RU2421551C1 - Procedure for growth of 3-d photon crystal on base of film of opal with silicon - Google Patents
Procedure for growth of 3-d photon crystal on base of film of opal with silicon Download PDFInfo
- Publication number
- RU2421551C1 RU2421551C1 RU2009137424/05A RU2009137424A RU2421551C1 RU 2421551 C1 RU2421551 C1 RU 2421551C1 RU 2009137424/05 A RU2009137424/05 A RU 2009137424/05A RU 2009137424 A RU2009137424 A RU 2009137424A RU 2421551 C1 RU2421551 C1 RU 2421551C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- film
- opal
- amorphous silicon
- silicon
- layer
- Prior art date
Links
Landscapes
- Silicon Compounds (AREA)
- Optical Integrated Circuits (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области оптических устройств, конкретно к созданию трехмерных фотонных кристаллов с полной фотонной запрещенной зоной, которые могут применяться в системах оптической связи и передачи информации.The invention relates to the field of optical devices, specifically to the creation of three-dimensional photonic crystals with a full photonic band gap, which can be used in optical communication systems and information transfer.
Пленки опала, заполненные аморфно-нанокристаллическим кремнием, представляют собой трехмерные (3М) фотонные кристаллы (ФК), позволяющие осуществлять контроль, управление и модификацию световых потоков благодаря большой величине относительной ширины полной фотонной запрещенной зоны (Δω/ω), что открывает пути их возможных применений в телекоммуникации и лазерной технике. В отличие от объемных опалов, опаловые пленки имеют больший коэффициент отражения, характеризующий содержание точечных и протяженных дефектов в объеме и на поверхности структуры, влияющих на качество кристаллов, и могут быть интегрированы в оптические и оптоэлектронные микроустройства (оптические чипы). Монокристаллические области в пленках достигают размеров 5*5 мкм (в объемных опалах 30÷50 мкм). Кремний выбирают из-за его высокого показателя преломления, прозрачности в ближней ИК-области, совместимости используемых технологических методик с планарной технологией.Opal films filled with amorphous-nanocrystalline silicon are three-dimensional (3M) photonic crystals (PCs) that allow monitoring, control, and modification of light fluxes due to the large relative width of the total photonic band gap (Δω / ω), which opens the way for their possible applications in telecommunications and laser technology. Unlike bulk opals, opal films have a higher reflection coefficient characterizing the content of point and extended defects in the volume and on the surface of the structure, which affect the quality of the crystals, and can be integrated into optical and optoelectronic microdevices (optical chips). Single-crystal regions in the films reach sizes 5 * 5 μm (in bulk opals 30 ÷ 50 μm). Silicon is chosen because of its high refractive index, transparency in the near infrared region, the compatibility of the used technological methods with planar technology.
Известен аналог /патент WO 2004063432, METHOD OF SYNTHESIS OF 3D SILICON COLLOIDAL PHOTONIC CRYSTALS BY MICROMOLDING IN INVERSE SILICA OPAL (MISO), 2004-07-29, C30B 29/60; G02B 6/12/, в котором предложен метод синтеза трехмерных кремниевых коллоидных фотонных кристаллов с помощью микрообработки инвертированных опалов из диоксида кремния. Он включает приготовление пленки опала из полимерных (латексных) сферических частиц с ГЦК (гранецентрированной кубической) структурой, осаждение слоя аморфного диоксида кремния регулируемой толщины золь-гель методом на поверхность полимерных (латексных) сферических частиц (вследствие их низкой термостойкости), удаление (растворение или отжиг) полимерных сферических частиц, осаждение слоя кремния с относительной толщиной 0.3019<Rsi/L<0.3995 (где RSi - радиус сферы с осажденным слоем аморфного кремния, L=2*R*√2 - параметр элементарной ячейки ГЦК структуры, R - радиус сферических частиц) с помощью термического разложения дисилана (давление 700 торр ≈ 70 кПа, температура 200÷400 °С), удаление слоя аморфного диоксида кремния с помощью травления в 3% водном растворе HF.Known analogue / patent WO2004063432, METHOD OF SYNTHESIS OF 3D SILICON COLLOIDAL PHOTONIC CRYSTALS BY MICROMOLDING IN INVERSE SILICA OPAL (MISO), 2004-07-29, C30B 29/60; G02B 6/12 /, which proposes a method for the synthesis of three-dimensional silicon colloidal photonic crystals using microprocessing of inverted silica opals. It includes the preparation of an opal film from polymer (latex) spherical particles with an fcc (face-centered cubic) structure, the deposition of a layer of amorphous silicon dioxide of controlled thickness by the sol-gel method on the surface of polymer (latex) spherical particles (due to their low heat resistance), removal (dissolution or annealing) spherical polymer particles, depositing the silicon layer having a relative thickness of 0.3019 <R si /L<0.3995 (where R Si - radius of the sphere with the deposited amorphous silicon layer, L = 2 * R * √2 - fcc unit cell parameter p Keturah, R - the radius of the spherical particles) by using the thermal decomposition of disilane (pressure 700 torr ≈ 70 kPa, temperature of 200 ÷ 400 ° C) removing the layer of amorphous silicon dioxide by etching in 3% aqueous HF solution.
В результате авторы получили трехмерный (3М) фотонный кристалл с полной фотонной запрещенной зоной с относительной шириной Δω/ω=0.12 (ω - энергетическое положение центра фотонной запрещенной зоны) на длине волны 1.5 мкм, имеющий структуру инвертированного опала. Коэффициент отражения полученной структуры в области полной фотонной запрещенной зоны (ФЗЗ) равен 82% для L=1485 нм (соответствующий диаметр сферических частиц D=1050 нм), толщина слоя кремния 70 нм.As a result, the authors obtained a three-dimensional (3M) photonic crystal with a total photonic band gap with a relative width Δω / ω = 0.12 (ω is the energy position of the center of the photonic band gap) at a wavelength of 1.5 μm, having the structure of an inverted opal. The reflection coefficient of the obtained structure in the region of the total photonic band gap (FZZ) is 82% for L = 1485 nm (the corresponding diameter of spherical particles is D = 1050 nm), the silicon layer thickness is 70 nm.
Недостатками аналога являются невысокий коэффициент отражения, т.к. при такой технологии происходит образование слоя массивного кремния на поверхности пленки опала, которое приводит к созданию неконтролируемых фотонных поверхностных состояний, и недостаточно высокая величина относительной ширины фотонной запрещенной зоны.The disadvantages of the analogue are the low reflection coefficient, because With this technology, a layer of bulk silicon is formed on the surface of the opal film, which leads to the creation of uncontrolled photonic surface states, and an insufficiently high value of the relative width of the photonic band gap.
Прототипом предлагаемого способа является способ формирования кремниевых фотонных кристаллов на чипе (подложке) [On-chip natural assembly of silicon photonic bandgap crystals Y.A.Vlasov, X.-Z.Bo, J.C.Sturm, D.J.Norris. Nature 414289 (2001)], совпадающий по большинству существенных признаков. В нем производят приготовление пленки опала толщиной 5÷30 мкм с ГЦК (гранецентрированной кубической) структурой на вертикально-ориентированной кремниевой подложке методом контролируемого испарения дисперсионной среды (спирта) из 1% об. спиртовой суспензии сферических частиц диоксида кремния диаметром 760 нм при температурах ~(65÷80)°С, осаждение (нанесение) слоя кремния с относительной толщиной 0.354<RSi/L<0.428 с помощью методики low-pressure chemical vapour deposition (химического газофазного осаждения при низком давлении) на внутреннюю поверхность пор опаловой пленки при температуре (550÷580)°С с использованием моносилана в качестве исходного реагента, реактивное ионное травление образовавшегося слоя объемного кремния толщиной (0.2÷0.4) мкм с поверхности композита, удаление сферических частиц аморфного диоксида кремния с помощью жидкостного травления в HF.The prototype of the proposed method is a method of forming silicon photonic crystals on a chip (substrate) [On-chip natural assembly of silicon photonic bandgap crystals YAVlasov, X.-Z.Bo, JCSturm, DJNorris. Nature 414289 (2001)], coinciding in most essential respects. It produces the preparation of an opal film 5–30 μm thick with an fcc (face-centered cubic) structure on a vertically oriented silicon substrate by the controlled evaporation of a dispersion medium (alcohol) from 1% vol. alcohol suspension of spherical particles of silicon dioxide with a diameter of 760 nm at temperatures of ~ (65 ÷ 80) ° C, deposition (deposition) of a silicon layer with a relative thickness of 0.354 <R Si /L<0.428 using the method of low-pressure chemical vapor deposition (chemical vapor deposition at low pressure) on the inner surface of the pores of the opal film at a temperature of (550 ÷ 580) ° C using monosilane as a starting reagent, reactive ion etching of the formed bulk silicon layer with a thickness of (0.2 ÷ 0.4) μm from the surface of the composite, removal of spherical amo particles fnogo silica using wet etching in HF.
В результате получили трехмерный фотонный кристалл с полной запрещенной зоной с относительной шириной Δω/ω=0.08 на длине волны 1.3 мкм, имеющий структуру инвертированного опала. Коэффициент отражения полученного инвертированного композита опал-кремний (диаметр шаров в исходной пленке D=760 нм (L=1070 нм)) в области полной фотонной запрещенной зоны практически равен 100% в направлении [111] и более 90% в направлении [100].As a result, we obtained a three-dimensional photonic crystal with a total band gap with a relative width Δω / ω = 0.08 at a wavelength of 1.3 μm, having the structure of an inverted opal. The reflection coefficient of the obtained inverted opal-silicon composite (the diameter of the balls in the initial film is D = 760 nm (L = 1070 nm)) in the region of the total photonic band gap is almost 100% in the [111] direction and more than 90% in the [100] direction.
Недостатком прототипа является небольшая относительная ширина полной запрещенной зоны, ограничивающая возможность применения таких 3М фотонных кристаллов в широкополосных телекоммуникационных устройствах, и образование слоя массивного кремния на поверхности пленки опала, приводящего к возникновению неконтролируемых фотонных поверхностных состояний (дефектов в фотонной запрещенной зоне ФК), который перед проведением оптических экспериментов удаляли методом реактивного ионного травления. Кроме этого, центр ФЗЗ полученного трехмерного кристалла находится в области 1.3 мкм. Данный спектральный диапазон используется в системах передачи и информации, однако большинство современных телекоммуникационных приборов работают в области 1.5 мкм, совпадающей с максимальным коэффициентом пропускания оптических кварцевых волокон.The disadvantage of the prototype is the small relative width of the total forbidden zone, limiting the possibility of using such 3M photonic crystals in broadband telecommunication devices, and the formation of a layer of massive silicon on the surface of the opal film, leading to the appearance of uncontrolled photonic surface states (defects in the photonic band gap of the PC), which optical experiments were removed by reactive ion etching. In addition, the center of the PPZ of the obtained three-dimensional crystal is in the region of 1.3 μm. This spectral range is used in transmission and information systems, however, most modern telecommunication devices operate in the 1.5 μm region, which coincides with the maximum transmittance of optical silica fibers.
Предлагаемый способ решает задачу создания пленочного инвертированного композита опал-кремний с увеличенной шириной полной фотонной запрещенной зоны в спектральной области 1.5 мкм.The proposed method solves the problem of creating a film inverted opal-silicon composite with an increased width of the total photonic band gap in the spectral region of 1.5 μm.
Задача решается способом получения трехмерного фотонного кристалла на основе пленки опала с кремнием, включающим осаждение гранецентрированной кубической пленки опала толщиной (5.0÷40.0) мкм из суспензии сферических частиц аморфного диоксида кремния в этиловом спирте со средним диаметром 880 нм, дисперсией диаметров частиц менее 1 % и концентрацией (0.5÷2)% об. на диэлектрическую подложку, сушку, осаждение в вакууме слоя аморфного кремния на внутреннюю поверхность пор пленки опала путем термического разложения смеси моносилана с аргоном с концентрацией 5% об. при давлении газовой смеси (50÷70) кПа, объемном расходе газовой смеси (0.02±0.01) см3/мин, температуре (520÷540)°С, продолжительности (5÷7) ч, травление пленки в водном растворе плавиковой кислоты для удаления сферических частиц аморфного диоксида кремния (инвертирование) и повторные сушку и осаждение слоя аморфного кремния на внутреннюю поверхность пор пленки опала при тех же условиях.The problem is solved by a method for producing a three-dimensional photonic crystal based on an opal film with silicon, including the deposition of a face-centered cubic opal film (5.0–40.0) μm thick from a suspension of spherical particles of amorphous silicon dioxide in ethanol with an average diameter of 880 nm, a dispersion of particle diameters of less than 1% and concentration (0.5 ÷ 2)% vol. on a dielectric substrate, drying, vacuum deposition of a layer of amorphous silicon on the inner surface of the pores of the opal film by thermal decomposition of a mixture of monosilane with argon with a concentration of 5% vol. at a pressure of the gas mixture (50 ÷ 70) kPa, volumetric flow rate of the gas mixture (0.02 ± 0.01) cm 3 / min, temperature (520 ÷ 540) ° С, duration (5 ÷ 7) h, film etching in an aqueous solution of hydrofluoric acid for removal of spherical particles of amorphous silicon dioxide (inversion) and repeated drying and deposition of a layer of amorphous silicon on the inner pore surface of the opal film under the same conditions.
Как выявили авторы предлагаемого изобретения, при осуществлении данной совокупности операций появляется возможность изменения структурных параметров (относительной толщины слоя кремния в порах пленки опала в пределах 0.29<RSi/L<0.43) и связанных с ними оптических свойств (параметров фотонной запрещенной зоны), что приводит к созданию трехмерного ФК на основе пленочного опала и кремния, обладающего, в частности, полной запрещенной зоной с центром в области 1.5 мкм шириной Δω/ω=0.14÷0.16 и при этом коэффициентом отражения во всех направлениях не менее 95 %.As the authors of the invention have revealed, in the implementation of this set of operations, it becomes possible to change the structural parameters (relative thickness of the silicon layer in the pores of the opal film within 0.29 <R Si / L <0.43) and the associated optical properties (parameters of the photonic band gap), which leads to the creation of a three-dimensional photonic crystal based on film opal and silicon, which has, in particular, a complete forbidden zone with a center in the region of 1.5 μm wide Δω / ω = 0.14 ÷ 0.16 and the reflection coefficient in all directions is not its 95%.
Исходная пленка опала состоит из монодисперсных сферических частиц аморфного диоксида кремния средним диаметром 880 нм (в соответствии с предварительным расчетом зонной структуры ФК с центром в области 1.5 мкм), образующих ГЦК решетку. Между SiO2 сферами имеются поры, объем которых составляет ~26% от общего объема пленки. Толщина пленки (5÷40) мкм обеспечивает получение полной ФЗЗ в области 1.5 мкм в инвертированном композите опал-кремний согласно исследованиям авторов. Увеличение толщины приводит к уменьшению адгезии пленки к подложке и к увеличению концентрации точечных и протяженных дефектов, а уменьшение - к отсутствию фотонно-кристаллической структуры пленки.The initial opal film consists of monodisperse spherical particles of amorphous silicon dioxide with an average diameter of 880 nm (in accordance with a preliminary calculation of the band structure of a photonic crystal centered at 1.5 μm), which form an fcc lattice. There are pores between the SiO 2 spheres, the volume of which is ~ 26% of the total film volume. The film thickness (5 ÷ 40) μm provides the full FZZ in the region of 1.5 μm in an inverted opal-silicon composite according to the authors. An increase in the thickness leads to a decrease in the adhesion of the film to the substrate and to an increase in the concentration of point and extended defects, and a decrease in the absence of a photonic crystal structure of the film.
Осаждение слоя кремния проводится методом термического разложения смеси моносилана с аргоном с концентрацией 5 %об. при давлении газовой смеси (50÷70) кПа, т.к. такая смесь не взрывоопасна, в отличие от чистого моносилана и дисилана, применяемых, соответственно, в прототипе и аналоге.The deposition of a silicon layer is carried out by thermal decomposition of a mixture of monosilane with argon with a concentration of 5% vol. at a gas mixture pressure (50 ÷ 70) kPa, because such a mixture is not explosive, in contrast to pure monosilane and disilane, used, respectively, in the prototype and analogue.
При увеличении температуры разложения выше 540°С на поверхности пленки опала начинает осаждаться слой массивного кремния, приводящий к возникновению дефектов в фотонной запрещенной зоне ФК. При уменьшении температуры разложения ниже 520°С скорость разложения уменьшается в 3÷5 раз и существенно увеличивается время.With an increase in the decomposition temperature above 540 ° С, a layer of bulk silicon begins to precipitate on the surface of the opal film, leading to the appearance of defects in the photonic band gap of the photonic crystal. When the decomposition temperature decreases below 520 ° С, the decomposition rate decreases by 3–5 times and the time significantly increases.
Установлено, что при продолжительности осаждения в вакууме слоя аморфного кремния на внутреннюю поверхность пор пленки опала менее пяти часов поры заполняются не полностью, а при времени более семи часов появляется слой объемного кремния на поверхности пленки.It was found that when the vacuum deposition of a layer of amorphous silicon on the inner surface of the pores of the opal film is less than five hours, the pores are not completely filled, and at a time of more than seven hours, a layer of bulk silicon appears on the surface of the film.
Объемный расход газовой смеси (0,02±0,01) см3/мин при указанных выше значениях температуры и давления обеспечивает условие лимитирования скорости процесса заполнения пленки опала кремнием скоростью химической реакции терморазложения моносилана, а не скоростью массопереноса газофазных реагентов в порах опала, что необходимо для равномерного осаждения слоя аморфного кремния на внутреннюю поверхность пор пленки опала.The volumetric flow rate of the gas mixture (0.02 ± 0.01) cm 3 / min at the above temperature and pressure provides the condition for limiting the rate of filling the opal film with silicon by the rate of the chemical reaction of thermal decomposition of monosilane, rather than the rate of mass transfer of gas-phase reagents in the pores of opal, which necessary for uniform deposition of a layer of amorphous silicon on the inner surface of the pores of the opal film.
Данные режимы определены опытным путем.These modes are determined empirically.
Повторное термическое разложение позволяет дополнительно увеличить толщину слоя кремния в пленочном композите, определяющую тип (геометрию) структурных единиц, из которых состоит ФК, и, как следствие, позволяет модифицировать трансляционную симметрию ФК и связанные с ней фотонно-кристаллические свойства (фотонную зонную структуру) композита, обеспечивающие решение поставленных задач.Repeated thermal decomposition allows one to additionally increase the thickness of the silicon layer in the film composite, which determines the type (geometry) of the structural units that make up the FC, and, as a result, allows one to modify the translational symmetry of the PC and the photonic-crystalline properties (photonic band structure) of the composite providing a solution to the tasks.
Способ осуществляется следующим образом.The method is as follows.
Приготовливают спиртовую суспензию сферических частиц аморфного SiO2 средним диаметром 880 нм путем реакции гидролиза тетраэтоксисилана (ТЭОС) в спиртоаммиачной среде (метод Штобера [Stöber W, Fink A and Bohn E 1968 J. Colloid Interface Sci. 26 62]) или используют приобретенную, например, у компаний Bangs Laboratories Inc. или Duke Scientific Corp. Затем выращивают пленку опала на подложке плавленого кварца, стекла, кремния или сапфира. После этого проводят сушку полученной пленки на воздухе (при температуре 100÷150°С.) Далее проводят термическое разложение смеси моносилана с аргоном в порах пленки опала для осаждения равномерного слоя аморфного кремния на внутреннюю поверхность пор пленки опала. Затем проводят селективное вытравливание аморфного диоксида кремния из полученного композита (инвертирование). Далее повторяют описанные выше операции сушки и термического разложения смеси моносилана в тех же условиях.An alcohol suspension of spherical particles of amorphous SiO 2 with an average diameter of 880 nm is prepared by the hydrolysis of tetraethoxysilane (TEOS) in an alcohol-ammonia medium (Stöber's method [Stöber W, Fink A and Bohn E 1968 J. Colloid Interface Sci. 26 62]) or use, for example, at Bangs Laboratories Inc. or Duke Scientific Corp. An opal film is then grown on a substrate of fused silica, glass, silicon or sapphire. After that, the resulting film is dried in air (at a temperature of 100 ÷ 150 ° C.) Next, thermal decomposition of a mixture of monosilane with argon in the pores of the opal film is carried out to deposit a uniform layer of amorphous silicon on the inner surface of the pores of the opal film. Then, selective etching of amorphous silicon dioxide from the resulting composite is carried out (inversion). Next, the drying and thermal decomposition operations of the monosilane mixture described above are repeated under the same conditions.
Пример 1.Example 1
Для создания трехмерного ФК на основе пленочного опала и кремния была приготовлена суспензия путем реакции гидролиза тетраэтоксисилана (ТЭОС) в спиртоаммиачной среде. Для приготовления суспензии раствор в этиловом спирте, содержащий 0.28 мол/л ТЭОС, 4 мол/л NH3 и 7 мол/л H2O, ставился на 1.5 ч на магнитную мешалку при комнатной температуре. Получили 1 % об. суспензию сферических частиц аморфного SiO2 средним диаметром 880 нм с дисперсией размеров менее 1 %. Затем вырастили пленку опала на подложке из плавленого кварца аналогично методике, описанной в работе [Y.A.Vlasov et al. Nature 414 289 (2001)]. Для этого подложку вертикально поместили в 50 мл химический стакан, содержащий 30 мл 1 % спиртовой суспензии сферических частиц SiO2. Стакан нагрели таким образом, чтобы температура суспензии около дна была ~80°С, а у поверхности ~65°С. Данный градиент температуры организуется для создания конвективных потоков в суспензии, препятствующих седиментации частиц. Вследствие испарения спирта из суспензии уровень жидкости в стакане понижается и на поверхности подложки под действием капиллярных сил в течение 3 часов формируется пленка опала толщиной 15 мкм и длиной 8 мм, ширина пленки равна ширине подложки. После этого проводилась сушка полученной пленки на воздухе при температуре 120°С. Далее проводилось термическое разложение смеси моносилана в порах пленки опала для осаждения равномерного слоя аморфного кремния на внутреннюю поверхность пор пленки опала. Для этого пленка опала помещалась на металлический нагревательный столик в вакуумную камеру, камера откачивалась до давления 10 Па, температура нагревательного столика устанавливалась равной 530°С, откачка камеры продолжалась в течение 1 ч. С помощью регуляторов расхода газа в камеру подавали смесь моносилана (5% об.) с аргоном с расходом 0.02 см3/мин и давлением 60 кПа. Процесс заполнения продолжался 6 ч, затем прекращали подачу газовой смеси в камеру, выключали нагрев столика, и камера откачивалась до давления 10 Па в течение 30 мин. Далее проводилось селективное вытравливание аморфного диоксида кремния из полученного композита (инвертирование). Для этого образец помещали на 3 часа в 3% масс. раствор HF. Далее повторяли описанные выше операции сушки и термического разложения смеси моносилана в тех же условиях. Полученные образцы инвертированного композита опал-кремний (трехмерного фотонного кристалла) были окрашены в темно-коричневый цвет, имели яркое интерференционное окрашивание (иризацию) от синего до красного цветов, в зависимости от угла падения света. Из сопоставления экспериментальных спектров отражения и пропускания полученного трехмерного фотонного кристалла с теоретическими расчетами фотонной зонной структуры, выполненными методом плоских волн, показано, что он имеет полную фотонную запрещенную зону в области 1.5 мкм шириной Δω/ω=0.16. Экспериментально измеренное с помощью ИК-спектрометра Ocean Optics NIR256 значение коэффициента отражения в направлениях [111], [100] и [110] составило 99±1%.To create a three-dimensional FC based on film opal and silicon, a suspension was prepared by the hydrolysis of tetraethoxysilane (TEOS) in an alcohol-ammonia medium. To prepare the suspension, a solution in ethanol containing 0.28 mol / L TEOS, 4 mol / L NH 3 and 7 mol / L H 2 O was placed on a magnetic stirrer for 1.5 h at room temperature. Received 1% vol. a suspension of spherical particles of amorphous SiO 2 with an average diameter of 880 nm with a size dispersion of less than 1%. Then, an opal film was grown on a fused silica substrate in the same way as described in [YAVlasov et al. Nature 414 289 (2001)]. For this, the substrate was vertically placed in a 50 ml beaker containing 30 ml of a 1% alcohol suspension of spherical particles of SiO 2 . The glass was heated so that the temperature of the suspension near the bottom was ~ 80 ° C, and at the surface ~ 65 ° C. This temperature gradient is organized to create convective flows in the suspension, which prevent sedimentation of particles. Due to the evaporation of alcohol from the suspension, the liquid level in the glass decreases and on the surface of the substrate under the action of capillary forces within 3 hours an opal film is formed with a thickness of 15 μm and a length of 8 mm, the width of the film is equal to the width of the substrate. After that, the obtained film was dried in air at a temperature of 120 ° C. Next, thermal decomposition of the monosilane mixture in the pores of the opal film was carried out to deposit a uniform layer of amorphous silicon on the inner pore surface of the opal film. For this, an opal film was placed on a metal heating stage in a vacuum chamber, the chamber was evacuated to a pressure of 10 Pa, the temperature of the heating stage was set at 530 ° C, and the chamber was evacuated for 1 h. Using a gas flow regulator, a monosilane mixture was fed into the chamber (5% vol.) with argon with a flow rate of 0.02 cm 3 / min and a pressure of 60 kPa. The filling process lasted 6 hours, then the gas mixture was stopped flowing into the chamber, the stage heating was turned off, and the chamber was evacuated to a pressure of 10 Pa for 30 minutes. Next, selective etching of amorphous silicon dioxide from the resulting composite was carried out (inversion). For this, the sample was placed for 3 hours in 3% of the mass. HF solution. Then, the drying and thermal decomposition operations of the monosilane mixture described above were repeated under the same conditions. The obtained samples of the inverted opal-silicon composite (three-dimensional photonic crystal) were dark brown and had bright interference coloration (irization) from blue to red, depending on the angle of incidence of light. A comparison of the experimental reflection and transmission spectra of the obtained three-dimensional photonic crystal with theoretical calculations of the photonic band structure performed by the plane wave method showed that it has a total photonic band gap in the region of 1.5 μm with a width Δω / ω = 0.16. The experimentally measured using an Ocean Optics NIR256 IR spectrometer, the reflection coefficient in the [111], [100] and [110] directions was 99 ± 1%.
Значения относительной толщины слоя кремния в порах инвертированного композита, полученные из сопоставления экспериментальных и теоретических спектров отражения, составили 0.29<RSi/L<0.43 (абсолютная толщина слоя 170 нм). Как показано методами оптической и сканирующей электронной микроскопии, слой объемного кремния на поверхности образца, приводящий к возникновению дефектов в фотонной запрещенной зоне ФК, отсутствует.The values of the relative thickness of the silicon layer in the pores of the inverted composite, obtained from a comparison of the experimental and theoretical reflection spectra, were 0.29 <R Si / L <0.43 (absolute layer thickness 170 nm). As shown by optical and scanning electron microscopy, there is no layer of bulk silicon on the surface of the sample, leading to defects in the photonic band gap of the photonic crystal.
Пример 2.Example 2
То же, что в примере 1, но суспензия взята с концентрацией 0.5% об. В результате получили пленку опала толщиной 5 мкм, остальные характеристики трехмерного фотонного кристалла те же, что в примере 1.The same as in example 1, but the suspension was taken with a concentration of 0.5% vol. As a result, an opal film with a thickness of 5 μm was obtained, the remaining characteristics of a three-dimensional photonic crystal are the same as in example 1.
Пример 3.Example 3
То же, что в примере 1, но суспензия взята с концентрацией 2.0% об.The same as in example 1, but the suspension was taken with a concentration of 2.0% vol.
В результате получили пленку опала толщиной 40 мкм, остальные характеристики трехмерного фотонного кристалла (в том числе ширина полной фотонной запрещенной зоны) те же, что в примере 1.As a result, an opal film 40 μm thick was obtained, the remaining characteristics of a three-dimensional photonic crystal (including the width of the total photonic band gap) are the same as in example 1.
Пример 4.Example 4
То же, что в примере 1, но давление газовой смеси 50 кПа.Same as in example 1, but the pressure of the gas mixture is 50 kPa.
Результат аналогичен примеру 1, но толщина слоя кремния в порах инвертированного композита равна 0.30<RSi/L<0.42 (абсолютная толщина слоя 150 нм), ширина полной фотонной запрещенной зоны в области 1.5 мкм Δω/ω=0.15.The result is similar to example 1, but the thickness of the silicon layer in the pores of the inverted composite is 0.30 <R Si /L<0.42 (absolute layer thickness is 150 nm), the width of the total photonic band gap in the region of 1.5 μm is Δω / ω = 0.15.
Пример 5.Example 5
То же, что в примере 1, но давление газовой смеси 70 кПа.Same as in example 1, but the pressure of the gas mixture is 70 kPa.
Результат аналогичен примеру 1, полученный трехмерный фотонный кристалл имеет ширину полной фотонной запрещенной зоны в области 1.5 мкм Δω/ω=0.16, но значение коэффициента отражения в направлениях [100] и [110] составило 98±1%.The result is similar to Example 1, the obtained three-dimensional photonic crystal has a total photonic band gap in the region of 1.5 μm Δω / ω = 0.16, but the reflection coefficient in the [100] and [110] directions was 98 ± 1%.
Пример 6.Example 6
То же, что в примере 1, но температура 520°С.The same as in example 1, but the temperature is 520 ° C.
В результате получили инвертированный композит опал-кремний (трехмерный фотонный кристалл), но толщина слоя кремния в порах инвертированного композита равна 0.31<RSi/L<0.41 (абсолютная толщина слоя 125 нм), ширина полной фотонной запрещенной зоны в области 1.5 мкм Δω/ω=0.14.The result was an inverted opal-silicon composite (three-dimensional photonic crystal), but the thickness of the silicon layer in the pores of the inverted composite is 0.31 <R Si / L<0.41 (absolute layer thickness 125 nm), the width of the total photonic band gap in the region of 1.5 μm Δω / ω = 0.14.
Пример 7.Example 7
То же, что в примере 1, но температура 540°С.The same as in example 1, but the temperature is 540 ° C.
В результате получили инвертированный композит опал-кремний с теми же характеристиками, что и в примере 1 (шириной полной фотонной запрещенной зоны в области 1.5 мкм Δω/ω=0.16), но значение коэффициента отражения в направлениях [100] и [110] составило 96±1%, в направлении [111] - 98±1%.The result was an inverted opal-silicon composite with the same characteristics as in Example 1 (the width of the total photonic band gap in the region of 1.5 μm is Δω / ω = 0.16), but the reflection coefficient in the [100] and [110] directions was 96 ± 1%, in the direction [111] - 98 ± 1%.
Пример 8.Example 8
То же, что в примере 1, но продолжительность термического разложения 5 ч.The same as in example 1, but the duration of thermal decomposition of 5 hours
В результате получили трехмерный фотонный кристалл с теми же характеристиками, что в примере 4.The result was a three-dimensional photonic crystal with the same characteristics as in example 4.
Пример 9.Example 9
То же, что в примере 1, но продолжительность термического разложения 7 ч. В результате получили инвертированный композит опал-кремний с теми же характеристиками, что и в примере 1 (шириной полной фотонной запрещенной зоны в области 1.5 мкм Δω/ω=0.16), но значение коэффициента отражения в направлениях [100] и [110] составило 96±1%, в направлении [111] - 96±1%.The same as in example 1, but the duration of thermal decomposition is 7 hours. The result is an inverted opal-silicon composite with the same characteristics as in example 1 (the width of the total photonic band gap in the region of 1.5 μm is Δω / ω = 0.16), but the reflection coefficient in the [100] and [110] directions was 96 ± 1%, and in the [111] direction it was 96 ± 1%.
Таким образом, проведенные эксперименты подтверждают создание трехмерных фотонных кристаллов на основе пленочного опала и кремния, обладающих полной запрещенной зоной с центром в области 1.5 мкм с относительной шириной Δω/ω=0.14÷0.16, с коэффициентом отражения во всех направлениях не менее 95%.Thus, the performed experiments confirm the creation of three-dimensional photonic crystals based on film opal and silicon, having a complete forbidden zone centered in the region of 1.5 μm with a relative width of Δω / ω = 0.14 ÷ 0.16, with a reflection coefficient in all directions of at least 95%.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2009137424/05A RU2421551C1 (en) | 2009-09-30 | 2009-09-30 | Procedure for growth of 3-d photon crystal on base of film of opal with silicon |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2009137424/05A RU2421551C1 (en) | 2009-09-30 | 2009-09-30 | Procedure for growth of 3-d photon crystal on base of film of opal with silicon |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2009137424A RU2009137424A (en) | 2011-04-10 |
RU2421551C1 true RU2421551C1 (en) | 2011-06-20 |
Family
ID=44051951
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2009137424/05A RU2421551C1 (en) | 2009-09-30 | 2009-09-30 | Procedure for growth of 3-d photon crystal on base of film of opal with silicon |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2421551C1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2467362C1 (en) * | 2011-06-30 | 2012-11-20 | Государственное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Московский Государственный Технический Университет Имени Н.Э. Баумана" | Method of forming thermosensitive nanocomposite photonic crystals |
-
2009
- 2009-09-30 RU RU2009137424/05A patent/RU2421551C1/en not_active IP Right Cessation
Non-Patent Citations (2)
Title |
---|
PALLANIDINO L. et al, Synthesis, characterization and modeling of silicon based opals, "Journal of Non-Crystalline Solids", 2006, vol.352, No 9-20, p.p.1425-1429, abstract. * |
VLASOV Y.A. et al, On-chip natural assembly of silicon photonic bandgap crystals, "Nature", 2001, 414, p.p.289-293. * |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2467362C1 (en) * | 2011-06-30 | 2012-11-20 | Государственное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Московский Государственный Технический Университет Имени Н.Э. Баумана" | Method of forming thermosensitive nanocomposite photonic crystals |
WO2013002672A1 (en) * | 2011-06-30 | 2013-01-03 | Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Московский Государственный Технический Университет Имени Н.Э.Баумана" (Мгту Им. Н.Э.Баумана) | Method for producing heat-sensitive nanocomposite photon crystals |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2009137424A (en) | 2011-04-10 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US7241505B2 (en) | Hybrid sol for the production of abrasion-resistant SiO2 antireflection coatings | |
Diedenhofen et al. | Broad‐band and omnidirectional antireflection coatings based on semiconductor nanorods | |
US7025909B2 (en) | Method for producing sphere-based crystals | |
KR101331435B1 (en) | Method for preparing nanocrystalline silicon in SiO2 and freestanding silicon nanoparticles | |
KR101395454B1 (en) | Optical film having a graded index of refraction and fabricating method thereof | |
Cai et al. | Highly ordered and gap controllable two-dimensional non-close-packed colloidal crystals and plasmonic–photonic crystals with enhanced optical transmission | |
CN102036757A (en) | Methods for coating a substrate | |
JP2007197305A (en) | Porous carbon arrangement and manufacturing method thereof | |
Murata et al. | Investigations of MgF 2 optical thin films prepared from autoclaved sol | |
Xia et al. | Preparation of sponge-like porous SiO 2 antireflective coatings with excellent environment-resistance by an acid-catalysed sol–gel method | |
RU2421551C1 (en) | Procedure for growth of 3-d photon crystal on base of film of opal with silicon | |
Philipavičius et al. | Hydrophobic antireflective silica coatings via sol–gel process | |
Dawnay et al. | Growth and characterization of semiconductor nanoparticles in porous sol-gel films | |
WO2014013708A1 (en) | Method for producing hollow particles, hollow particle, antireflection coating, and optical element | |
Chan et al. | Self-assembled free-standing colloidal crystals | |
WO2001086038A2 (en) | Photonic bandgap materials based on germanium | |
Mine et al. | Synthesis of submicron-sized titania-coated silica particles with a sol-gel method and their application to colloidal photonic crystals | |
US6984436B2 (en) | Graded material and method for synthesis thereof and method for processing thereof | |
Gaponenko | Synthesis and Optical Properties of Films Formed by the Sol‐Gel Method in Mesoporous Matrices | |
Moon et al. | Room temperature chemical vapor deposition for fabrication of titania inverse opals: Fabrication, morphology analysis and optical characterization | |
López et al. | Structural and optical properties of SiOx films deposited by HFCVD | |
Wei et al. | Fabrication of angle-independent anti-reflective structural color coating powders | |
KR102087011B1 (en) | Method for producing Hollow silica particles with TiO2 shell | |
Qian et al. | Preparation of TiO2 inverse opal via a modified filling process | |
Klein | Sol-Gel Glasses |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20111001 |