Új irányok és eredményak A mikro- és nanotechnológiák területén 2013.05.15. Budapest
Fényérzékeny amorf nanokompozitok: technológia és alkalmazásuk a fotonikában Csarnovics István Debreceni Egyetem, Fizika Intézet, Kísérleti Fizikai Tanszék
Tartalom • Fényérzékeny kompozitok: anyagok és jelenségek. • Kalkogenid üvegek, mint funkcionális anyagok: tulajdonságok, alkalmazások. • Fényindukált változások kalkogenid nanokompozitokban. • Plazmonok hatása. • Fényindukált változások szerves nanokompozitokban.
Fényérzékeny kompozitok: anyagok és jelenségek
Fényérzékeny anyag – olyan anyag, amelyben a fény hatására valamilyen fizikai vagy kémiai folyamat történik.
Fizikai folyamat – optikai paraméterek, térfogati és szerkezeti változások.
Anyagok – szervetlen (kalkogenidek, halogenidek) és szerves kompozitok.
Alkalmazás – optoelektronika, optikai – és elektronikai memória, szenzorika.
Kalkogenidek - fényérzékeny amorf anyagok 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
Fényindukált változások kalkogenidekben - anyagok és technológiák
Homogén réteg - Asx Se 100-x (0≤x ≤ 60 ) és As 40S 60 termikus párologtatással előállított 0.2 – 3.0 m vastagságú vékony rétegek. Lézer
Holografikus írás
Lézerek: 535 és 633 nm. I = 0.3-50 W/cm2
Nanomultiréteg (nanokompozit) - számítógép vezérelt ciklikus termikus párologtatással létrehozott minták. A struktúrák modulációs periódusa 3-6 nm volt, a teljes vastagsága 0.5 – 1.5 m a-Se, AsSe, GeSe, Sb, Bi, In As2S3, GeS Hordozó
Fényindukált optikai változások kalkogenid rétegekben Áteresztőképesség, törésmutató, elnyelési él és elnyelési együttható változás megvilágítás hatására. 90 1,00
80
0,95 0,90
I/I0
0,85 0,80 0,75 0,70
60 50 40 40
30
35 30
Áteresztõképesség, %
Áteresztõképesség, %
70
20 10
25 20 15 10 5 0 400
0,65 0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
0 300
420
430
440
450
460
470
480
490
500
Hullámhossz, nm
400
500
600
700
Hullámhossz, nm
Idõ, s
Δn/n = 1-5 %
410
Δd/d= 1-10 %
Δ T /T = 5-80 %
800
900
Fényindukált változások kalkogenid nanomultirétegekben 15000
0.0
-0.4
ln I/Io
I, arb.un.
10000
-0.8
5000 1
-1.2
2 0
1
2
3
4
2, deg
Se/As2S3 nanomultiréteg XRD spektruma a megvilágítás előtt (1) és után (2)
-1.6 0.0
3
3.0x10
3
6.0x10
3
9.0x10
4
1.2x10
t, s
Diffúziós együttható He-Ne lézerrel (P=0.1 W/cm2) történő megvilágítás során : D= 7,210-23 m2/s
Egyedülálló módon előállított kítűnő minőségű kalkogenid nanomultirétegek. Fényindukált interdiffúzió és óriási méretű térfogatváltozás az előállított mintákban. x = 1000 nm, y = 1000 nm, z = 100 nm
Fényindukált térfogatváltozás kalkogenid rétegekben
Az in situ atomerő-mikroszkóppal végzett kísérletek elrendezése.
A 2 µm vastagságú As20Se80 rétegen 35 perc alatt létrehozott felületi holografikus rács atomerő-mikroszkóppal készült felvétele.
Az As20Se80 –ban megvalósult az egy lépéses optikai írás:
Optikai paraméterek mellett jelentős, 9-12%-os mértékű térfogatváltozást értünk el. M. Trunov, P. Lytvyn, V. Takats, I. Charnovych, S. Kokenyesi, Journal of Optoelectronics and Advanced Materials, 11 (2009) 1959.
Plazmonok hatása – arany nanoszemcsék
Az előállított arany nanorészecskék pásztázó elektronmikroszkópos felvétele.
Az előállított arany nanorészecskék atomerő-mikroszkópos felvétele
Különböző átlagméretű – különböző plazmon hullámhosszal rendelkező arany nanorészecskéket sikerült előállítani mikroszkóp tárgylemezen. S. Charnovych, Journal of Optoelectronics and Advanced Materials 13 (2011) 412.
Plazmonok hatása – nanokompozitok és jelenségek Holografikus írás Zöld vagy piros fényű lézer
Az előállított arany nanorészecskék és a kalkogenid réteget tartalmazó minták rajza.
Az előállított arany nanorészecskék optikai áteresztési spektrumai (1 – 60 nm, 2 – 75 nm, 3 – 90 nm átlagméretű struktúrák), valamint a megvilágítási hullámhosszok ábrázolása (4 – 533 nm, 5 – 633 nm).
Plazmonok hatása – optikai változások As2S3
d, nm
As2S3 +ANR
Δ
%
Δ
%
-20
2.86
-50
6.85
A tiszta As2S3 és As2S3 + arany nanorészecskékek struktúra áteresztőképességének időbeli változása lézerrel történő megvilágítás során (1 – 90 nm, 2 – 75 nm, 3 – 60 nm átlagosméretű nanorészecskéket tartalmazó struktúra, 4 – tiszta kalkogenid réteg).
A fény által gerjesztett plazmon tér hat az optikai változások sebességére, illetve azok mértékére. S. Charnovych, S. Kökényesi, Gy. Glodán, A. Csik, Thin Solid Films 519 (2011) 4309.
Plazmonok hatása – térfogati változások, holografikus rács írása
Felső: Az As20Se80 felületén létrehozott holografikus rács háromdimenziós AFM felvételei. Δd/d= 5,4 %
Alsó: Az As20Se80+arany nanorészecskék felületén létrehozott holografikus rács háromdimenziós AFM felvételei. Δd/d= 10,8 %
Plazmonok hatása– nanokompozitok 2. 40 nm arany rétegbe fókuszált ionnyaláb segítségével nanolyukak lettek létrehozva, amelyek átmérője 100 nm volt. Fény által ebben a struktúrában is gerjeszthető plazmon tér, amely stimulálta a fényindukált változásokat. 635 nm lézer Kalkogenid réteg
ANL
Hordozó
A megvizsgált rendszer sematikus rajza
A kialakított struktúra AFM felvétele
S. Charnovych, I.A. Szabó, A.L. Tóth, J. Volk, M.L. Trunov, S. Kökényesi, Journal of Non-Crystalline solids, doi: 10.1016/j.jnoncrysol.2012.11.038.
Fényindukált változások szerves anyagokban– anyagok
Monomer - Diurethane dimethacrylate, izomerek keveréke. Nanorészecskék – dodekanetiollal funkcionalizált arany nanorészecskék és SiO2 nanorészecskék. A szerves fényérzékeny anyag monomerjébe arany nanorészecskéket diszpergáltunk, amelyek nem tapadtak össze. A folyamatot a SiO2 nanorészecskék segítették elő.
Fényindukált változások szerves nanokompozitban
Az arany nanorészecskék növelték a kialakult holografikus rács magasságát és diffrakciós hatásfokát.
Összefoglaló
Kalkogenidek, mint fényérzékeny anyagok: nanomultirétegek - interdiffúzió és óriási méretű térfogatváltozás,
rétegek – optikai változások, holografikus rácsok, óriási méretű lokális térfogatváltozás, laterális tömegtranszport jelensége. kalkogenid réteg + arany nanostruktúrák - a fény által gerjesztett plazmontér stimulálja a kalkogenidekben megfigyelt fényindukált változásokat.
Szerves anyagok – a nanostruktúrák által növelhető a kialakult holografikus rács magassága és annak diffrakciós hatásfoka.
Köszönettel tartozom a velem együttműködő kollégáknak: Témavezető: Dr. Kökényesi Sándor
Dr. Szabó István, Dr. Csík Attila, Dr. Takáts Viktor. MTA-Műszaki Fizikai és Anyagtudományi Intézet, Budapesti Műszaki Egyetem, University of Pardubice, Boise State University, Uzhgorod National University, ITMO Szentpétervár, intézmények munkatársainak. A kutatásomat a TAMOP 4.2.2.A-11/1/KONV-2012-0036 és a TAMOP 4.2.2./B-10/1-2010-0024 számú programjainak keretein belül végeztem amelyet az Európai Unió és az Európai Szociális Alap támogat.
