Получение методом импульсного лазерного напыления и исследование гибридных структур на основе полупроводниковых нанокристаллов и плёнок

Диссертация посвящена исследованию вопросов получения методом импульсного лазерного напыления (ИЛН) нитевидных нанокристаллов, плёнок и гибридных структур на основе ZnO, исследованию свойств и параметров плазмы, главным образом определяющей свойства формирующихся пленок и наноструктур, исследованию оптических и структурных свойств синтезированных объектов как основы для создания новых устройств наноэлектроники и нанофотоники. Исследован переход от фотолюминесценции к сверхлюминесценции при высоких уровнях оптической накачки высокоориентированных массивов ZnO наностержней.

Актуальность темы

.

В настоящее время значительный интерес представляет разработка методов самоорганизованного роста полупроводниковых нитевидных нанокристаллов и гибридных структур на их основе, а также исследование их оптических, электрических и структурных свойств.

Сочетание высоких оптических, механических и пьезоэлектрических свойств ZnO определяет перспективность данного материала при разработке новых устройств наноэлектроники, нанофотоники и наномеханики. Гибридные структуры на основе высокоориентированных наностержней ZnO и пленок перспективны как базовые элементы УФ ZnO нанолазеров [1], светоизлучающих диодов [2], УФ фотоприемников [3], нанотранзисторов [4], эмиттеров электронов [5], преобразователей солнечной энергии [6], наносенсоров химических [7] веществ, а также в качестве элементов устройств наномеханики [8 ]и наноспинтроники [9].

ZnO является прямозонным полупроводником с шириной запрещенной зоны ~3.3 эВ при комнатной температуре и структурой вюрцита. Большая энергия связи экситона ZnO (63 meV), низкая пороговая мощность при оптической накачке и возможность изменения ширины запрещенной зоны при легировании позволяют считать ZnO перспективным материалом для создания новых светоизлучающих и лазерных структур ультрафиолетового диапазона. Подходящим материалом для осаждения пленок ZnO, используемых в оптических приборах, является AI2O3. Он имеет высокую теплопроводность, коэффициент термического расширения близкий к коэффициенту термического расширения ZnO и прозрачен в видимой области. Несоответствие параметров решеток ZnO и (0001) А12Оз составляет 16.8%. Механические напряжения, возникающие на границе раздела пленка-подложка, ухудшают электронные и оптические свойства пленок [10,11]. Для улучшения согласования решеток, уменьшения механических напряжений на границе раздела и снижения энергетического барьера зарождения при эпитаксиальном росте пленок в последнее время используются методы многостадийного роста [12,13].

В настоящее время полупроводниковые наностержни получают различными методами. К наиболее часто используемым можно отнести термический метод [14], карботермический метод [15], метод химического парового осаждения (CVD) [16], металл-органического синтеза из газовой фазы [17], метод молекулярно-лучевой эпитаксии [18], импульсное лазерное напыление (ИЛН)[19].

Перспективным методом получения многослойных пленочных структур и нанокристаллов на основе оксида цинка является метод импульсного лазерного напыления (ИЛН), позволяющий сохранять стехиометрию состава, создавать гетеропереходы и сверхрешетки внутри нанокристаллов в осевом или радиальном направлениях. Основу метода составляет механизм пар-жидкость-кристалл, впервые разработанный в работах [20,21]. Впервые метод ИЛН был использован для роста наностержней на основе оксида цинка в работах [19]. Возможность осуществлять напыление пленок и нанокристаллов как в высоком вакууме, так и при больших давлениях рабочих газов позволяет развивать новые методы синтеза гибридных структур пленка-наностержень. Гибкость метода позволяет использовать его при проведении поисковых исследований по синтезу новых наноматериалов и элементов устройств нанофотоники и наноэлектроники.

Актуальным направлением исследований является изучение взаимосвязи процессов протекающих в плазме при лазерном испарении материалов на основе оксида цинка, процессов самоорганизованного роста нитевидных нанокристаллов при высоком давлении аргона, процессов эпитаксиального роста при низком давлении кислорода, структурных и оптических свойств нитевидных нанокристаллов и пленок, получаемых методом ИЛН.

На сегодняшний день в физике лазерной плазмы наиболее полно изучены теоретические [22−25] и экспериментальные [26−30] аспекты расширения плазмы металлов и некоторых полупроводников (Si, Ge) в вакуум. Наиболее точно с экспериментальными данными по свободному разлёту лазерной плазмы в вакуум согласуется кинетическая модель Анисимова. [22−24].

В литературе также имеется ряд работ по экспериментальному [31−37] и теоретическому[38−43] исследованию процессов разлёта металлов и сложных оксидов в газы. Однако данная область до сих пор остаётся малоизученной из-за большого количества факторов, влияющих на процесс расширения плазмы различных веществ в различные газы. В литературе имеется небольшое количество работ по экспериментальному исследованию плазмы ZnO в условиях синтеза плёнок [44,45]. Следует заметить, что большинство экспериментальных исследований проведено в условиях далёких от технологических условий получения оксидных плёнок, для синтеза которых используется давление кислорода 10″ 3−10″ ' mbar и значение плотности энергии в пятне испарения немного выше порогового 2−5 Дж/см. Так, одному из наиболее полных теоретических и экспериментальных исследований динамики Си в Не, Ne и Аг можно отнести работы [35,39]. Однако динамика плазмы в отмеченных работах исследовалась при давлении 1атм. и развитая теоретическая модель построена на основе наблюдений динамики плазмы при данном давлении. Сила ударной волны, а значит и динамика в целом сильно изменяется при уменьшении давления газа до 100 mbar. А при снижении давления газа до 10″ mbar меняется сам механизм расширения плазмы от ударной волны к почти свободному разлёту. Исследования динамики плазмы ZnO при давлениях роста наностержней (давление аргона 50−100 mbar) в литературе не отмечены.

Поэтому для разработки новых воспроизводимых методик синтеза базовых элементов нанофотоники, какими являются полупроводниковые наностержни и гибридные структуры пленка-наностержень, необходимо и особенно актуально исследование процессов в лазерном факеле, протекающих при давлениях аргона или кислорода соответствующих оптимальным условиям их синтеза. Использование для исследования плазмы, таких методов как времяразрешённая пространственная спектроскопия позволяет проводить прямое наблюдение пространственного распределения отдельных спектральных компонент плазмы. Сопоставление этих данных с более традиционными зондовыми измерениями позволяет связать процессы динамики плазмы с её энергетическими характеристиками и лучше понять физику протекающих процессов.

Вопрос исследования плазмы при испарении мишеней ZnO, допированных различными примесями практически полностью не изучен в литературе. В то же время для получения необходимых свойств в материалах на основе ZnO необходимо чётко контролировать процесс переноса примеси из мишени в подложку.

Для создания новых полупроводниковых светоизлучающих и лазерных структур на основе ZnO актуальными задачами также являются исследование и усовершенствование оптических, электрических и структурных свойств синтезируемых плёнок и наностержней.

ZnO со структурой вюрцита в нормальном состоянии обладает проводимостью n-типа за счёт присутствия внутренних дефектов, таких как кислородные вакансии и атомов Zn в междоузлиях. Недопированный ZnO демонстрирует высокую плотность электронов, около 1021 см" 3 [46]. Подвижность носителей при комнатной температуре эпитаксиальных плёнок ZnO, полученных различными методами остаётся достаточно низкой (около.

2 /тч.

100 см /Вхс) по сравнению со значением в объёмном монокристалле 205 см /Вхс [47]. Однако специально разработанная методика многостадийного ИЛН позволила получить воспроизводимые результаты с подвижностью в плёнках от 115 до 155 см /Вхс при комнатной температуре и концентарцией носителей 2×1015−5×1016 см" 3 [48].

Элементы III группы, такие как Al, Ga, In, замещающие атомы Zn при допировании, и элементы VII группы, такие как С1 и I, замещающие атомы О, также могут быть использованы как допирующие элементы п-типа[49]. При допировании ZnO атомами А1 сопротивление плёнок полученых методом фотостимулированного осаждения из паров металлорганических соединений составило 6.2×10″ 4 Омхсм [50], а при допировании Ga методом химического осаждения из газовой фазы были получены плёнки с сопротивлением 1.2×10″ 4 Омхсм [51].

Для получения проводимости р-типа ZnO допируется фосфором. Авторами [52] получены микро-и нанопровода ZnO: P с проводимостью р-типа, и тип проводимости продемонстрирован в устройствах, выполненных на основе данных наностержней.

Допирование ZnO кадмием приводит к уменьшению ширины запрещенной зоны до 2.8 эВ [53], а допирование ZnO магнием приводит к увеличению ширины запрещенной зоны от 3.37 до 3.8 эВ[53]. Это позволяет использовать гибридные структуры на основе ZnMgO в фотоприемниках УФ диапазона (200−400 нм), в лазерах на основе сверхрешеток ZnO-ZnMgO, для мониторинга солнечной УФ радиации, устройствах записи информации на CD диски, для регистрации ультравысокой температуры.

В работах [54−56] исследовался процесс импульсного лазерного напыления Zni. xMgxO пленок с х=0−0.55. Авторами отмечено, что постоянная решетки, а линейно увеличивается с возрастанием содержания Mg. При х > 0.5 наблюдается только кубическая фаза MgO. С ростом содержания Mg (0−0.52) край поглощения пленок Zn!.xMgxO возрастает с 3.3 до 4.4 эВ. Эпитаксиальный рост пленки Zn]. xMgxO на подложке (0001)А1203 начинается через несколько монослоев. Об этом свидетельствуют измерения, проведенные методом высокоразрешающей трансмиссионной электронной микроскопии [54]. Многоступенчатый метод лазерного напыления, разработанный в работе [48], позволяет получать эпитаксиальные структуры с высокими структурными, электрофизическими и оптическими параметрами.

В настоящее время важной задачей является также разработка методов получения эпитаксиальных пленок и наностержней ZnO допированных Ga, имеющих высокую проводимость и высокое оптическое пропускание в области длин волн 400−700 нм. Для использования в приборных структурах пленки и стержни ZnO: Ga должны иметь высокое структурное совершенство, а плёнки гладкую морфологию поверхности.

Легирование пленок ZnO с помощью Оа2Оз до 0.5% не ухудшает структуру пленок, а сопротивление пленок ZnO: Ga203(0.5%) уменьшается до л.

3x10″ Омхсм [53]. При этом проводящяя пленка ZnO имеет достаточно высокую подвижность (ц~70 см2/Вс) и пропускание Т~80% в видимой области [53]. Увеличение уровня допирования Zn0: Ga203 до 5% приводит к ухудшению структуры [53].

Необходимо отметить, что зависимость холловской электронной подвижности пленок Zn0: Ga203 (0.5%) от давления кислорода имеет максимум при давлении кислорода в вакуумной камере во время напыления ЗхЮ" 4 мбар и уменьшается с ростом давления кислорода[53]. Максимум холловской электронной подвижности также зависит от толщины плёнки. Так, для пленок Zn0: Ga203 (0.5%) максимум холловской электронной подвижности. наблюдался при толщине 400 нм и уменьшался с её ростом. Полученные авторами плёнки Zn0: Ga203 (0.5%) имели коэффициент оптического пропускания 80% в диапазоне прозрачности, обладая при этом достаточно высокой электронной подвижностью ц = 66 см /Вс и сопротивлением 3 Омхсм[53].

Высокая проводимость пленок ZnO: Ga и ZnO: Al и прозрачность до 80% во всем видимом диапазоне длин волн позволяют использовать их как прозрачные электроды в светоизлучающих и фотоприемных устройствах видимого и УФ диапазонов. Допирование наностержней оксида цинка галлием или алюминием, увеличивая их проводимость, повышает электронную эмиссию из наностержней, позволяя получать плотность тока эмиттеров электронов на их основе сравнимую с электронной эмиссией из углеродных нанотрубок [58].

Допирование ZnO эрбием приводит к появлению в спектре люминесценции интенсивных линий в диапазоне длин волн около 1.54 мкм [59], имеющих минимум потерь в оптических волноводах и делает ZnO: Er перспективным материалом в волоконно-оптических устройствах. Так как допирующие атомы Ег имеют значительно больший радиус по сравнению с радиусом атомов Zn, возникновение напряжений решётки при введении атомов примеси становится неизбежным. Поэтому для сохранения сруктурных свойств ZnO применяется слабое допирование атомами Ег, незначительно изменяющее параметры решётки. Так в работе [59], при допировании мишени 0.5% Ег2Оз в полученных лазерным напылением плёнках параметры решётки составили с=0.52 523 нм и а=0.29 097 нм, что является близкими значениями к с=0.52 066нм и а=0.32 498 нм для типичной плёнки ZnO с вюрцитной структурой. Важно отметить, что в большинстве работ [59,60] напыление плёнок ZnO: Er производят на подложку при комнатной температуре, в отличии от обычно нагреваемых для улучшения адгезии плёнок оксидов. Для активации встроенных в плёнку ионов Ег3+ применяется последующий кратковременный отжиг до 700 °C в течении нескольких минут в атмосфере кислорода [59−61]. Модификация локальной.

1 I структуры Ег в матрице ZnO при кислородном отжиге приводит к образованию соответствующего кристаллического поля для переходов Ег, приводя к фотолюминесценции на длине волны 1.54 мкм. Усиление интенсивности фотолюминесценции за счёт увеличения количества оптически активных центров при повышении содержания Ег с 0.5 до 2 весовых процентов исследовано в работе [60]. Авторами работы [62] применён качественно иной подход к росту плёнок ZnO: Er. В данной работе напыление проводилось в стандартных условиях напыления плёнок (при температуре подложки 500−750С), но при очень низких давлениях кислорода (10″ 6 mbar), несвойственных для напыления оксидов. Авторами отмечено, что при таких условиях роста плёнка ZnO: Er имеет высокие структурные свойства и малую неровность поверхности, однако встраивание ионов Ег происходит не только в кристаллическую решётку, но и на границе зёрен как результат разницы валентностей и ионных радиусов Zn и Ег. Авторы полагают, что это приводит к сильному гашению люминесценции.

Новым направлением исследований является разработка полностью лазерных методик синтеза наностержней ZnO, покрытых пленками ZnO допированных другими элементами, например Mn, Mg, Ga, с целью создания гетеропереходов в радиальном направлении.

Актуальным направлением исследований является разработка процессов самоорганизованного роста полупроводниковых нанокристаллов с использованием низкотемпературных катализаторов (Ni, NiO, Cu), а также методов роста без использования катализаторов, позволяющих получать наностержни диаметром менее 10 нм.

Таким образом, вопросы, связанные с исследованием новых методик лазерного напыления гибридных наноструктур на основе ZnO, исследование процессов в плазме для создания контролируемого синтеза, а также исследование светоизлучающих свойств новых наноструктур составляют одно из направлений развития радиофизики и являются актуальными.

Объектом исследования являются лазерные методы роста «наностержней, плёнок и гибридных структур на основе ZnO, изучение их оптических и структурных свойств, а также изучение процессов в лазерной плазме при реальных условиях синтеза плёнок и наностержней.

Предметом исследований являются: пространственная динамика плазмы чистого ZnO и допированного Ga, Mg, Er, Mn в атмосфере аргона при давлениях роста наностержней и атмосфере кислорода при давлении роста плёнокэффективность использования различных катализаторов роста нанострержней (Au, NiO, Си, без катализатора) и влияние на их свойстваоптические и структурные свойства структур ZnO/ZnMnO вида сердцевина-оболочкавопросы сверхлюминисценции в наностержнях при высоких уровнях оптической накачки.

Цель диссертационной работы состояла: в разработке и исследовании новых методик импульсного лазерного напыления наностержней при высоком давлении аргонав сравнении эффективности использования различных катализаторов роста и их влияния на оптические и структурные свойства наностержней ZnOв исследовании лазерной плазмы чистого ZnO и допированного Ga, Mg, Er, Mn методами время-разрешённой пространственной спектроскопии и зондовой диагностики в атмосфере аргона и кислорода для оптимизации условий роста плёнок и наностержнейв исследовании оптических и структурных свойств гибридных структур ZnO/ZnMnO вида сердцевина-оболочка для определения возможности их использования в устройствах нанофотоники и наноспинтроникив исследовании сверхлюминесценции в высокоориентированных массивах наностержней оксида цинка при высоких уровнях оптической накачки.

Основные задачи состояли в:

— изучении процессов протекающих в плазме при лазерном испарении материалов на основе оксида в реальных условиях синтеза наностержней и пленок ZnO допированных Ga, Mg, Er, Mn;

— исследовании влияния процессов импульсного лазерного испарения при высоком давлении аргона на самоорганизованный рост высокоориентированных решеток ZnO наностержней с использованием Аи, NiO, Си катализаторов ;

— разработке методики импульсного лазерного напыления при высоком давлении аргона наностержней ZnO без использования катализаторов;

— разработке методики лазерного синтеза наностержней ZnO, покрытых пленками ZnMnO, исследовании их оптических и структурных свойств;

— исследовании лазерной генерации в высокоориентированных массивах ZnO наностержней при высоких уровнях оптической накачки;

Научная новизна диссертационной работы определяется определяется поставленными задачами, разработанными методами их решения и впервые полученными результатами:

— Впервые поставлена и решена задача о влиянии параметров плазменного факела ZnO (расстояния остановки факела и его изменении при введении примесей) на оптимальные расстояния мишень-подложка для реальных условий синтеза наностержней методом ИЛН в потоке аргона. Методом времяразрешённой пространственной спектроскопии, а также методом электрического зонда исследована динамика и проведена спектроскопия лазерной плазмы ZnO, ZnO: Ga©.4%), ZnO: Mg (20%), ZnO: Er (1.75%), при расширении в аргон при давлениях синтеза наностержней;

— Впервые на основе анализа электронных зондовых характеристик предложен метод исследования внутренних процессов в ударных волнах при ИЛН в газах. Посредством сравнения пространственных профилей линий излучения плазмы и максимумов электронных зондовых характеристик изучена картина динамики внешней ударной волны в газе и внутренней ударной волны в плазме, возникающих при лазерном испарении вещества в газе;

— Впервые на основе зондовой диагностики лазерной плазмы найден диапазон давлений перехода от свободного разлёта к формированию ударной волны в газе;

— Разработан и исследован метод импульсного лазерного напыления наностержней ZnO без использования катализатора. Получены высокоориентированные перпендикулярно подложке решетки наностержней оксида цинка, имеющих диаметр менее 10 нмИзучены их оптические и структурные свойства.

— Впервые проведён анализ связи структурных и оптических свойств наностержней, полученных методом ИЛН при различных температурах роста, выбор которых определяется используемым катализатором;

— Разработана методика импульсного лазерного напыления наноструктур типа нитевидный нанокристалл-эпитаксиальная пленка. ZnO нитевидный нанокристалл и эпитаксиальная пленка парамагнитного полупроводника ZnMnO получены с использованием единой технологии ИЛН нитевидных нанокристаллов при высоком давлении аргона и ИЛН пленок при низком давлении кислорода.

— Исследован переход от фотолюминесценции к сверхлюминесценции массивов наностержней оксида цинка при высоких уровнях оптической накачки.

Основные положения и результаты, выносимые на защиту:

1. Разработанный метод исследования внутренних процессов в ударных волнах при импульсном лазерном напылении в газах при давлениях синтеза плёнок и наностержней посредством сравнения пространственных профилей линий излучения плазмы и максимумов электронных зондовых характеристик.

2. Установлено, что допирование мишени ZnO более тяжёлыми по сравнению с Zn атомами увеличивает, а более лёгкими — сокращает расстояние полной остановки лазерного факела при давлениях аргона в диапазоне синтеза наностержней.

3. Снижение температуры роста наностержней ZnO на подложках А120з (11−20) посредством использования более низкотемпературных по сравнению с Аи катализаторов приводит к уменьшению внутренних напряжений в решётке и улучшению оптических свойств. Разработан новый метод низкотемпературного синтеза — импульсное лазерное напыление наностержней ZnO без использования катализатора. 4. Разработанная методика импульсного лазерного напыления гибридных структур ZnO/ZnMnO наностержень-эпитаксиальная пленка. Увеличение структурного беспорядка и дополнительных напряжений решётки при допировании ZnO марганцем приводит к усилению фрёлиховского электрон-фононного взаимодействия и появлению множественных обертонов фонона A1-LO при резонансном возбуждении.

Таким образом, данную диссертационную работу можно квалифицировать как научно-квалификационную работу, в которой содержится решение задачи, имеющей существенное значение в области радиофизики — разработка новых методик получения методом лазерного напыления гибридных наноструктур на основе ZnO, а также разработка новых спектроскопических и зондовых методик контроля их синтеза.

Практическая значимость работы состоит в том, что полученные данные по исследованию процессов, протекающих в лазерной плазме ZnO допированного Ga, Mg, Er, Мп во время роста наностержней и плёнок в атмосфере аргона и кислорода, могут быть использованы для оптимизации условий получения элементов новых устройств наноэлектроники и нанофотоники.

Разработанный новый метод анализа внутренних процессов в ударных волнах при ИЛН в газах посредством сравнения пространственных профилей линий излучения плазмы и максимумов электронных зондовых характеристик является мощным средством оптимизации условий роста наностержней и оксидных плёнок.

Анализ влияния температуры синтеза и типа катализатора на оптические и структурные свойства наностержней позволил разработать новые методики синтеза наностержней ZnO с высокими структурными и оптическими свойствами.

Разработанная методика импульсного лазерного напыления гибридных структур вида наностержень-эпитаксиальная пленка на примере ZnO/ZnMnO может быть использована для широкого круга материалов при создании будущих устройств наноэлектроники и нанофотоники.

Исследование перехода от фотолюминисценции к сверхлюминисценции массивов наностержней при высоких уровнях оптической накачки позволило наметить пути к созданию нанонолазера на основе наностержней ZnO.

Результаты проведенных исследований были использованы в проектах:

1. Проект № 2.1.1.6758 «Исследование процессов роста и свойств наноструктур на основе оксида цинка» аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (20 092 010 годы)».

2.Проект РФФИ № 09−02−13 530 «Исследование возможности применения массивов углеродных нанотрубок и полупроводниковых наностержней с высокой проводимостью в качестве антенн СВЧи миллиметрового диапазона».

Соответствие диссертации паспорту научной специальности. Результаты диссертационной работы соответствуют паспорту специальности ВАК 01.04.03 — «Радиофизика» по пункту 2 — «Изучение линейных и нелинейных процессов излучения, распространения, дифракции, рассеяния, взаимодействия и трансформации волн в естественных и искусственных средах» и пункту 6 — «Разработка физических основ и создание новых волновых технологий модификации и обработки материалов». Достоверность и обоснованность полученных в диссертации результатов Апробация диссертационной работы. Результаты диссертационной работы представлялись и докладывались на: VIII, X, XI, XII Международных конференциях «Order, Disorder and Properties of Oxides» (JIoo, 2005, 2007, 2008, 2009) — ВНКСФ-12 (Новосибирск, 2006) — Международной конференции «5th bilateral Russian-french workshop on Nanosciences and Nanotechnologies» (Москва, 2008) — Международной конференции «European Materials Research.

Society Spring Meeting" (Страсбург, 2009) — IX Международной научной конференции «Химия твердого тела: монокристаллы, наноматериалы, нанотехнологии» (Кисловодск, 2009).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 18 научных работ, в том числе 7 статей в рецензируемых научных журналах из списка ВАК для опубликования основных научных результатов на соискание ученой степени кандидата наук, а также 11 статьей и тезисов докладов в сборниках трудов Всероссийских, Международных научных конференций и симпозиумов.

В диссертации лично автором получены результаты работ [A3]- в публикации [А 16] автором разработана методика импульсного лазерного напыления наностержней оксида цинка без катализатора, а также исследованы их оптические и структурные свойствав работе [All] автором установлено влияние температуры синтеза и катализатора на оптические и структурные свойства наностержней ZnOв статьях [А 12, А15, А17, А18] автором разработана методика импульсного лазерного напыления наноструктур ZnO/ZnMnO вида наностержень-эпитаксиальная пленка, а также проведены исследования оптических и структурных свойств. В остальных совместных работах результаты получены на паритетных началах.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, заключения и приложения общим объемом 169 страниц, включая 12 таблиц, 70 рисунков и список цитируемой литературы из 133 наименований, из них 18 — работ автора.

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 5.

Исследования люминесценции полученных наностержней (ZnO/Au/a.

А120з методом ИЛН и Zn0/Cu/a-Al203 карботермическим методом) при.

1 •> оптической накачке третьей гармоникой YAG: Nd лазера (355 нм) показали, что при повышении мощности накачки до 250−280 кВт/см интенсивность люминесценции начинала экспоненциально расти. Из чего можно сделать вывод о начале сверхлюминесценции наностержней. Экситонный пик не имел внутренней узких линий (продольных мод Фабри-Перо), однако с началом экспоненциального роста интенсивности полуширина также резко уменьшалась. Отсутствие отдельных линий мод Фабри-Перо связывается с большим межмодовым расстоянием для данных длин резонаторов. Кроме того, люминесценция на отдельных модах массива резонаторов с различной длиной может сливаться в единый непрерывный контур. Положение экситонного пика при увеличении плотности мощности накачки в диапазоне 30−500кВт/см смещалось на ~ 30 А в длинноволновую область.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Разработанный метод исследования внутренних процессов в ударных волнах при импульсном лазерном напылении в газах при давлениях синтеза плёнок и наностержней посредством сравнения пространственных профилей линий излучения плазмы и максимумов электронных зондовых характеристик позволяет анализировать динамику и энергетику лазерной плазмы в газах при разработке новых методик напыления гибридных наноструктур.

2. Изученное влияние допирования мишени ZnO более тяжёлыми или лёгкими по сравнению с Zn атомами на расстояние полной остановки лазерного факела при давлениях аргона в диапазоне синтеза наностержней позволяет оптимизировать расстояние мишень-подложка при синтезе наностержней на основе ZnO.

3. Для плазмы ZnO с различными примесями в атмосфере кислорода в диапазоне давлений широко используемом для роста плёнок давление перехода от свободного разлёта к формированию ударной волны в газе лежит в диапазоне 0.04−0.06 mbar и слабо зависит от атомного веса допирующих атомов.

4. Исследования структурных и фотолюминесцентных свойств наностержней ZnO подложках А12Оз (11−20), полученных при различных температурах роста показали, что снижение температуры роста посредством использования более низкотемпературных по сравнению с Аи катализаторов приводит к уменьшению внутренних напряжений в решётке и улучшению оптических свойств. Разработанный метод низкотемпературного синтеза, импульсное лазерное напыление наностержней ZnO без использования катализатора, позволяет получать наностержни диаметром менее менее Юнм с высокими оптическими и структурными свойствами.

5. Разработана методика импульсного лазерного напыления гибридных структур ZnO/ZnMnO наностержень-эпитаксиальная пленка. Установлено, что допировании ZnO марганцем приводит к увеличению структурного беспорядка и дополнительных напряжений решётки. Это ведёт к релаксации правил отбора, усилению фрёлиховского электрон-фононного взаимодействия и появлению множественных обертонов фонона A1-LO при резонансном возбуждении.

6. При повышении плотности мощности оптической накачки л высокоориентированных массивов наностержней до 250−280 кВт/см интенсивность люминесценции растёт, а полуширина экситонного пика уменьшается по экспоненциальному закону. Это свидетельствует о начале сверхлюминесценции в наностержнях.

На основе выявленных закономерностей сформулированы рекомендации по использованию:

— метода анализа максимумов электронных зондовых характеристик для лазерной плазмы в газах при разработке новых методик напыления гибридных наноструктур.

— данных о пространстенных профилях спектральных компонент плазмы в момент полной остановки лазерного факела для оптимизации расстояния мишень-подложка при синтезе наностержней на основе ZnO.

— низкотемпературных методик синтеза наностержней ZnO на подложках А1гОз (11−20).