Лекции (Ляхова) (F_08_opt)

Посмотреть архив целиком

11



Оптические свойства.


1. Параметры оптической среды.



Рис. 1. Электромагнитный спектр излучения: гамма ( γ) – лучи, рентгеновские лучи (Х ), ультрафиолетовое излучение (UV), видимая область, инфракрасное излучение (IF)


Оптическое излучение характеризуется интенсивностью J - количеством световой энергии, проходящей за единицу времени через единицу площади, нормальной к падающему свету.

Рис. 2. Схема распространения светового излучения. n1 , n2 - показатели преломления сред, R1 и R2 - коэффициенты отражения от границ раздела сред, - коэффициент поглощения.


Основными оптическими параметрами являются: показатель преломления n, угол вращения плоскости поляризации, коэффициент поглощения :

dJ = - J dx,

где dx- слой поглощения световой энергии.

При распространении света в прозрачных кристаллах (кроме кристаллов с кубической решёткой) свет испытывает двойное лучепреломление и поляризуется различно в разных направлениях (оптическая А.). В кристаллах с гексагональной, тригональной и тетрагональной решётками (например, в кристаллах кварца, рубина и кальцита) двойное лучепреломление максимально в направлении, перпендикулярном к главной оси симметрии, и отсутствует вдоль этой оси. Скорость распространения света в кристалле v или показатель преломления кристалла n различны в различных направлениях. Например, у кальцита показатели преломления видимого света вдоль оси симметрии n// и перпендикулярно ей n равны: n// = 1,64 и n = 1,58; у кварца: n// = 1,53, n = 1,54.

Оценку изменения оптических характеристик и интенсивности поглощения света используют для реализации датчиков. концентрации и газов. Оценку изменения оптических характеристик и интенсивности поглощения света используют для

- определения загрязненности промывочных составов,

- измерения концентрации растворов (например, травильных) или газов (оксида углерода, метана...) в многокомпонентных газовых смесях.

2. Излучение.


Уменьшение энергии электрона от Е1 до Е2 сопровождается выделением энергии - излучением, равновесным (тепловым) или неравновесным (люминесценцией). При изменении энергии электрона происходит излучение фотона с энергией

ΔЕ = Е1 - Е2 = h .

Одним из вариантов является переход электрона из зоны проводимости в валентную зону (рекомбинация). (М09-05) - излучение при рекомбинации в pn переходе. Предварительно электрон за счет внешней энергии переходит из валентной зоны в зону проводимости – происходит генерация пары «свободный носитель заряда – вакансия» («электрон - дырка»). (М09-05b) – генерация пары электрон – дырка. Без внешней поддержки электрон возвращается в валентную зону, занимая прежнюю вакансию – происходит рекомбинация и, как следствие - излучение фотона. (М09-05c) – рекомбинация и излучение фотона.

На электроны (фермионы) распространяется принцип Паули: на одном энергетическом уровне может находиться не более 2-х электронов с противоположными спинами. При объединении атомов в кристалл уровни расщепляются на множество подуровней, расстояние между которыми зависит от числа пар электронов. В массивных образцах электронов много, поэтому расстояние между подуровнями мало - порядка 10-22 эВ. Это расстояние легко преодолевается возбужденными электронами, поскольку средняя кинетическая энергия электрона в состоянии термодинамического равновесия - 0.04 эВ. Изменение энергии ΔЕ и частота излучения ν малы. Человеческий глаз этого не замечает. В наноструктурах расстояние между разрешенными энергетическими подуровнями существенно больше, чем в массивном материале. Самопроизвольного перехода с одного подуровня на другой не происходит. Такие малые объекты называют квантовыми точками. (Зеркальная картина: отсутствие небольшого количества вещества, называют квантовыми ямами.) Переход возможен лишь с помощью внешней энергии (энергии накачки). На этапе рекомбинации изменение энергии ΔЕ больше, и частота излучения ν соответствует видимой части спектра. Причем изменение энергии ΔЕ и, следовательно, частота излучения ν зависит от числа электронов, т.е. числа атомов квантовой точки. Изменяя размер квантовой точки, можно изменить цвет излучения. (М09-05d) – Зависимость размера квантовой точки и цвета излучения.



Рис. 3 . (А) – спектр излучения и (Б) цвета коллоидных растворов нанокристаллов полупроводника CdSe/ZnS с размерами взвешенных частиц от 490 – 620 нм.


2.1. Виды люминесценции.


Люминесценция связана с рекомбинацией избыточных носителей заряда, возникших в результате внешних воздействий. В зависимости от вида воздействия различают

- фотолюминесценцию: свечение после светового облучения (фосфоресцирующие краски на циферблатах часов, елочных игрушках),

- хемолюминесценцию : свечение в результате химической реакции (гниение),

- электронолюминесценцию: свечение в результате бомбардировки электронами покрытия электронно-лучевой трубки (ЭЛТ) не только в видимом диапазоне, но и в ИК, как в биотелeвизорах Samsung.

- электролюминесценцию: свечение диода при пропускании через специальный люминесцентный состав или р-n переход прямого тока (светодиод).



Рис. 4. Свечение электролюминесцентного рисунка на ткани.


2.2. Электронолюминесценция наноконусов для ПЭД.


Разработан малоразмерный аналог ЭЛТ – полевые эмиссионные дисплеи (ПЭД) или Field Emission Display (FED).

Рис. 5. Структура ПЭД.


Как и в ЭЛТ, в ПЭД -дисплеях изображение создается за счет свечения люминофора, возбуждаемого потоком электронов. В случае ЭЛТ используются три электронные пушки, лучи каждой из которых при помощи отклоняющей системы последовательно пробегают по строкам экрана. А в ПЭД -дисплеях применяются малогабаритные источники электронов (молибденовые наноконусы диаметром около 200 нм), массивы которых расположены в каждой из ячеек экрана. Благодаря использованию множества крохотных «холодных» катодов ПЭД -дисплеи при том же размере экрана получаются значительно более тонкими и легкими и обладают более низким энергопотреблением по сравнению с устройствами на базе ЭЛТ. ПЭД -дисплеи обеспечивают столь же высокую яркость изображения и широкий эффективный угол обзора, что и ЭЛТ-мониторы. При этом ПЭД -технология позволяет добиться более высокого (по сравнению с ЭЛТ) контраста изображения при сохранении столь же высокой точности цветопередачи (чем пока не могут похвастаться ЖК-дисплеи). Использование большого количества источников электронов (до нескольких тысяч на каждый пиксел) позволяет обеспечить высокую надежность ПЭД -дисплеев. Недостатком ПЭД -дисплеев является сложность их производства. По этой причине выпуск подобных дисплеев может быть рентабельным лишь при изготовлении панелей с относительно большим размером экрана.


2.3. Электролюминесценция. Светодиоды.


Светодиоды - это преобразователи электрической энергии в световую, которая является результатом рекомбинации в р-п переходе пар «электрон – дырка» с выделением кванта света. Вблизи р-п перехода концентрация пар больше, чем в других областях. Но при большой толщине перехода значительная часть выделенной энергии расходуется на нагрев – безизлучательная рекомбинация. Уменьшение толщины перехода увеличивает долю света по сравнению с нагреванием. Использование очень тонких гетеропереходов (слоев с различными свойствами) позволяет накапливать электроны в определенных областях и, следовательно, повышает эффективность преобразования. Цвет излучения (λ) определяется материалами полупроводников (шириной запрещенной зоны).

Рис. Схема и энергетическая диаграмма полупроводникового светодиода.


Органический светодиод (OLED) содержит несколько слоев из органических веществ. Светодиоды – источники некогерентного (широкополосного) излучения.


Рис. 6. Структура органического светодиода (OLED).


Еще одним электролюминесцентным источником является биполярный транзистор на перекрестии нанопроволоки из p-Si и нанопроволок из прямозонного полупроводника с электронным типом проводимости, например, из n-GaN, n-CdS , n-CdSe , n-InP. Электронные полупроводники имеют различные значения энергетического зазора запрещенной зоны полупроводников Eg, что обеспечивает различный цвет излучения. Нанопроволочная схема, благодаря сверхмалым размерам обладает высоким быстродействием.

Рис. 7. Схема формирования транзистор на перекрестии и таблица значений энергетического зазора запрещенной зоны полупроводников Eg.

Рис. 8. Спектры излучения транзисторов на перекрестиях с различными полупроводниками: GaN – синий, CdS – зеленый, CdSe – красный.

1.10.3.4. Фотонные кристаллы.

Наноразмерный светодиод, очевидно, будут индуцировать крайне малую мощность. Выход из положения - конгломерат наноструктур, называемый «фотонные кристаллы» (Photonic Lattices). Это материалы с упорядоченной структурой, характеризующейся строго периодическим изменением диэлектрической проницаемости ε и, следовательно, коэффициента преломления n, в масштабах, сопоставимых с длинами волн излучений в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах. Обычно одним из материалов является воздух с ε = 1. Периодичность может быть реализована с помощью пористых структур, решеток из нанопроволок (как 2D, так и 3D), молекулярных кристаллов. (M09-05a) – изготовление трехмерной структуры.

Рис. 9. Схематичная структура одномерных (1D), двумерных (2D) и трехмерных (3D) фотонных кристаллов.




Рис. 10. Изображение фотонного кристалла на основе пористой окиси алюминия (Al2O3).



Рис. 11. Изображение фотонного кристалла на основе нанопроволок кремния (слева) и вольфрама (справа).


Рис. 12. Изображение молекулярного фотонного кристалла кубической структуры из микросфер полистирола.

.

Будучи прозрачными для широкого спектра электромагнитного излучения, фотонные кристаллы не пропускают свет с длиной волны, сравнимой с периодом структуры фотонного кристалла. Эти спектральные диапазоны получили название “фотонные запрещенные зоны” (photonic band gap, PBG). Это обстоятельство обуславливает существование в таких структурах модуляции коэффициента преломления с периодом, сопоставимым с длинами волн излучения. Имеет место «аномальная» дисперсия света.

Рис. 13. Схема дисперсии света на обычной призме (слева) и на фотонном кристалле (справа).


Фотонные кристаллы перспективны для создания светодиодов с высоким КПД, новых типов лазеров с низким порогом генерации, световых волноводов, оптических переключателей, фильтров, а также устройств цифровой вычислительной техники.


Канадская компания Opalux анонсировала свою новую разработку - технологию производства гибких дисплеев P-Ink, которая позволяет получить качество изображения заметно выше, чем у существующих аналогов. Разработчики заявляют, что их дисплеи в три раза ярче, чем классические решения, в которых пиксель состоит из трёх разноцветных элементов. По их технологии можно делать экраны практически любого размера, от дисплеев мобильных устройств до рекламных щитов. В разработке Opalux используются так называемые фотонные кристаллы - сферические частицы кремния размером около 200 нанометров. Массив фотонных кристаллов встраивается в подложку из упругого полимерного материала. При помощи специальных прозрачных электродов расстояние между кристаллами изменяется и вместе с ним меняется длина волны света, который будет отражаться от этого места поверхности. Таким образом для отражения света нужной длины волны можно задействовать всю площадь новой электронной бумаги.











Рис. Дисплей на фотонных кристаллах.


2.5. Лазеры.


Лазеры – источники когерентного (одночастотного, очень узкополосного) излучения. Узкая полоса нужна для того, чтобы сконцентрировать возможно большую энергию на небольшой площади. Достижение высокой плотности энергии способствует также малая расходимость луча. Поскольку требуются различные длины волн и мощности излучения, появилось много конструктивных реализаций.



Рис. 14. Конструктивные реализации лазеров: газовые на двуокиси углерода (Carbon Dioxide), аргоно – ионный (Argon-Ion), гелий – неоновый (Helium - Neon), твердотельные сапфировый (Sapphire) и рубиновый (Ruby), полупроводниковый (Semiconductor).

В запрещенной зоне основного материала формируется с помощью примеси разрешенный метастабильный уровень. Его обычно называют инверсионным уровнем. Он нужен для того, чтобы там скапливались возбужденные после воздействия электрической энергией (накачки) электроны. На этапе рекомбинации окажется много электронов с близкими значениями изменения энергии ΔЕ, и, следовательно, частоты излучения ν. Так достигается узкая полоса частот излучения. Для получения сфокусированного луча, например, в рубиновом лазере, цилиндрический резонатор помещают внутри катушки накачки (Flash Tube). Цилиндрическая поверхность сделана шероховатой и закрыта корпусом (Shielding Tube). Это экранирует от случайного излучения. Торцы резонатора полируются. На торцы наносится отражающее зеркальное покрытие (Reflecting Mirror). Во втором торце резонатора в зеркальном покрытии оставлен просвет, который пропускает только сфокусированный луч нужного направления (Laser Beam).


Рис. 15. Рубиновый лазер.


Рис. 1.10.16. Схема формирования сфокусированного лазерного луча в объемном резонаторе (Laser Cavity).


(М09-05е) – функционирование рубинового лазера: после импульса накачки индуцируется импульс излучения.

Газовые и твердотельные лазеры громоздки, но индуцируют излучение большой мощности, необходимое для передачи информации на большие расстояния, а также для большого числа технологических процессов, в первую очередь для микро- и нано- электроники.


Рис.17. Структура полупроводникового лазера с эллиптическим выходным сигналом.


С использованием тонких гетеропереходов реализован вертикальный лазер (Vertical Cavity Surface Emmiting LaserVCSEL). (М09-05а) – в конце видеофрагмента показана работа вертикального лазера (VCSEL).

(а)