Материал: Элементы интегральной оптики на основе TiO2, изготовленные золь-гель и гель методами

Элементы интегральной оптики на основе TiO2, изготовленные золь-гель и гель методами

Оглавление

Введение

. Исторический обзор

. Диэлектрический волновод

. Золь-гель технология

. Гель технология

. Структура TiO₂

. Влияние облучения светом на свойства пленок TiO₂, изготовленных по золь-гель и гель технологии

Заключение

Список литературы

Введение

Интегральная оптика рассматривает разнообразные явления, связанные с волноводным распространением света и управлением им с помощью тонких диэлектрических пленок и полосок. Длины волн, которые представляют интерес, лежат преимущественно в диапазоне от 0,1 до 10,0 мкм (10³-10⁵ Å). Этот диапазон ограничен главным образом существующими частотами лазерного излучения и свойствами волноводных материалов. Для излучения с длиной волны больше 10 мкм, т. е. в диапазоне СВЧ (сверхвысоких частот) и выше, применяются металлические СВЧ-волноводы, поскольку они обеспечены более совершенной технологией. В диапазоне длин волн около 0,1 мкм и меньше существуют препятствия на пути практического применения волноводных эффектов, поскольку отсутствуют подходящие источники излучения, а диэлектрические материалы в данном диапазоне обладают большим поглощением и большими потерями на рассеяние.

В настоящее время пристальное внимание исследователей, как физиков, так и химиков, обращено на нанокристаллический диоксид титана, в том числе легированный различными элементами. Это внимание обусловлено рядом уникальных свойств этого соединения.

Диоксид титана обладает:

•        фоточувствительностью,

•        фотокаталичиской активностью,

•        химической устойчивостью,

•        прекрасными оптическими свойствами.

В настоящее время диоксид титана широко используется в области фотокатализа, в частности, при фотолизе воды, как экономически выгодного способа получения водорода.

Фотокаталитические процессы также можно использовать и для очистки воздуха. Нанесённый на оксидную матрицу TiO₂ под действием энергиии света, кислорода из воздуха и воды, образует свободные радикалы, которые способны разрушить органические и неорганические загрязнители атмосферы.

Пористая структура пленок позволяет легировать их различными веществами и создавать активные элементы интегральной оптики.

Фотокаталитические свойства TiO2 основаны на его полупроводящих свойствах, обусловленных существованием дефектов кристаллической структуры. Поглощение кванта света в объеме полупроводника вызывает перенос электрона из валентной зоны в зону проводимости. Образующиеся электрон и дырка обладают ярко выраженными окислительно-восстановительными свойствами. Движение электронов и “дырок” в полупроводящих материалах определяется квантовым выходом, который вследствие исключительно поверхностных явлений во многом определяется размером и геометрией материалов. Высокая удельная поверхность полупроводников радикально увеличивается при переходе к наноразмерным частицам.

Одной из перспективных областей применения диоксида титана является создание высокоэффективных солнечных батарей, для изготовления которых требуются материалы с большой удельной площадью поверхности и высокой электропроводностью. Первому условию удовлетворяют компоненты из частиц нанометровых размеров, но границы раздела наночастиц сильно подавляют электронный транспорт.

1. Исторический обзор

Поскольку в основе интегральной оптики лежит распространение электромагнитной энергии оптического диапазона по тонкопленочным волноводам, то на ее возникновение и развитие повлияли главным образом две различные области техники, а именно техника диапазона СВЧ и оптика тонких пленок. Особую роль сыграли также полупроводники, которые в настоящее время представляются наиболее перспективным материалом для создания монолитных интегральнооптических схем. Разработка оптических волноводов прослеживается с 1910 года, поэтому мы пропустим период примерно в 50 лет и сосредоточим наше внимание на научных достижениях, касающихся в основном планарных тонкопленочных диэлектрических структур, а не металлических или круглых конфигураций волноводов.

Отрезок времени с 1962 по 1968 г. можно считать началом различных исследований по изучению явлений в тонких пленках, которые в то время, по-видимому, проводились с другими целями. Однако многие из этих исследований, в конечном счете, сосредоточились на проблемах, большинство которых сегодня относится к области интегральной оптики. Таким образом, несмотря на то, что планарные диэлектрические волноводы были хорошо известны и использовались в СВЧ-технике задолго до 1962 г., только в 1965 были созданы тонкопленочные волноводы, а также другие планарные компоненты и схемы для работы в инфракрасной области. Для этой впервые разработанной техники сперва использовался термин «квазимикроволновая оптика». В то же время необходимо заметить, что волноводное свойство планарных слоев в р-n-переходах наблюдалось и было описано раньше, в 1963 г., хотя их исследования и не имели прямого отношения к подобным оптическим волноводным схемам.

Вскоре были проведены эксперименты со стеклянными полосками и призмами, в которых хотя еще и не использовалось лазерное излучение, но было получено волноводное распространение света по пленарным пленкам и осуществлен ввод (и вывод) оптического пучка в такие пленки. Эти эксперименты стали первым элементарным осуществлением пассивной оптической волноводной аппаратуры, некоторые элементы которой применяются и сегодня.

Перечисленные выше исследования, а также предшествовавшие им успешные работы по диэлектрическим оптическим волноводам круглого поперечного сечения (или волокнам), сыграли значительную роль в пробуждении интереса к планарным оптическим волноводам. Хотя в некоторых работах последние рассматривались с точки зрения их использования в линиях передачи на большие расстояния, изготовление таких волноводов главным образом было вызвано применениями, связанными с распространением оптических поверхностных волн только на короткие расстояния. Подобные применения волноводов привели к использованию оптических поверхностных волн в схемах процессоров, поэтому примерно в 1968 г. появились такие термины, как «оптические интегральные процессоры» и «оптические интегральные схемы». В 1969 г. в результате сокращения этих выражений и возник термин «интегральная оптика».

год принес большие надежды по поводу потенциальных возможностей интегральной оптики, и его можно считать началом периода интенсивной и плодотворной деятельности в этой области, которая продолжается в настоящее время. С самого начала некоторые исследователи предполагали, что основная задача этой деятельности должна заключаться в замене электронных интегральных схем эквивалентными, а возможно, и более эффективными интегральнооптическими схемами. Поэтому интегральнооптические компоненты должны быть компактными и миниатюрными, надежными, с высокой механической и термической стабильностью, низкой потребляемой мощностью и должны поддаваться интеграции, предпочтительно на общей подложке, или «чипе». Эти требования стимулировали разработку усовершенствованных методов изготовления тонких пленок и способствовали проведению многочисленных исследований новых материалов как для пассивных, так и для активных функциональных элементов.

Можно считать, что в настоящее время большинство из перечисленных выше задач решено и, несмотря на то, что для коммерческих целей компоненты интегральной оптики еще не нашли свое применение, возможность их успешного осуществления доказана в лабораториях.

Некоторые из первых работ, которые появились после 1968 г., были направлены на улучшение свойств планарных волноводов и других пассивных элементов, таких, как направленные элементы связи и ответвители от одного волновода к другому. В интегральной оптике по ним передается световая энергия, в том же смысле, как в электронных интегральных схемах по проводам и другим проводникам переносится ток. Следовательно, необходимо, чтобы такие пассивные компоненты имели низкие потери на поглощение и рассеяние. Эти требования были удовлетворены довольно быстро для простых планарных волноводов, в которых были достигнуты потери меньше 1 дБ/см путем применения тонких пленок из органических материалов, фоторезиста, распыленного стекла и других сред.

Поскольку в качестве источника света в основном используется лазер, его луч необходимо ввести в тонкопленочные волноводы. Эта задача, которая не имеет аналога в электронных интегральных схемах, была решена с помощью призменного ввода излучения при локальном нарушении полного внутреннего отражения. Вскоре после этого был найден способ ввести излучение при помощи решеточного элемента ввода, который имеет меньшие размеры, чем призменный элемент.

Помимо перечисленных выше компонентов были также разработаны активные компоненты, которые служат аналогами активных элементов электронных интегральных схем, таких, как транзисторы. В интегральной оптике в качестве этих компонентов служат источники света, лазеры, усилители, модуляторы и приемники излучения. Поскольку для генерации света и быстрого управления им необходимо, чтобы электрические токи прямо или косвенно взаимодействовали с оптической волной, область интегральной оптики, связанная с активными компонентами, влилась в широкую техническую область, называемую оптоэлектроникой, которая включает в себя миниатюрные планарные устройства, но не ограничивается ими.

После того как успешно была реализована модуляция света в тонких пленках, в 80-е гг. электрооптический эффект был применен для модуляции света в структуре, состоящей из эпитаксиальной пленки GaAs с высоким сопротивлением, полученной на подложке из более сильно легированного GaAs. Модуляция была осуществлена путем применения электрооптического эффекта для управления частотой отсечки волновода или поляризацией поля. Позже ряд исследователей разработали другие тонкопленочные модуляторы, в основу которых также положен электрооптический эффект, но они имеют другие конфигурации и (или) в них использованы другие электрооптические материалы. В некоторых из них использованы наложенные решетки и дифракция Брегга, что позволяет модулировать свет путем отклонения оптической поверхностной волны в тонкой пленке.

Вскоре был применен принцип дифракции Брегга при отклонении входящей поверхностной волны, что позволило добиться модуляции света, заменив решетку акустической волной, бегущей через тонкую пленку. Впоследствии этот электроакустический эффект был применен другими исследователями для создания видоизмененных модуляторов и лучевых отклоняющих устройств.

Хотя в качестве источников света часто применяются газовые и твердотельные лазеры, очевидно, что только намного меньшие по размерам источники позволят создать действительно интегральнооптическую схему, имеющую миниатюрные размеры. Весьма многообещающими кандидатами для этой цели являются гетероструктурные лазеры, которые обладают требуемой тонкой планарной конфигурацией.

Лазеры на красителях также обладают необходимой планарной конфигурацией малых размеров, но принципиально короткий срок службы может препятствовать их применению в интегральнооптических устройствах оптических систем связи. В то же время в лазерах на красителях впервые была опробована идея о распределенной обратной связи, которая успешно применена при создании лазеров на AlGaAs.

Несколько удивляет то, что на разработку миниатюрного пленарного фотоприемника было затрачено относительно мало усилий. После того как появилось сообщение о создании фотодиодов ИК-диапазона, прошло приблизительно восемь лет до появления работ, в которой описывается кремниевый фотодиод с р-n-структурой. Впоследствии было проведено изучение фотоприемных свойств GaAs в зависимости от условий эпитаксиального роста, характеристик электропоглощения и ионной имплантации. Данные исследования показали, что в изготовлении фотоприемников нет серьезных трудностей и их разработке можно будет уделить больше внимания после того, как будет решено большинство сложных проблем в создании других компонентов интегральной оптики.

. Диэлектрический волновод

Основой всех элементов интегральной оптики являются диэлектрические волноводы, представляющие собой структуры, которые используются для ограничения и направления света в волноводных устройствах и схемах интегральной оптики. Хорошо известен такой диэлектрический волновод, как оптическое волокно, которое обычно имеет круглое поперечное сечение. Однако волноводы, представляющие интерес для интегральной оптики, обычно имеют планарную структуру, например планарные пленки или полоски.

Простейшим диэлектрическим волноводом является планарный плоский волновод (рис.1), у которого планарная пленка с показателем преломления n_f помещена между подложкой и покровным материалом с более низкими показателями преломления n_s и n_с (n_f > n_s > n_с). Часто покровным материалом служит воздух, в этом случае n_с = 1.

Для иллюстрации в таблице 1 представлены значения показателей преломления некоторых диэлектрических материалов, которые применяются в интегральной оптике. Типичные значения разности между показателями преломления пленки и подложки лежат в диапазоне от 10^-3 до 10^-1, а типичная толщина пленки составляет 1 мкм. Область распространения света ограничивается в результате полного внутреннего отражения на поверхностях раздела пленка - подложка и пленка - покровный слой.

Рис. 1. Поперечное сечение плоского прямоугольного волновода, состоящего из тонкой пленки толщиной (или высотой) h с показателем преломления n_f, заключенной между подложкой и покровным материалом с показателями преломления n_s и n_с.

диэлектрический волновод пленка облучение

Таблица 1. Показатели преломления n некоторых диэлектрических волноводных материалов

. Золь-гель технология

В последнее время исследователи проявляют большой интерес к оптическим волноводам, изготовленным по золь-гель технологии, которая обеспечивает хорошие оптические характеристики и при этом не требует дорогостоящего оборудования и специально обученного персонала для его обслуживания, а также даёт дополнительные возможности для создания интегрально-оптических элементов волоконно-оптических линий связи (ВОЛС) с улучшенными характеристиками.

Одной из главных особенностей плёнок, изготовленных по золь-гель технологии, является относительно большой отрицательный термооптический коэффициент (ТОК). Это свойство может быть использовано для подстройки параметров интегрально-оптических (ИО) элементов, а также для создания температурно-независимых устройств. Структура плёнок, изготовленных по указанной технологии, допускает легирование их веществами, позволяющими создавать элементы ИО, такие как лазеры, усилители и др.

Золь-гель технология - это методика создания на стеклянных или кварцевых подложках оптически прозрачных плёнок путем высушивания и последующего отжига нанесённого на эти подложки слоя специального коллоидного раствора - золя.

В основе процесса золь-гель лежат реакции гидролиза и поликонденсации элементоорганических соединений, ведущие к образованию элемент-кислородного каркаса, постепенное разветвление которого вызывает последовательные структурные изменения по схеме

раствор → золь → гель → оксид.

Сначала органическое соединение кремния (титана, циркония, алюминия, бора или фосфора) подвергают гидролизу