Fizika | Tanulmányok, esszék » Fotoindukált változások vizsgálata amorf félvezető kalkogenid-arany nanorészecskéket tartalmazó rendszerekben

Az Eötvös Loránd Fizikai Társulat Anyagtudományi és Diffrakciós Szakcsoportjának Őszi Iskolája 2011.1005 Visegrád Fotoindukált változások vizsgálata amorf félvezető kalkogenid – arany nanorészecskéket tartalmazó rendszerekben Csarnovics István, Kökényesi Sándor, Szabó István Debreceni Egyetem, Fizika Intézet Tartalom: • Miért épp a kalkogenidek? • Kalkogenid üvegek, mint funkcionális anyagok: tulajdonságok, alkalmazások. • Optikai írás, tárolás fajtái és jellemzői. • Anyagok és technológiák. • Felületi plazmonok hatása a fényindukált változásokra. • Konkluzió. Mik is azok a kalkogenidek?: A S, Se és Te vegyületei. Amorf kalkogenidek - olyan nem oxid üvegek, vagy amorf rétegek, amelyek a periódusos rendszer IV és V főcsoportjába tartozó elemek vegyületei (As2S3, As2Se3, Sb2S3, GeS, Ge2Sb2Te5 ), illetve több komponenses keverékei. Ezek mind különböző tiltott sávval rendelkező félvezetők Thin

films and structures Vékony rétegek és struktúrák Kalkogenid üvegek, mint funkcionális anyagok: tulajdonságok, alkalmazások.    A fény infravörös tartományában (0.8-10 μm) átlátszóak Viszonylag magas (n >2) törésmutatóval rendelkeznek. Az oxigént tartalmazó üvegekhez képest kisebb a tiltott sáv energiája, elnyelik a fényt az elnyelési él közelében (fotovezetők), kisebb a kémiai kötések energiája és ezek külső hatások által változtathatóak ( fény, elektromos tér, ionok, hőkezelés), ami a szerkezet, viszkozitás változásához is vezet. Ebből erednek a különleges alkalmazásaik: optikai, elektromos memória, integrált optika, szenzorika, infravörös, nemlineáris optika. Optikai írás fajtái, jellemzői 1.1 1.3 1.2 . ,n,R ChG 2 ChG 1 ,n,R , d 3. ChG, 1,2? NML Lézer, e-sugár vagy ionok Írás Írás Olv. Olv. Törlés Törlés Írás Írás Olv, Olv. Törlés ?

Törlés ? Maratás, Indentáció másolás 4. 2. Fényindukált változások a kalkogenidekben Szerkezeti, törésmutató, elnyelési él és térfogat változás bevilágítás hatására. 90 1,00 80 0,95 70 I/I0 0,85 0,80 0,75 0,70 0,65 60 50 40 40 30 35 30 Áteresztõképesség, % Áteresztõképesség, % 0,90 20 10 25 20 15 10 5 0 400 0 50 100 150 200 250 300 350 Idõ, s Δn/n = 1-5 % 400 450 500 0 300 410 420 430 440 450 460 470 480 490 400 500 600 Hullámhossz, nm Δd/d= 1-10 % 500 Hullámhossz, nm Δ T /T = 5-80 % 700 800 900 In situ felületi változások vizsgálata kalkogenid vékonyrétegekben. 400 laser off 350 20000 250 As20Se80 fresh d=2 mkm 15000 200 Diffraction, r.u Height, nm 300 150 100 laser on 10000 laser off 5000 b 50 0 0 0 -50 -1000 500 1000 1500 2000 2500 3000 Exposition, s 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 Exposition, sec A holografikus rács kialakulásának és

időbeli változásának vizsgálata in situ bevilágítás során 2 m vastagságú As0.2Se08 vékonyrétegen Tapping módban végzett AFM kísérlet során, melyben a rács magasságát vizsgáltuk az eltelt bevilágítási idő függvényében. Miközben a rács magasságának időbeli változását összevetettük a rács diffrakciós hatásfokának változásával is. A térfogat változásnak két komponense van: szabad térfogat változás és laterális tömegtranszport. 3500 4000 M.LTrunov, VS Bilanich, SN Dub JETP Lett. 82 (2005) 562 A fotoplasztikus effektus maximális értéke Felületi rács amplitudójának arzén koncentrációtól való függése 2 m vastag AsxSe1-x rétegben ( 0-40 at%) 40 perc bevilágítás után. Ez a függés antikkorrelációt mutat a bevilágítás során tapasztalt sötétedési folyamattal. 8 Elektron sugárral történő írás kalkogenid rétegekben Az elektronsugár okozta változások profiljai a As20Se80 rétegen

különböző bevilágítási idő alatt: 10 s (A), 30s (B) és 60 s (C). (20 kV, 7 nA) A réteg felületének változásához a vízszintes ( mikrométeres tartományban) és a függőleges ( nanométeres tartományban) változás tartozik, A legjobb eredményeket a 2 m vastagságú AsxSe100-x (10 x 30) és 3 m As40S60 vékony rétegekben értük el. Az elektronsugaras írás (7 nA, 20 kV) gigantikus, 10-30 %-os felületi változásokhoz vezetett    Az első és legfontosabb lépés mindegyik felsorolt esetben - a megvilágítás (elektron lyuk pár generáció, hibakeltés,). Más fajta energiabevitel útján is ( elektron sugár, ionok) is megfigyelhetőek ezek a változások. Elektromos tér segítségével is lehetséges a kalkogenid üveg szerkezetének a változtatása, illetve az elektromos tér segítheti az optikai átalakulásokat. Ha ez így van, akkor a plazmonok, illetve azok tere is hathat a fotoindukált változásokra. Felületi Plazmon

Rezonancia  A felületi plazmonok fénnyel történő gerjesztését nevezik felületi plazmon rezonanciának ( FPR), ha síkbeli felületről beszélünk és lokalizált felületi plazmon rezonancia ( LFPR), hogyha nanométer méretű fém struktúrákról.  Hogyan tudunk felületi plazmonokat generálni?: (a) (b) (c) (d) Alkalmazott módszer "Near-field photonics: surface plasmon polaritons and localized surface plasmons",Anatoly V Zayats1,3 and Igor I Smolyaninov2, J. Opt A: Pure Appl Opt 5 (2003) S16–S50 Anyagok és technológiák.  Az arany nanorészecsekéket (ANR) 15-25 nm vastag arany réteg különböző hőmérsékleten, különböző ideig történő hőkezelésével állítottuk elő ( 400-600 0C).  Az elkészült arany nanorészecskéket tartalmazó rétegre termikus párologtatással 500-700 nm vastag kalkogenid réteget párologtattunk (As2Se3 vagy As0,2Se0,8). Zöld vagy piros lézer Kalkogenid réteg Holografikus írás ANR

Hordozó ANR készült SEM kép A megvizsgált rendszer sematikus rajza A plazmon rezonancia hullámhosszának ANR méretétől való függése. Az As2S3 számára a leginkább megfelelő 30 nm átlagméretű nanorészecske , míg a As20Se80 100 nm átlagméretű. Az ANR optika áteresztőképessége különböző átlagméretű nanorészecskék esetén és a bevilágításhoz használt lézerek hullámhossza (1 – 90 nm, 2 – 75 nm, 3 - 60 nm, 4 - piros, 5- zöld). Optikai áteresztőképesség változása idővel bevilágítás hatására tiszta As 2S3 és As20Se80 rétegekben (4), valamint ANR struktúrákat tartalmazó rendszerekben (az ANR átlagméretei 60 (1), 75 (2) és 90 nm (3)). A rétegek vastagsága 700 nm volt. S. Charnovych, S Kökényesi, Gy Glodán, A Csik - Enhancement of photoinduced transformations in amorphous chalcogenide film via surface plasmon resonances, Thin Solid Films 519 (2011) 4309-4312 d. nm d. nm Asdep Ill Δ % 700 677 -23 4,3

+60 nm ANR 730 690 -40 +75 nm ANR 730 680 +90 nm ANR 730 670 As20Se80 Asdep Ill Δ % As2S3 700 680 -20 2,86 5,5 + 60 nm ANR 730 680 -50 6,85 -50 6,8 + 75 nm ANR 730 685 -45 6,2 -60 8,2 + 90 nm ANR 730 690 -40 5,5 A vastagság változása piros vagy zöld lézerrel történő megvilágítás hatására.    Z 2  3 1 2 1     Z - plazmon tér hatásának távolsága, nm. ε1 – az arany nanorészecskék dielektrikumos állandójának valós része ε3 - a kalkogenid réteg dielektrikumos állandója, λ – a bevilágítás hullámhossza( 633 nm és 533 nm a mi esetünkben) Az As20Se80 esetében: 1- 926 nm, 2 – 930 nm, 3 – 935 nm Az As2S3 esetében: 1- 751 nm , 2 – 748 nm , 3 - 745 nm. Holografikusan keltett felületi rács vizsgálata tiszta és arany nanorészecskéket tartalmazó rétegben Δd/d , % 6h 12 h As20Se80 4 8 As20Se80 + ANR 8 13 Rétegek felületi érdességének in situ

vizsgálata atomerőmikroszkóp segítségével. As20Se80 As20Se80+ ANR 0, min 0,8 27 5, min 0,9 16 10, min 1,1 12 15. min 1,3 11 20, min 1,5 11 A rétegek felületi érdessége: a és b – tiszta kalkogenid bevilágítás előtt és után, c és d – kalkogenid + ANR rendszer bevilágítás előtt és után. Konklúzió Ha az arany nanorészecskében gerjeszthető plazmonrezonancia és a kalkogenid réteg ugyanabban a spektrális tartományban érzékeny, akkor hatással lehet a fotoindukált változásokra, megnövelve a felületi változások mértékét és kialakulási sebességét.  Ennek magyarázata nagyban megegyezik a plazmonrezonancia által erősített fluoreszcencia, Raman- szórás jelenségekkel.  A kutatásunkat a TAMOP 4.21/B-09/1/KONV-2010-0007 program keretein belül végezzük, amelyet az Európai Unió és az Európai Szociális Alap támogat. Köszönettel tartozunk a velünk együttműködő kollégáknak: Dr. Beke Dezső, Dr

Cserháti Csaba, Dr Csík Attila, Dr. Erdélyi Gábor, Glodán Györgyi, valamint egy sor külföldi kollegának . Köszönöm figyelmüket !