Модифікація оптичних властивостей тонких плівок перехідних металів на поверхні піроелектриків йонною імплантацією

Размещено на http://www.allbest.ru/

КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ імені ТАРАСА ШЕВЧЕНКА

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

01.04.05 - оптика, лазерна фізика

Модифікація оптичних властивостей тонких плівок перехідних металів на поверхні піроелектриків йонною імплантацією

Лисюк Віктор Олександрович

Київ - 2011

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

йонний імплантація піроелектричний інфрачервоний

Актуальність. Сегнетоелектрики ніобат літію і танталат літію широко використовуються в оптиці завдяки своїм унікальним електрооптичним, акусто-оптичним, піроелектричним та нелінійним оптичним властивостям. Завдяки високій температурі Кюрі, хімічній та механічній стабільності та високому значенню променевої стійкості ніобат літію і танталат літію є одними з найкращих матеріалів для високоточних вимірювань в умовах високих потужностей лазерного випромінювання, що вимагають високої стабільності, довговічності та променевої стійкості.

Напилення тонких поглинальних плівок на піроелектрики дозволяє збільшити вольт-ватну чутливість систем тонка поглинальна плівка - піроелектрик за рахунок збільшення поглинальної здатності покриття, що важливо для використання у приладах оптоелектроніки, зокрема для чутливих елементів піроелектричних приймачів випромінювання.

Однак, характеристики більшості відомих на сьогоднішній день піроелектричних приймачів випромінювання з відповідними поглинальними плівками (Ni, Ni-Cr, золота чорнота, тощо) мають недостатнє для реєстрації потужного лазерного випромінювання значення променевої стійкості внаслідок низької адгезії поглинальних плівок та піроелектричного кристалу.

Серед сучасних методів модифікації оптичних властивостей та структури напівпровідникових матеріалів окремої уваги заслуговують фотолітографія, лазерне опромінення та йонна імплантація. Зокрема, для модифікації поверхонь та меж поділу систем тонка плівка - підкладинка найбільш ефективним виявився метод йонної імплантації, який раніше використовувався переважно для покращення електричних та оптичних властивостей напівпровідникових структур, а для систем тонка металева плівка - піроелектрик ніобат або танталат літію, наскільки нам відомо, не застосовувався.

Процеси, які відбуваються при йонній імплантації, зокрема на межі поділу тонка металева плівка - підкладинка ще не достатньо вивчені і викликають великий інтерес як з точки зору фундаментальної фізики, так і при їх застосуваннях в сучасних оптичних приладах. Тому для з'ясування вищезазначених процесів необхідно проведення як експериментальних, так і теоретичних досліджень йонноімплантованих систем тонка металева плівка - ніобат літію.

Таким чином, науковий та практичний інтерес до вивчення оптичних властивостей та структури систем тонка металева плівка - ніобат літію, бомбардованих йонами Ar⁺, визначає актуальність обраної теми дисертаційної роботи.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Виконана робота є складовою частиною держ-бюджетних тем: “Діагностика фізико-хімічних процесів на поверхні невпорядкованих конденсованих систем з різним типом провідності еліпсометричним методом”, реєстраційний номер 01 БФ 051-13, 2001-2005 рр., „Оптичні та магнітооптичні властивості поверхневих шарів та плівок з різним типом провідності”, номер державної реєстрації 0106U006391, 2006-2010 рр.

Мета, задачі та методи дослідження. Метою дослідження є встановлення зв'язку між параметрами йонної імплантації, зміною оптичних властивостей та приповерхневої структури систем тонка металева плівка - піроелектрик, з'ясування основних механізмів, що спричиняють такі зміни, та розробка високоефективних піроелектричних приймачів інфрачервоного випромінювання.

Об'єктом дослідження є системи тонка Ni плівка - ніобат літію, тонка Mo плівка - ніобат літію та тонка Pd плівка - ніобат літію, імплантовані високо-енергетичними йонами Ar⁺.

Предметом дослідження є оптичні властивості тонких металевих плівок на піроелектриках, модифікованих високоенергетичними йонами Ar⁺; структура поверхні та приповерхневих шарів систем; процеси, що відбуваються під час йонної імплантації в системі тонка металева плівка - піроелектрик; характеристики піроелектричних приймачів випромінювання, виготовлених на основі досліджуваних систем.

Для досягнення поставленої мети потрібно було розв'язати такі задачі:

1. Знаходження оптимальних товщин тонких поглинальних плівок для забезпечення, з одного боку, високого поглинання, а з іншого - досягнення якомога меншого часу для проходження теплового випромінювання до піроелектричного кристалу.

2. Встановлення оптимальних енергій та доз йонів для забезпечення максимального їх розподілу на межі тонка металева плівка - піроелектрик.

3. Вимірювання спектральних залежностей коефіцієнта відбивання та пропускання систем в широкій області спектра (л = 0,25 - 15 мкм) та визначення їх поглинальних здатностнй. Вимірювання оптичних сталих та визначення оптичної провідності в інтервалі енергій фотонів hн=0.5-4.8 еВ.

4.Дослідження поверхневої структури систем та порівняння з результатами дослідження їх оптичних властивостей до та після йонної імплантації.

5. Розрахунок спектрів відбивання в моделях гладкої та шорсткої поверхонь та аналіз основних факторів, що призводять до змін оптичних властивостей та приповерхневої структури систем тонка металева плівка - піроелектрик.

6.Розробка піроелектричних приймачів випромінювання на основі систем тонка металева плівка - піроелектрик та дослідження їхніх характеристик.

В роботі використані методи теоретичного моделювання та експерименталь-них досліджень. А саме:

спектроскопія відбивання та пропускання систем, розрахунок поглинальної здатності, кутова еліпсометрія та спектроеліпсометрія, розрахунок спектрів відбивання в моделях шорсткої та гладкої поверхонь зразків, рентгенографічні дослідження якісного та кількісного складу систем, атомно-силова мікроскопія та скануюча електронна мікроскопія, розрахунок профілів гальмування атомів віддачі методом Монте-Карло.

Наукова новизна.

1. Проведено дослідження оптичних властивостей та поверхневої структури систем тонка металева (Ni, Mo, Pd) плівка - ніобат літію, імплантованих йонами аргону.

2. Показано, що коефіцієнт відбивання імплантованих систем зменшується в спектральному інтервалі л=0,5-15 мкм, а поглинальна здатність збільшується у порівнянні з неімплантованими, що є результатом змін структури систем як біля поверхні, так і поблизу межі поділу: плівка - підкладинка.

3. Виявлено при певних товщинах поглинальних плівок сталість коефіцієнта відбивання системи: тонка паладієва плівка - ніобат літію після йонної імплантації в широкій області спектра (1-15 мкм), чого не спостерігалось для систем з Ni чи Mo плівками на ніобаті літію.

4. Показано, що після йонної імплантації дзеркально-гладка поверхня систем: тонка металева плівка - ніобат літію набуває складної мікрогеометрії в результаті утворення блістерів.

5. Запропоновано використання йонної імплантації при розробці піроелектричних приймачів випромінювання на основі систем тонка металева (Ni, Mo, Pd) плівка - ніобат літію з покращеними характеристиками.

Практичне значення одержаних результатів.

1. Проведені дослідження оптичних властивостей систем: тонка металева (Ni, Mo, Pd) плівка - ніобат літію дозволили використати їх в оптико-електронних системах для реєстрації ІЧ випромінювання.

2. Застосування тонкого поглинального шару дозволило підвищити інтегральну чутливість та детектуючу здатність при низькому значенні постійної часу запропонованих приймачів випромінювання, що дозволяє використовувати їх для реєстації як слабких, так і потужних світлових потоків.

3. Застосування йонної імплантації призводить до суттєвого збільшення адгезії поглинальної плівки та піроелектричного кристала внаслідок йонного перемішування та радіаційно-прискореної дифузії на межі їх поділу, в результаті чого значно зростає променева стійкість приймачів, що дозволяє використовувати їх для реєстрації надпотужного лазерного випромінювання.

4. Відсутність селективності спектральної чутливості запропонованих приймачів випромінювання дозволяє використовувати їх при абсолютних вимірюваннях світлових потоків в ІЧ області спектра.

Особистий внесок здобувача. Основні результати дисертації опубліковано у 12 статтях. Автор приймав участь у виготовленні зразків та особисто проводив вимірювання на експериментальних установках. Автор самостійно отримав результати експериментальних досліджень та проводив їх обробку, використовуючи персональний комп'ютер та необхідне програмне забезпечення. Аналіз та інтерпретацію отриманих результатів проведено особисто автором при консультаціях з науковим керівником. Постановка задачі та обговорення одержаних результатів проводилися разом із науковим керівником. Здобувач особисто готував статті до публікацій та представляв доповіді на конференціях.

Апробація результатів. Основні результати дисертаційної роботи доповідались на 17 наукових конференціях: Міжнародній конференції молодих вчених “Оптоелектронні інформаційно-енергетичні технології” (Вінниця, Україна, 2002); 15-й Міжнародній школі-семінарі “Спектроскопія атомів та молекул” (Чернігів, Україна, 2001); Міжнародній конференції “Фотоніка ОДС” (Вінниця, Україна, 2010); Міжнародній конференції SPIE по матеріалам для ІЧ детекторів III (Сан Дієго, штат Каліфорнія, США, 2003); Міжнародній конференції ROMOPTO (Констанца, Румунія, 2003); Симпозіумі SPIE “Фотонікс вест 2004” (Сан Хосе, штат Каліфорнія, США, 2004); Симпозіумі OSA “Межі в Оптиці/Лазерна Наука ХХІ” (Туксон, штат Арізона, США, 2005); Міжнародній Андінській та Карибській конференції “Оптика та застосування” (Калі, Колумбія, 2006); Міжнародній конференції „Оптика та матеріалознавство високих технологій” (Київ, Україна, 2002, 2003, 2004, 2005, 2006, 2007, 2010); Конференції молодих вчених з фізики напівпровідників “Лашкарьовські читання” (Київ, Україна, 2010); Симпозиумі з оптичних матеріалів для високо-потужних лазерів “SPIE Laser Damage” (Boulder, Colorado, USA, 2010).

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 12 статей у фахових журналах та 17 в матеріалах та тезах доповідей наукових конференцій.

Структура дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу, п'яти розділів та висновків. Дисертація викладена на 138 сторінках. Список цитованої літератури містить 113 найменувань на 11 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, показано зв'язок роботи з науковими темами, сформульовано мету і задачі досліджень, наукову новизну і практичне значення одержаних результатів, зазначено особистий внесок здобувача, наведено відомості про апробацію результатів дисертації та публікації.

Перший розділ присвячено огляду літератури з таких питань, як: формування електронних спектрів перехідних металів та тонких металевих плівок; оптичні властивості піроелектриків та систем тонка металева плівка - піроелектрик, модифікація оптичних властивостей та приповерхневої структури матеріалів йонною імплантацією, теоретичне моделювання та аналіз процесів, що відбуваються під час йонної імплантації.

У другому розділі описано методику виготовлення пластин ніобату літію та метод нанесення тонких металевих плівок на підкладинку (піроелектрик). Показано, що товщини плівок Ni, Mo чи Pd є оптимальними лише в межах 15 - 40 нм, що повинно забезпечити, з одного боку, суцільність їхньої структури та високу поглинальну здатнысть, а з іншого, - забезпечити мінімальний час проходження теплового потоку до піроактивного кристалу. Описано експериментальну установку та технологію йонної імплантації. Проведено теоретичні розрахунки профілів розподілу йонів аргону в системах тонка металева плівка - піроелектрик методом Монте-Карло для визначення оптимальних енергій та доз йонів для забезпечення максимуму розподілу йонів на межі плівка - підкладинка. Показано, що для плівок товщиною 20 нм енергії йонів Ar⁺ мають становити приблизно 50 кеВ, а для плівок товщиною 40 нм - близько 100 кеВ. Описано установку та розроблений метод вимірювання спектрів відбивання з використанням нестандартної відбивної приставки, описано методи атомно-силової мікроскопії та скануючої електронної мікроскопії для дослідження поверхневої структури зразків. Також розглянуто методи кутової та спектральної еліпсометрії.

У третьому розділі проведено дослідження поверхневої структури неімплантованих та імплантованих йонами Ar⁺ систем: тонка металева плівка - піроелектрик. Результати досліджень показали (рис. 1), що до імплантації поверхня Ni, Mo та Pd плівок на ніобаті літію була гладкою без особливих структур, окрім поодиноких дефектів поверхні.

Суттєвих відмінностей у мікрорельєфі поверхні неімплантованих систем Ni-LiNbO₃, Mo-LiNbO₃ та Pd-LiNbO₃ не виявлено, а параметр шорсткості r_max усіх досліджених зразків не перевищував 10 нм.

Йонна імплантація призвела до створення складного мікрорельєфу систем з Ni, Mo та Pd плівками на на ніобаті літію. Виявлено (рис. 2), що для Ni плівок на ніобаті літію йонна імплантація призводить до появи блістерів у вигляді пухирів еліпсоїдальної форми, поперечні розміри яких знаходяться в межах від 50 нм до 2 мкм.

Аналіз результатів досліджень поверхневої структури для систем Mo плівка - ніобат літію показав (рис. 3, а), що йонна імплантація призводить до формування шаруватої структури в молібденовій плівці, що, на відміну від нікелевої плівки, є результатом часткового відшарування металу під дією високоенергетичних йонів аргону. Виявлено, що максимальна висота поверхневих структур r_max становить 20 нм, яка суттєво менша, ніж r_max для імплантованої нікелевої плівки на ніобаті літію, але більша за відповідні параметри неімплантованих систем.

Також було досліджено мікрорельєф поверхні тонких Pd плівок на ніобаті літію імплантованих йонами Ar⁺. Виявлено, що на відміну від Ni та Mo плівок в даній системі йонна імплантація призводить до формування блістерів кратероподібної форми (рис. 3, б). Встановлено, що розміри кратерів знаходяться

в межах від 200 нм до 10 мкм, а їхня глибина не перевищує 2 мкм. Формування кратерів на поверхні Pd плівок є результатом виходу аргону на поверхню під час ъх імплантації та руйнування, на відміну від нікелевих та молібденових плівок, утворених пухирів, що зумовлено відмінностями в їх механічних властивостях.

Рентгеноструктурний аналіз показав, що йонна імплантація призводить до аморфізації металевої плівки та приповерхневого шару кристала ніобату літію.

Відмінності у структурах поверхонь систем тонка металева плівка - ніобат літію в залежності від матеріалу плівки та режимів йонної імплантації вимагають дослідження їх оптичних властивостей для вивчення механізмів та процесів, що відбуваються під час йонної імплантації в цих системах.

У четвертому розділі розглянуто вплив йонної імплантації на оптичні властивості систем тонка металева плівка - піроелектрик.

Встановлено, що спектри пропускання T(л) систем Ni-LiNbO₃, Mo-LiNbO₃ та Pd-LiNbO₃ в цілому подібні між собою (див. рис. 4 та рис.5). Аналіз спектрів пропускання тонкої Ni плівки на ніобаті літію свідчить про те, що зі збільшенням товщини металевих плівок, як і слід було очікувати, пропускання систем зменшується. Виявлено, що в спектральній області л=5-7 мкм спостерігаються дві смуги поглинання з максимумами при 5,5 та 6.2 мкм, котрі, як показав аналіз, найбільш ймовірно, пов'язані з внутрішніми коливаннями в молекулярних комплексах зв'язаної води. В області л=9-13 мкм спостерігається інтенсивна смуга поглинання, яка пов'язана з валентними містковими коливаннями атомів кисню октаедру NbO₆. Відповідні фонони характеризуються майже однаковими частотами як в кристалах ніобіту літію, так в кристалах танталату літію, що є наслідком належності одній точковїй (3m) та просторовій групі симетрії (R3с).

Як показано на рис.4, йонна імплантація призводить до зростання пропускання систем Ni-LiNbO₃ у видимій та ближній ІЧ області спектра л=0,4 - 6,0 мкм (hн=0.21-3,1 еВ) що є наслідком розмиття межі поділу: плівка - підкладинка та розупорядкування приповерхневої структури металевої плівки.

Результати спектральних досліджень коефіцієнта відбивання R(л) у широкому спектральному діапазоні (л=0,25 - 15 мкм) показали, що для систем тонка Ni плівка - ніобат літію та тонка Mo плівка - ніобат літію йонна імплантація призводить до зменшення коефіцієнта відбивання R в усьому дослід жуваному спектральному діапазоні (див. рис. 5). Товщини плівок, для яких досягається найбільш суттєві зміни коефіцієнта відбивання внаслідок імплантації становлять 15 нм (для Ni плівок) та 30 нм (для Mo плівок).

Порівнюючи результати досліджень оптичних властивостей та мікрорельєфу поверхні відповідних систем, можна зробити висновок, що зменшення коефіцієнта відбивання пов'язане зі збільшенням шорсткості поверхні внаслідок появи блістерів та з розмиттям межі поділу плівка - підкладинка. Розрахунки коефіцієнтів відбивання гладкою поверхнею Ni та з врахуванням шорсткості показали, що розсіяння на блістерах є не єдиним фактором, що призводить до зменшення коефіцієнта відбивання систем.

Спектри відбивання R(л) тонких Pd плівок на ніобаті літію (рис.6) після йонної імплантації сильно відрізняються від спектрів R(л) відповідних імплантованих систем з Ni та Mo плівками (див. рис. 5). Зокрема, для паладієвих плівок значення R для відповідних товщин та довжин хвиль значно менші, ніж нікелевих та молібденових плівок в усьому досліджуваному спектральному діапазоні.При зростанні товщини d плівок різниця між коефіцієнтами відбивання неімплантованих та імплантованих систем суттєво збільшується і при товщинах Pd плівки d = 30 та 40 нм йонна імплантація призводить до того, що коефіцієнт відбивання R перестає залежати від довжини хвилі л (відсутня селективність) в широкому спектральному інтервалі (л=1-15 мкм).

Відсутність селективності може бути пов'язана з формуванням внаслідок йонної імплантації кратероподібної структури, що, згідно з результатами теорії Мі, призводить до збільшення поглинання та відповідно, зменшення коефіцієнта відбивання систем, що підтвердили теоретичні розрахунки за співвідношенням Топорця з врахуванням середніх розмірів кратерів імплантованих Pd плівок.

На основі виміряних в області л=0,25-15 мкм спектрів пропускання Т(л) та відбивання R(л) розраховано спектральні залежності поглинальної здатності A(л)=1-R(л)-T(л) досліджених систем. Встановлено, що йонна імплантація призводить до збільшення коефіцієнта поглинання систем в ІЧ області спектра (рис. 7), що є важливим результатом для застосування отриманих результатів в оптоелектроніці. Збільшення поглинальної здатності А зразків після імплантації пояснюється зміною мікрорельєфу поверхні (збільшенням її шорсткості), аморфізацією плівки та приповерхневого шару піроелектрика; перемішуванням матеріалів плівки та підкладинки.

Для дослідження впливу йонної імплантації на структуру приповерхневих шарів металу проведено еліпсометричні вимірювання оптичних сталих n і ж та розрахунок на їх основі оптичної провідності у=nжн (н - частота світла) 0,25 - 2,5 мкм. Крім того, дослідження кутових залежностей еліпсометричних параметрів неімплантованих та імплантованих Ni плівок товщиною 40 нм у діапазоні л = cosД (Д - зсув фаз між p- та s- компонентами еліптично поляризованого світла) та tgш (ш - азимут відновленої лінійної поляризації) показали (рис. 8), що головний кут падіння Ц (при якому cosД=0) для імплантованих систем: тонка Pd плівка - ніобат літію дорівнює 76^_, а для неімплантованих - 74,5^_. Збільшення величини Ц в результаті йонної імплантації свідчить про зміни показників заломлення n поглинання ж металевої плівки. Це підтверджується також змінами в графіках залежностей tgш від кута падіння ц (див. рис. 8, б).

Виявлено, що, у порівнянні з масивним Ni, в спектрах оптичної провідності у(hн) тонких плівок основні структури суттєво згладжуються (див. рис. 9.), що є наслідком зростання частот зіткнень електронів з дефектами структури. Йонна імплантація призводить до деякого зростання оптичної провідності, хоча структури спектра і в цьому випадку відсутні. Ці факти свідчать про аморфізацію приповерхневих шарів (принаймні, в скін шарі) досліджених плівок.

Дослідження оптичних властивостей систем: тонка металева плвака - ніобат літію показали, що йонна імплантація призводить до змін не лише приповерхневої структури, а також, як зазначалося, межі поділу: плівка - підкладинка внаслідок радіаційно-прискореної дифузії та міжатомного перемішування.

Проведено розрахунок значень коефіцієнта відбивання для зразків до імплантації в моделі гладкої поверхні за співвідношенням Хагена-Рубенса

,

де н - частота світла, у - граничне значення (при н>0) оптичної провідності.

Для імплантованих систем проведено відповідні розрахунки в моделі шорсткої поверхні за співвідношенням Топорця

,

де у_q - середньоквадратичне відхилення від середньої лінії профілю (8.2 нм для Ni плівки), ц - кут падіння, л - довжина хвилі оптичного випромінювання.

Розрахунки показали, що основним фактором, який зумовлює зменшення коефіцієнта відбивання систем, є зміни в мікрструктурі поверхневого шару, що призводять до збільшення розсіяння у випадку Ni та Mo плівок та до збільшення поглинання у Pd плівках. Іншим фактором зменшення коефіцієнта відбивання є розмиття межі поділу: тонка плівка - підкладинка, а також аморфізація металевих плівок та піроелектричного кристалу поблизу межі поділу.

У п'ятому розділі наведено результати виміряних та розрахованих основних характеристик піроелектричних приймачів випромінювання, виготовлених на основі систем: тонка металева плівка - піроелектрик. Розрахунок вольт-ватної чутливості S та порогової чутливості P проводився за співвідношеннями

S=U_ш/(A₀Ф₀), P=U_ш/[S(Дf_0.5)^1/2],

де Дf_0.5 - смуга пропускання селективного мікровольтметра на рівні 0,5 від максимального значення сигналу на частоті 20 Гц, Ф₀ - густина потужності випромінювання абсолютно чорного тіла на відстані 20 см від вихідного отвору з діаметром 10 мм, U_ш - ефективна напруга шумів, яка вимірювалась за допомогою інтегральної сфери з великою сталою часу.

Променева стійкістть вимірювався шляхом опромінення зразків лазерними джерелами світла в неперервному та імпульсному режимах при різних потужностях. Потужність лазерного випромінювання, при якій чутливість приймачів зменшувалася в 10 разів, визначає променеву стійкість, а мінімальна потужність, при якій приймач перестає функціонувати, визначається, як поріг його руйнування. Встановлено, що променева стійкість та поріг руйнування виготовлених нами приймачів фактично залежить лише від матеріала підкладинки (піроактивного кристала), а не поглинального покриття, як, наприклад, у випадку відомого серійного піроелектричного приймача МГ-30.

Фактично це свідчить про те, що променева стійкість йонноімплантованих тонких металевих плівок на ніобаті літію дорівнює променевій стійкості пластин монокристалу ніобату літію. Це є наслідком значного збільшення адгезії металевої плівки та піроелектрика.

Крім того, виміряні основні характеристики сконструйованих та виготовлених нами піроелектричних детекторів на основі кристалів ніобату літію і танталату літію з йонноімплантованими паладієвими плівками товщиною d=40 нм, такі як інтегральна чутливість, ефективна напруга шумів, детектувальна здатність, стала часу та поріг руйнування в режимі неперервної генерації СО₂ лазера (л=10,6 мкм) при частоті модуляції світлового потоку f=9 Гц.

У таблиці також наведено характеристики піроелектричних приймачів випромінювання на основі систем нікелева плівка - ніобат літію та нікелева плівка - танталат літію у порівнянні з певними аналогами та серійним болометром БМЦ-3, який використовується для реєстрації випромінювання в ІЧ спектрофотометрах. З таблиці видно, що основні характеристики розроблених піроелектричних приймачів випромінювання на основі систем металева плівка - ніобат літію значно кращі відповідних характеристик болометрів та існуючих піроелектричних приймачів випромінювання.

Абсолютна спектральна чутливість S_абс(l) досліджуваних піроелектричних приймачів випромінювання визначалася за співвідношенням

S_абс(l)=S₀(l₀) S(l)/S_max(lґ),

де S_абс(l)-----абсолютна спектральна чутливість приймача випромінювання, S₀(l₀) - абсолютна спектральна чутливість еталонного приймача випромінювання на одній довжині хвилі, S_max(lґ) - максимальне значення відносної спектральної чутливості, яка відповідає довжині хвилі lґ, S(l) - відносна спектральна чутливість досліджуваного приймача.

Виявлено, що спектральна чутливість піроелектричних приймачів випромінювання на основі імплантованих систем тонка Ni плівка - ніобат літію має найбільше відносне значення при довжині хвилі л=0,25 мкм, а зі збільшенням л ця величина поступово зменшується (рис. 10). В інтервалі л=1,5 - 8 мкм спектральна чутливість S майже не залежить від довжини хвилі л. Крім того, із рисунка видно, що спектральна чутливість приймачів на основі імплантованих тонких Pd плівок на ніобаті літію стає незалежною від довжини хвилі в значно ширшому спектральному діапазоні (л=1 - 15 мкм), як і піроелектричних приймачів, покритих золотою чорнотою.

Отримані результати мають практичну цінність щодо можливості застосування систем тонка металева плівка - піроелектрик, імплантованих йонами Ar⁺, в спектральних приладах оптоелектроніки завдяки своїм унікальним характеристикам та неселективності кривої спектральної чутливості S(л). Розроблені піроелектричні приймачі ІЧ випромінювання можуть застосовуватися у різноманітних оптоелектронних пристроях і системах, наприклад в ІЧ спектрофотометрах, вимірювачах енергії потужних лазерних джерел світла.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ ТА ВИСНОВКИ

1. Вперше встановлені оптимальні умови імплантації йонами аргону двошарових систем: тонка плівка перехідних металів (Ni, Pd або Mo) - піроелектрик (ніобат або танталат літію) для різних товщин плівок (d=15-40 нм). Зокрема, для плівок паладію товщиною 40 нм на ніобаті літію товщиною 100 мкм оптимальна енергія йонів аргону складає приблизно 100 кеВ, а доза - близько 10¹⁶ йонів/см².

2. Виявлено, що йонна імплантація призводить до створення складного мікрорельєфу поверхні систем тонка металева плівка - ніобат літію у вигляді нанорозмірних блістерів, які відіграють важливу роль в процесах поглинання та розсіяння світла такими системами.

3. Вперше встановлено, що зменшення коефіцієнта відбивання та збільшення поглинальної здатності імплантованих систем металева плівка - ніобат літію в основному повя'зані з поглинанням та в деякій мірі розсіянням світла на блістерах та аморфізацією металевої плівки та приповерхневого шару монокристала ніобату літія, а в меншій мірі - розмиттям межі плівка - підкладинка.

4. Показано, що йонна імплантація призводить до зміщення характерних смуг ІЧ поглинання ніобату літія в которкохвольову область спектра, що є наслідком руйнування зв'язків Nb-O-Nb в октаедрах NbO₆, внаслідок чого місткові валентні коливання перетворюються в звичайні валентні коливання Nb-O, частоти яких зменшуються, а відповідні смуги поглинання уширюються.

5. Розрахунки спектрів відбивання неімплантованих систем металева плівка - ніобат літію в моделі гладкої поверхні згідно співвідношення Хагена-Рубенса та відповідних спектрів імплантованих систем в моделі шорсткої поверхні згідно співвідношення Топорця показали, що основним фактором, який призводять до зменшення коефіцієнта відбивання, є зміна морфології поверхні та, в деякій мірі, аморфізація металевих плівок.

6. Показано, що йонна імплантація призводить до зміни еліпсометричних параметрів систем тонка Ni плівка - ніобат літію, що є наслідком зміни показника заломлення плівки при достатній дозі йонного опромінення. Оптична провідність імплантованих Ni плівок зростає в діапазоні довжин хвиль (л від 0,2 до 2,5 мкм), та зникають структури спектра поглинання, притаманні масивному зразку Ni, що є наслідком розупорядкування в досліджуваних плівках, а отож, збільшення частот зіткнень електронів з дефектами структури.

7. На основі проведених досліджень вперше запропоновано високоефективний сенсор для реєстрації ІЧ випромінювання, в якому в якості чутливого елементу використано паладієву плівку товщиною 40 нм, нанесену на піроелектричний кристал, імплантовану йонами аргону певної енергії та дози опромінення, який на відміну від інших відомих теплових приймачів характеризуються як високими значеннями інтегральної чутливості (5,5 В/Вт) та детектуючої здатності (2,5·10⁸ Вт-¹·Гц^1/2·см), малим значенням сталої часу (близько 5 мкс), так і високими значеннями променевої стійкості, яка фактично визначається променевою стійкістю кристалів ніобіту літію. Спектральна чутливість вказаних приймачів фактично не залежить від довжини хвилі в широкій області спектра (принаймні при л=1-15 мкм), що важливо при абсолютних вимірюваннях світлових потоків в ІЧ області спектра.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ ДИСЕРТАЦІЇ ОПУБЛІКОВАНІ У ПРАЦЯХ

1. Поперенко Л.В. Оптичні властивості йоноїмплантованих Ni плівок на піроелектрику / Л.В. Поперенко, В.С. Стащук, В.О. Лисюк // Вісник Київського університету, фіз.-мат. науки. -2000. -№4. -С.505-507.

2. Optical Properties of ion implanted Nickel film on pyroelectric / L.V. Poperenko, T.Lohner, V.S. Staschuk, V.O. Lysyuk // Metalofiz. Noveishie Tekhnol. -2001. -V.23. -Special issue. -P.199-201.

3. Оптичні властивості йоно-імплантованої системи тонка Mo плівка - ніобат літію / Л.В. Поперенко, M.I. Клюй, В.С. Стащук, В.О. Лисюк // УФЖ. -2002. -Т.47. -№1. -P.76-79.

4. Poperenko L.V. Metal-film-based pyroelectric detectors and their optical characteristics / L.V. Poperenko, V.S. Staschuk, V.O. Lysyuk // Proc. SPIE. - 2002. -Vol. 4938. -P.81-84.

5. Lysyuk V.O. Investigations of characteristics of metal film based pyroelectric detectors implanted by Ar⁺ ions / V.O. Lysyuk, L.V. Poperenko, V.S. Staschuk // Semiconductor Physics, Quantum Electronics & Optoelectronics. -2002. -Vol.5. -№4. - P.412-416.

6. Comparison of parameters of metal film based pyroelectric detectors / M.I. Kluy, V.O.Lysyuk, L.V. Poperenko, V.S. Staschuk // Functional Materials. -2002. -Vol. 9. -№4. -P.709-712.

7. Study of the systems thin metal film - thick lithium niobate substrate implanted by Ar⁺ ions and its application for production of pyroelectric photodetectors / V.O. Lysyuk, L.V.Poperenko, V.S. Staschuk, M.I. Kluy // Proc. SPIE. -2003. -Vol. 5116. - P.818 - 828.

8. Infrared pyroelectric detector on the base of the systems thin Pd film - thick lithium niobate substrate implanted by Ar⁺ ions / V.O. Lysiuk, V.S. Staschuk, M.I. Kluy, L.V. Poperenko // Proc. SPIE. - 2003. -Vol. 5209. - P. 117-124.

9. Modification of the structure of thin metal films on lithium niobate by ion implantation / V.O.Lysyuk, L. V. Poperenko, M. I. Kluy, V. S. Staschuk // Proc. SPIE. - 2004. -Vol. 5339. -P. 685 -691.

10. Influence of ion implantation on the near-surface structure of thin Ni and Pd films on lithium niobate and lithium tantalite / V. Lysiuk, V. Staschuk, M. Kluy, [et al.] // Semiconductor Physics, Quantum Electronics & Optoelectronics. -2007. -Vol.10. -№.2. -P.76-80.

11. Formation of blisters in thin metal films on lithium niobate implanted by keV Ar⁺ ions / V.O. Lysiuk, N.L. Moskalenko, V.S. Staschuk [et al.] // Semiconductor Physics, Quantum Electronics & Optoelectronics. -2010. -Vol.13. -№.1. - P.103-109.

12. Optical properties of ion implanted thin Ni films on lithium niobate / V.O. Lysiuk, V.S.Staschuk, I.G. Androsyuk, N.L. Moskalenko // Semiconductor Physics, Quantum Electronics & Optoelectronics. -2011. -Vol.14. -№.1. - P.59-61.

13. Lysyuk V.O. Spectral sensitivity of pyroelectric detectors on the base of the system metal film-lithium niobate / V.O. Lysyuk, V.S. Staschuk // Optoelectronic Information-Energy Technologies: International Young Scientists Conf., 23-25 April 2002: Abstr. - Vinnitsa, 2002. - P.68.

14. Study of the systems “thin metal film-thick lithium niobate substrate” implanted by Ar+ ions and its application for production of pyroelectric photodetectors / V.O. Lysyuk, V.S.Staschuk, T. Lohner, M.I. Kluy // Problems of Optics and High Technology Material Science SPO: 3-rd International Young Scientists Conf., 24-26 October 2002: Abstr. - Kyiv, 2002. - P.187-188.

15. Lysyuk V.O. Development of high-speed pyroelectric photodetectors using ion implantation / V.O. Lysyuk, V.S. Staschuk, M.I. Kluy // Problems of Optics and High Technology Material Science SPO: 3-rd International Young Scientists Conf., 24-26 October 2002: Abstr. - Kyiv, 2002. - P.150.

16. Infrared pyroelectric photodetector on a base of the system “thin Pd film -thick lithium niobate substrate” / V. O. Lysiuk, L.V. Poperenko, V.S. Staschuk, O.V. Vakulenko // Problems of Optics and High Technology Material Science SPO: 4-th International Young Scientists Conf., 23-25 October 2003: Abstr. - Kyiv, 2003. - P.138.

17. Implantation technology of production of metal film based sensing element for pyroelectric detectors / V.O. Lysyuk, L.V. Poperenko, V.S. Staschuk, M.I. Kluy // Optics and High Technology Material Science SPO: 5-th International Young Scientists Conf., 28-31 October 2004: Abstr. - Kyiv, 2004. - P.28-30.

18. Fundamentals of pyroelectricity, technology of development of pyroelectric detectors / V.O. Lysyuk, V.S. Staschuk, O.V. Vakulenko, [et al] // Optics and High Technology Material Science SPO: 6-th International Young Scientists Conf., 27-30 October 2005: Abstr. - Kyiv, 2005. - P.57-58.

19. Ion implantation modified near-surface structure of thin Ni and Pd films on lithium niobate and lithium tantalate / V.O. Lysyuk, V.S. Staschuk, M.I. Kluy, [et al] // Optics and High Technology Material Science SPO: 7-th International Young Scientists Conf., 26-29 October 2006: Abstr. - Kyiv, 2006. - P.78.

20. Lysiuk V. Overview of optical and physical properties of thin metallic layers on pyroelectric crystals modified by ion implantation / V.O. Lysiuk // Optics and High Technology Material Science SPO: 8-th International Young Scientists Conf., 25-28 October 2007: Abstr. - Kyiv, 2007. - P. 26.

21. Lysiuk V.O. Influence of ion implantation on damage threshold and optical properties of thin metal films on lithium niobate used as photodetector of high-power laser radiation / V.O.Lysiuk, V.S. Staschuk, M.I. Kluy // Optical Materials for High Power Lasers “SPIE Laser Damage”: XLII Annual Symposium, September 2010: Abstr. - Boulder, Colorado (USA), 2010. -P.73.

22. Ion implantation enhanced adhesion in thin metallic films on pyroelectrics and their optical properties / V.O. Lysiuk, V.S. Staschuk, M.I. Kluy, V.O. Vakulenko // Optoelectronic Information Technologies “Photonics-ODS”: V-th International Conference, September 2010: Abstr. - Vinnitsa, 2010. - P. 89.

23. Лисюк В.О. Вплив йонної імплантації на оптичні властивості та структуру тонких металевих плівок на піроелектрика / В.О. Лисюк, В.С. Стащук, М.І. Клюй // Лашкарьовські читання: конференція молодих вчених з фізики напівпровідників, 5-7 жовтня 2010: тези доп. - Київ, 2010. - С. 41.

24. Influence of ion implantation on surface structure and optical properties of thin metallic films on pyroelectric / V.O. Lysiuk, V.S. Staschuk, L.V. Poperenko [et al] // Optics and Applications: 1-st Andean and Carribean Conference, 13-17 November 2006: Abstr. - Cali (Colombia), 2006. - P. 105.

25. Implantation technology for deposition of thin metal films on pyroelectrics for development of nonselective photodetectors / T.O. Lysiuk, V.O. Lysiuk, V.S. Staschuk [et al] // Frontiers in Optics / Laser Science: Symposium, 16-20 October 2005: Abstr. - Tucson, Arizona (USA), 2010. - P. FThF5.

26. Modification of surface structure of thin metal films on lithium niobate by ion implantation / V.O. Lysiuk, V.S. Staschuk, O.V. Vakulenko, M.I. Kluy // ROMOPTO: 7-th International conference on optics, 8-11 September 2003: Abstr. - Constanta (Romania), 2003. - P.16.

27. Influence of ion implantation on optical properties of two-layer systems: thin molybdenum film - pyroelectric lithium niobate / L.V. Poperenko, M.I. Kluy, V.S. Staschuk, V.O. Lysiuk // Spectroscopy of molecules and crystals: XV International School-Seminar, 23-30 June 2001: Abstr. - Chernihiv, 2001. - P. 61.

28. Poperenko L.V. Spectra of Absorption of two-layer systems: thin nickel film - pyroelectric lithium niobate implanted by ions of inert gas / L.V. Poperenko, V.S. Staschuk, V.O. Lysiuk // Spectroscopy of molecules and crystals: XV International School-Seminar, 23-30 June 2001: Abstr. - Chernihiv, 2001. - P. 127.

29. The Pd film based pyroelectric detector for registration of power laser IR radiation / V.O.Lysyuk, V.S. Staschuk, L.V. Poperenko, M.I. Kluy // Optics and High Technology Material Science SPO: 5-th International Young Scientists Conf., 28-31 October 2004: Abstr. - Kyiv, 2004. - P.177.

Размещено на Allbest.ru