (1.1) gdzie: x odległość na jaką odchylony jest elektron, m masa elektronu, γ czynnik opisujący straty energetyczne (czyli tzw. tłumienie), e ładunek elektronu, E natężenie pola elektrycznego, ω o częstotliwość drgań własnych odpowiadająca drganiom atomów w sieci krystalicznej (drgania fononowe). Równanie 1.1 opisuje działanie następujących sił: siły wynikającej z II równania Newtona m(d 2 x/dt 2 ), siły oporu (tłumienia), mγ(dx/dt) oraz siły sprężystości mω o2 x wynikającej z faktu związania elektronu z jądrem atomowym, które są przyłożone przeciwko sile pola elektromagnetycznego ee. Równanie to jest słuszne dla materiałów dielektrycznych, w któych drgania sieci krystalicznej przekładają się bezpośrednio na drgania elektronów. Natomiast w przypadku metali, w któych elektron nie jest związany z jądrem atomowym (dla metali) człon mω o 2 x jest równy zeru [3]. Rozwiązując przedstawione powyżej równanie 1.1, można wyznaczyć odległość przesunięcia elektronu x względem jądra. W przypadku materiału dielektrycznego rozwiązanie równania 1.1 przybiera następującą postać: x d (t) = e E(t) 2, m (ω o - ω 2 - iγω) (1.2) natomiast dla metalu charakteryzuje się następującą zależnością: e x m (t) = E(t), m (- ω 2 - iγω) (1.3) gdzie: ω częstotliwość padającej fali elektromagnetycznej. Odsunięcie elektronu o ładunku ujemnym od jądra skutkuje utworzeniem momentu dipolowego, a więc polaryzacją materiału opisaną przez znane równanie Maxwell a: D = ε o E + P = ε o ε r (ω)e, (1.4) gdzie: P polaryzacja, E natężenie pola elektrycznego, D indukcja elektryczna, ε 0 przenikalność elektryczna próżni, ε r względna przenikalność elektryczna. Funkcja ta opisuje właściwości elektromagnetyczne niemagnetycznych ośrodków (dla których względna przenikalność magnetyczna μ r = 1). Znając odległość przesunięcia x można obliczyć polaryzację P: P = - enx(t), (1.5) gdzie: N ilość utworzonych dipoli elektrycznych. Dla metalu N oznacza koncentrację swobodnych elektronów, dla materiału dielektrycznego oznacza ilość utworzonych par elektron jądro atomowe. Korzystając z powyższych równań (1.2, 1.3, 1.4 i 1.5) można wyznaczyć względną przenikalność elektryczną ε r, będącą charakterystyczną funkcją dla każdego ośrodka zależną od długości fali (częstotliwości), którą dla materiałów dielektrycznych i metali/półprzewodników opisują odpowiednio równania 1.6 i 1.7. e ε r (ω) (dielektryk) = 1 + 2 N 1 2, ε o m ω o - ω 2 - iγω e ε r (ω) (metal) = 1 + 2 N 1. ε o m - ω 2 - iγω (1.6) (1.7) W przypadku metali człon (e 2 N/ε o m) jest nazywany częstotliwością plazmy ω p opisującą częstotliwość drgań swobodnych nośników. e 2 N ω 2 p =. ε o m (1.8) Wówczas równanie 1.7 można zapisać w postaci uproszczonej: 2 ω p ε r (ω) (metal) = 1 -. ω 2 + iγω (1.9) Zmiana wartości części rzeczywistej przenikalności z ujemnej na dodatnią (i odwrotnie) następuje dla częstotliwości plazmowej ω p. Można to łatwo wykazać przy pomocy uproszczonego równania 1.9 dla przypadku gdy straty energetyczne są równe 0 (iγω = 0). Równanie 1.9 po takim przekształceniu wygląda następująco: ω 2 ε r (ω) = 1 - p. ω 2 (1.10) Rys. 2. został utworzony na podstawie równania 1.10 i przedstawia zależność wartości przenikalności elektrycznej od zredukowanej częstotliwości (dla teoretycznego MATERIAŁY ELEKTRONICZNE (Electronic Materials), T. 42, Nr 2/2014 19

Przegląd metod otrzymywania materiałów plazmonicznych oraz wybranych... powstałego pola elektrycznego można opisać tzw. przybliżeniem elektrostatycznym [18]: 3E o ε M E (1.11) ind =, [18] ε(ω) + 2ε M Rys. 2. Wykres zależności zespolonej wartości przenikalności elektrycznej od zredukowanej częstotliwości (dla teoretycznego przypadku bez strat) [3]. Fig. 2. Plot of complex electric permittivity values of reduced frequency (for theoretical case without losses) [3]. przypadku bez strat). Częstotliwość plazmy ω p (równanie 1.8) zależy głównie od koncentracji nośników swobodnych N. Dla większości metali jest ona w nadfiolecie, natomiast w przypadku półprzewodników, gdzie koncentracja nośników jest mniejsza, jest ona w podczerwieni. Powyżej częstotliwości plazmy metal jest przezroczysty dla fali elektromagnetycznej [3]. Teoretyczny opis Drude go (równanie 1.9) jest jednak rozwiązaniem mocno uproszczonym. Nie uwzględnia on bowiem czynnika strat energetycznych pochodzących od rozpraszania elektronów z elektronami, elektronów z fononami, a także elektronów z defektami. Straty w zasadniczym stopniu determinują właściwości elektryczne, a także plazmoniczne danego materiału [16]. Z drugiej strony elektrony związane z jądrem mogą przemieszczać się między pasmami wskutek dostarczonej energii. Odziaływanie te to tzw. przejścia międzypasmowe (interband transitions), które również powodują straty energetyczne w metalu. 2.2. Zlokalizowany rezonans plazmonów powierzchniowych - LSPR Zlokalizowany rezonans plazmonów powierzchniowych (rezonans plazmoniczny) pojawia się gdy fala elektromagnetyczna o częstotliwości identycznej z częstotliwością drgań zlokalizowanych plazmonów powierzchniowych pada na nanocząstkę plazmoniczną [17]. Gdy na sferyczną nanocząstkę plazmoniczną o przenikalności ε(ω) umieszczoną w osnowie o przenikalności elektrycznej ε M pada fala elektromagnetyczna o natężeniu pola elektrycznego E 0 i częstotliwości ω równej częstotliwości drgań zlokalizowanych plazmonów powierzchniowych dochodzi do zlokalizowanego rezonansu plazmonów powierzchniowych. Zjawisko to objawia się wzrostem przekroju czynnego na rozpraszanie i absorpcję, jak również powstaniem silnych pól elektromagnetycznych wokół nanocząstki (local field enhancement - LFE). Dla nanocząstki sferycznej o średnicy d 20 nm wielkość gdzie: E ind natężenie pola elektrycznego zaindukowane wokół nanocząstki, E 0 natężenie pola elektrycznego padającego na nanocząstkę, ε(ω) część rzeczywista przenikalności elektrycznej nanocząstki odpowiadająca częstotliwości padającej fali ω, ε M część rzeczywista przenikalności elektrycznej osnowy odpowiadająca częstotliwości padającej fali ω. Z równania 1.11 wynika, że gdy ε(ω) = 2ε M to mianownik równa się zeru, a cały ułamek jest osobliwy. Wtedy pole zaindukowane E Ind, jest wielokrotnie silniejsze niż pole padające na nanocząstkę. Jest to przykład zjawiska rezonansowego. Przybliżenie to jest prawdziwe w przypadku gdy straty energetyczne są zaniedbywalne. W realnych materiałach zawsze mamy do czynienia ze stratami np. wynikającymi z rezystencji materiału plazmonicznego co powoduje, że wzmocnione natężenie pola elektrycznego jest ograniczone. Cechą LSPR jest to, że jego częstotliwość można zmieniać poprzez dobór wielkości, kształtu i położenia nanocząstek oraz rodzaju osnowy i rodzaju materiału z jakiego są wykonane nanocząstki. Dzięki temu istnieje możliwość sterowania rezonansem i dostosowania go do tych długości fali jakie mają być wykorzystane w zaplanowanych zastosowaniach. 3. Konwencjonalne materiały plazmoniczne Materiały dla zastosowań w plazmonice powinny charakteryzować się niskimi stratami międzypasmowymi (straty takie to przechodzenie elektronów z niższych na wyższe pasma wskutek dostarczonej energii) oraz niskimi stratami wewnątrzpasmowymi (to straty wynikające z rozpraszania elektronów na innych elektronach, fononach i defektach), odpowiednią koncentracją i mobilnością nośników oraz ujemnymi wartościami części rzeczywistej przenikalności elektrycznej. Konwencjonalnymi materiałami używanymi w plazmonice w całym zakresie spektralnym (od nadfioletu do mikrofal) są najczęściej srebro i złoto [19]. Charakteryzują się one wysoką wartością przewodnictwa [20]. Wśród obecnie stosowanych materiałów plazmonicznych srebro charakteryzuje się najniższymi stratami dla zakresu światła widzialnego i bliskiej podczerwieni [21]. Pozwoliło to na wykorzystanie srebra jako materiału plazmonicznego do stworzenia supersoczewek i hypersoczewek [22], metamateriałów o ujemnych współczynniku załamania światła dla światła widzialnego, jak również zwiększenia wydajności paneli słonecznych wykonanych z warstw amorficznego krzemu [23-27]. Złoto w porównaniu ze srebrem ma 20 MATERIAŁY ELEKTRONICZNE (Electronic Materials), T. 42, Nr 2/2014