SlideShare a Scribd company logo
1 of 37
В.В. СтрельчукВ.В. Стрельчук
ОПТИЧНА МІКРОСКОПОПТИЧНА МІКРОСКОПІІЯЯ
НАНОСТРУКТУРНАНОСТРУКТУР
Господь Бог изощрен, но не злонамерен.
(Альберт Эйнштейн)
НанотехноліїНанотехнолії:: нано-оптичні неруйнівні методинано-оптичні неруйнівні методи
дослідженьдосліджень зз просторовимпросторовим розділеннямрозділенням ≈≈ 10 нм.10 нм.
ОптичнаОптична спектроскопія наноструктурспектроскопія наноструктур
((квантові ями, квантові нитки і квантові точки)квантові ями, квантові нитки і квантові точки)
Звичайна макро-
спектроскопія
Конфокальна
мікроспектроскопіяСпектроскопія
ближнього поля
Оптична
мікро-спектроскопія
Люмінесценція,
Нано-люмінесценція
Мікро-КРС, Нано-КРС,
підсилене голкою КРС (TERS)
поглинання, відбивання,
фотопровідність і інш.
ЗмістЗміст
Плазмова нано-
спектроскопія (TERS)
Нові метрології наноелектронікиНові метрології наноелектроніки
Іонна областьІонна область Молекулярна областьМолекулярна область Макромолекулярна областьМакромолекулярна область Мікро-областьМікро-область
Скануючий
тунельний
мікроскоп
Скануючий
електронний мікроскоп
1 нм1 нм 10 нм10 нм 50-100 нм50-100 нм 1000 нм1000 нм
Діаметр нанотрубки
Вірус
Бактерія
Квантова точка
еритроцити
1 нм1 нм 10 нм10 нм 100 нм100 нм 1000 нм1000 нм
Одно-електронний
транзистор
Оптичний мікроскоп
конфокальний мікроскоп
Спектроскопія ближнього поля
Плазмова нано-спектроскопія
Діапазон застосування мікроскопічних методикДіапазон застосування мікроскопічних методик
400 нм400 нм200 нм200 нм
20 нм20 нм
1 нм = 10-9
м в 10 000 разів менше діаметра людської волосини.
Один кубічний нанометр (нм)3
приблизно в 20 разів більше об’єму індивідуального атома.
Постулат БораПостулат Бора:: в потенціальній ямі дозволені лише ті траєкторії руху електронав потенціальній ямі дозволені лише ті траєкторії руху електрона
(рівні(рівні енергії) для яких імпульсенергії) для яких імпульс ppnn і ширина ямиі ширина ями LLzz пов'язані співвідношеннямпов'язані співвідношенням::
Рівні енергії в ямі:Рівні енергії в ямі:
2
*
,
*
,
2
2
1
2 





==
L
n
mm
p
E
hehe
n
n
π
n –n – номер квантового стану.номер квантового стану....3,2,1,n, == nLpn π
Просторове обмеження в наноструктурахПросторове обмеження в наноструктурах
CdSCdS CdSeCdSe CdTeCdTe SiSi GG
ee
11
22
33
44
55
00






=
2
2
2
*
dk
Ed
m
 - залежить від кривизни- залежить від кривизни
дисперсіїдисперсії
(матеріалу, типу(матеріалу, типу
частинки та її швидкості)частинки та її швидкості)
)kЕ(

Ефективна масаЕфективна маса
LL = 5= 5 нмнм →→ EE11 = 0.02= 0.02 еВ,еВ,
длядля mm** ≈≈ 0.10.1 mm00,, ((mm00 = 10= 10-27-27
гг))
EE11 = 0.2= 0.2 еВеВ
НапівпровідникНапівпровідник mmcc** mmhh**
GaN 0.2 0.8
CdS 0.2 0.9
CdSe 0.13 0.8
CdTe 0.11 0.35
GaAs 0.07 0.5
Si 0.98 повздовж.
0.19 попереч.
0.52
Ge 1.58 повздовж.
0.08 повздовж.
0.3
Ефективна маса електрона і діркиЕфективна маса електрона і дірки
Спектри фотолюмСпектри фотолюміінесценціі нанокристаллівнесценціі нанокристаллів SiSi
.0 збуджgФЛ EEEh −∆+=ν
Зміна Eg (Si) внаслідок
конфайменту в 1, 2 і 3
напрямках..
Довжина хвилі, мкм
Енергія фотонів, еВ
ІнтенсивністьФЛ,відн.од.
Із зменшенням розмірів нанокристаллів Si спектр їхІз зменшенням розмірів нанокристаллів Si спектр їх люмінесценціїлюмінесценції
зсувається у високоенергетичнузсувається у високоенергетичну (короткохвильову) область внаслідок(короткохвильову) область внаслідок
квантового размірногоквантового размірного ефекту (конфайменту)ефекту (конфайменту)
55-6-6 нмнм
3D
1D
2D
Інформація про наноматеріали із КРС – і ФЛ-данихІнформація про наноматеріали із КРС – і ФЛ-даних
 Діаметр пятнаДіаметр пятна
збудження ~100 мкмзбудження ~100 мкм
 флуктуації розмірів, форми і компонентного складуфлуктуації розмірів, форми і компонентного складу
КТ призводять до неоднорідного уширення смугиКТ призводять до неоднорідного уширення смуги
випромінювання, яке складає ~20÷30 меВвипромінювання, яке складає ~20÷30 меВ
 Густина КТ ~10Густина КТ ~101010
÷10÷101111
смсм-2-2
- одночасно збуджуються- одночасно збуджуються
~10~1066
÷10÷1077
КТКТ
Фотолюмінесценція InGaAs КТ
Single quantum dots: fundamentals,
applications and new concepts/ Peter
Michler (Еd.)/ Springer-Verlag, Berlin,
2003.
InGaAs КТ
2К
Атомно-подобнАтомно-подобний дискретний спектрий дискретний спектр InAsInAs КТКТ
EE00Eg
Ec
Ev
е2
е1
е0
h0
h1
h2
d
хPhys. stat. sol. (a) 203 (10) (2006) 2403
B. L. Liang, Zh. M. Wang, Yu. I. Mazur, V. V. Strelchuk, and G. J. Salamo
EE11EE22
a
b
c
Фотолюмінесценція багатошаровихФотолюмінесценція багатошарових
8х(In8х(InxxGaGa1-x1-xAs(14МШ)/GaAs(70(МШ))As(14МШ)/GaAs(70(МШ))
структур з різноюструктур з різною
концентрацієюконцентрацією
індію в Inіндію в InxxGaGa1-x1-xAs шарах.As шарах.
EEзбзб = 2.41 еВ.= 2.41 еВ.
Енергія, еВ
1 нм1 нм
100 нм100 нм
1.1 1.2 1.3 1.4
1.2 1.3 1.4
2 періода
1177 перідівперідів
1717 періодівперіодів
Еexc=2.32 eV
8 К
xx = 0.30,= 0.30,
ddInGaAsInGaAs = 1= 166..33 МСМС
P = 30P = 30%%
xx = 0.50,= 0.50,
ddInGaAsInGaAs = 5.7= 5.7 МСМС
P = 14P = 14%%
xx = 0.50,= 0.50,
ddInGaAsInGaAs = 9.8= 9.8 МСМС
P =P = 5%5%
Θ+Θ= −
2
]011[
2
]110[ cossin III[ ] [ ] [ ] [ ] )()( 011110011110 IIIIP +−= −−
ФЛФЛ анізотропіяанізотропія InInxxGaGa1-x1-xAs/GaAs(100)As/GaAs(100) наноструктурнаноструктур
1.0
1.0
0.8
1.0
1.0
0.7
1.0
1.0
0.5
Энергия, эВ
Энергия, эВ
1.2 1.3 1.4
Энергия, эВ
ωωSiSi--SiSi == 520.2 - 62520.2 - 62xx
ωωSi-GeSi-Ge == 400.5 + 14.2400.5 + 14.2xx
ωωSi-SiSi-Si == 520.2520.2 -- 6262xx –– 815815εε
ωωSi-GeSi-Ge == 400.5400.5 ++ 14.214.2xx -- 575575εε
ωωGe-GeGe-Ge == 282.5282.5 ++ 1616xx -- 385385εε
Tsang et al,Tsang et al, J. Appl. Phys. 75 (12)1994.J. Appl. Phys. 75 (12)1994.
Chen et al,Chen et al, Physical review B, V. 65, 233303Physical review B, V. 65, 233303
КРС: зондування шарів різної глибиниКРС: зондування шарів різної глибини
ДовжинаДовжина
хвилі лазера,хвилі лазера,
нмнм
ГлубинаГлубина
проникненняпроникнення
вв SiSi, нм, нм
ГлубинаГлубина
проникненняпроникнення
вв GeGe, нм, нм
633 3000 32
514 762 19,2
488 569 19
457 313 18,7
325 ~10 ~ 9
244 ~ 6 ~ 7
Підкладка Si
1515 нмнм
11 мкммкм
33 мкммкм ГрадієнтніГрадієнтні
SiGeSiGe шаришари
SiGe буф.шар
Si покрив. шар
325325 нмнм
488488 нмнм
633633 нмнм
785785 нмнм
ЗбудженняЗбудження
Е Е Е
2D шар
КТ
Езб
2LO(2D)
2LO(KT)
LO(2D)
ФЛ
Вихідний резонанс Вхідний резонанс
LOзб 20EE ω+=
0EE =зб
D
E2
0
LO2
ω
KT
E0
KT
E0
Спектри РКРС і умови збудженняСпектри РКРС і умови збудження
x=0,35
Частота, см-1
x=0
x=0,35
291,7 см-1
266,5см-1
528 см-1 576 см-1
x=0,30
Езб = 1,16 еВ (λзб = 1.06 мкм)
x
ТР Inх
Ga1-х
As ВРРД
0.65 234 262.8 2.5 -3 ≈242.4 ≈264
0.25 235.8 282.4 7.3 3.4 – ≈242.4 ≈286.5
like
GaAs
LO
−)(0ω
like
InAs
LO
−)(0ω likeGaAs
екс
LO
−)(
ω
likeInAs
екс
LO
−)(
ω
confω∆eкс
strω∆теор
strω∆
Аналіз компонентногоАналіз компонентного
складу шарівскладу шарів
InInxxGaGa1-x1-xAs/GaAsAs/GaAs
( ) ,28,343,292 2
xxxLO −−=ω
( )yyxxzzstr KK εεεω ++=∆ 1211
~
2
1~
2
1
z
z
L
n
q
π
=
ВВиисокосокоііндекснндексніі ((n11n11) п) піідкладкидкладки
(100)(100)
(711)(711) (11.4º)(11.4º)
((5511)11) (15.8º)(15.8º)
((4411)11) (19.5º)(19.5º)
((3311)11) (25.2º)(25.2º)
((1111)11) (54.7º)(54.7º)
AsAs
GaGa
[100]
[011][01-1]
(411)B
(211)B
(311)B
терасса
ступень
[011]
ОднорідністьОднорідність InGaAsInGaAs
-наноструктур на-наноструктур на високоіндекснвисокоіндексниихх
GaAs(n11)GaAs(n11) підкладкахпідкладках
511511
911911
100100 Покращення латерального впорядкування і однорідностіПокращення латерального впорядкування і однорідності
розміріврозмірів InGaAsInGaAs КТ !!!КТ !!!
Фур’є перетворення
Т= 8 К
Езб=2,33 еВ
Інтенсивністьфотолюмінесценції
Інтенсивність
ФЛ
Напівширина
ФЛ,меВ
Енергія,еВ
Енергія, еВ Відхилення від (100), град
B.L.Liang, Zh.M.Wang, Yu. I. Mazur, V. V. Strelchuk,.. Nanotechnology 17 (2006) 2736
Випромінювальна рекомбінація вВипромінювальна рекомбінація в CdSe/ZnSeCdSe/ZnSe
наноструктурахнаноструктурах
1,5 МШ1,5 МШ3 МШ3 МШ
1,5 МШ1,5 МШ
МікрокатодолюмінесценціяМікрокатодолюмінесценція
CdSe/ZnSe 3,15 МШCdSe/ZnSe 3,15 МШ
10 К
5 К
10 К
еВ31,2max =ФЛ
E
меВ41=Г
еВ58,2max =ФЛ
E
меВ24=Г
меВ21≈∆ стоксE
1,5 МШ1,5 МШ 3,0 МШ3,0 МШ
КРСКРС
CdSe/ZnSCdSe/ZnS
ee
структурструктур
Езб=2,54 еВ Езб=2,41 еВ
Езб=2,54 эВ
Езб=2,41 эВ
2.52 2.56 2.64
0
1.0
0.5
2.28 2.3 2.34
1 2 3 4 5 1 2 3 4 5
Короткочасова ФЛКороткочасова ФЛ
CdSe/ZnSeCdSe/ZnSe структурструктур
Енергія, еВ Енергія, еВЧасзатухання,нс
CdSe
1,5 МШ
CdSe
3,0 МШ
( ){ }0exp1
)(
EEE
E
me
випр
−+
=
τ
τ
,
1111
перенневипрвипрФЛ ττττ
++=
Дифракційна межа розділу оптичних приладів
Дифракція в паралельних променях (Фраунгофера)
Зелена крива – розподіл інтенсивності у фокальній
площині (масштаб по х сильно збільшений)
Дифракційне центральне світле пятно
(диск Ейрі) → приймається за точкове
джерело світла радіусом r = 1,22 (λ/D) F
( ≈85% енергії світла)
Дифракція на круглому отворі
Роздільна здатність характеризується не кутовою, а лінійною відстанню між двома
близькорозташованими точками об’єкту, які ще можуть сприйматись окремо.
α
λ
sin
61,0
min
⋅
=
n
r
5,1;1sin;
2
=≈≈ nα
π
α
λ4,0min ≈r
Конфокальна мікроскопіяКонфокальна мікроскопія
ЗвичайнийЗвичайний мміікроскопкроскоп – у фотоприймач– у фотоприймач
попадає світло від різних точок зразкапопадає світло від різних точок зразка..
ДіафрагмаДіафрагма покращує контрастпокращує контраст - зменшує- зменшує
вклад від областей зразку поза точкоювклад від областей зразку поза точкою
фокусування.фокусування.
Світлоподільна пластинка спрощуєСвітлоподільна пластинка спрощує
конструкцію мікроскопа.конструкцію мікроскопа.
Роздільна здатністьРоздільна здатність
Конфокальний мікроскопКонфокальний мікроскоп
2
22
65.1
sin
5.1
,88.0
sin
44.0





′==
Θ
=∆
=′
′
=
Θ
=
D
F
NA
n
n
z
nдеF
Dn
r
conf
conf
λ
λλ
λλ
λλ
F
Dn
rresel
λλ ′
=
Θ
= 22.1
sin
61.0
Звичайний мікроскопЗвичайний мікроскоп
Robert H. Webb Rep. Prog. Phys. 59 (1996) 427-471.
1 2
Підвищення контрастуПідвищення контрасту за рахунокза рахунок
аналізу (фокусування) точки збудженняаналізу (фокусування) точки збудження..
3 4
Θ
1
5
2
3
4
Сапфир
GaN/
AlGaN
А1(ИК, КРС) + E1(ИК, КРС) + 2Е2 (КРС) + 2В1 (неакт).
0 5 10 15 20
570,8
571,0
571,2
571,4
ω(Ehigh
2(GaN)),сm-1
I(E
high
2
(GaN) / I (A1g
(s)
3,0
3,2
3,4
3,6
FWHMEhigh
2
(GaN),сm-1
414 416 418 420 422
Інтенсивність,відн.од.
Частота, см
-1
Г=4,1 см
-1
4 1
Al2
O3
підкладка
418,2 to 418,7
СпектрСпектрии конфокального мікро-конфокального мікро-
КРСКРС GaNGaN//GaAlNGaAlN//AlAl22OO33 структуриструктури
 1928 р.1928 р. - вперше- вперше
запропонованозапропоновано EE..HH.. SynghSyngh
 11972 р.972 р. -- спостерігалосьспостерігалось EE..AA..
AshAsh вв дослідахдослідах зз
мікрохвилямимікрохвилями
 початокпочаток 80-х80-х роківроків отриманоотримано
розділеннярозділення λλ/20 (/20 (DD..WW.. PohlPohl ,,
ЛабораторіяЛабораторія ІВМ, Цюріх)ІВМ, Цюріх)
Спектроскопія ближнього поляСпектроскопія ближнього поля
поєднує елементи звичайної оптики і скануючої зондовоїпоєднує елементи звичайної оптики і скануючої зондової
мікроскопіїмікроскопії
Основи ближньопольової спектроскопіїОснови ближньопольової спектроскопії
PP00 λλ00
2a
2a<<2a<<λλ00 ΙΙEEΙΙ22
= const= const
Проходження світла через отвірПроходження світла через отвір
в екранів екрані діаметромдіаметром 2а2а <<<< λλoo..
Линії постійнної інтенсивності оптичногоЛинії постійнної інтенсивності оптичного
випромінювання поблизу отвору.випромінювання поблизу отвору.
Z < 100 ÅZ < 100 Å –– ближня зонаближня зона в якій електромагнітне поле існує у вигляді еванесцентнихв якій електромагнітне поле існує у вигляді еванесцентних
(стаціонарних) мод локалізованих поблизу діафрагми.(стаціонарних) мод локалізованих поблизу діафрагми.
Z > 100 ÅZ > 100 Å –– дальня зонадальня зона в якій поширюються лише випромінювальні моди.в якій поширюються лише випромінювальні моди.
ДляДля λλ = 500 нм= 500 нм іі 2а = 5 нм2а = 5 нм потужність випромінювання в дальній зоніпотужність випромінювання в дальній зоні Р = 10Р = 10-10-10
PPоо
ВВ результаті взаємодії еванесцентних мод із досліджуваним зразкомрезультаті взаємодії еванесцентних мод із досліджуваним зразком
розміщеним перед отвором у ближній зоні частина енергіїрозміщеним перед отвором у ближній зоні частина енергії
електромагнітного поля перейде у випромінювальні моди, інтенсивністьелектромагнітного поля перейде у випромінювальні моди, інтенсивність
яких реєструється фотоприймачемяких реєструється фотоприймачем..
Спектроскопія ближнього поляСпектроскопія ближнього поля
Апертурна і безапертурна ближньопольна спектроскопіяАпертурна і безапертурна ближньопольна спектроскопія
Діаметр світлового пятнаДіаметр світлового пятна ≈≈dd ((h,d <<h,d << λλ))
Схема оптоволоконногоСхема оптоволоконного
ближньопольового зондаближньопольового зонда
Блок-схемаБлок-схема
ближньопольового мікроскопаближньопольового мікроскопа
1.1. Загострене оптичне волокно;Загострене оптичне волокно;
2.2. Металічне покриття;Металічне покриття;
3.3. Випромінювання;Випромінювання;
4.4. Вихідна апертура зонда (Вихідна апертура зонда (d<<d<<λλ););
5.5. Поверхня зразка;Поверхня зразка;
6.6. Відстань між зразком іВідстань між зразком і
апертурою зонда (апертурою зонда (h<<h<<λλ))..
1.1. МікрообМікрооб’’єктив, що працює уєктив, що працює у
відбитому світлі;відбитому світлі;
2.2. МікрообМікрооб’’єктив, що працює уєктив, що працює у
прохідному світлі.прохідному світлі.
Проблеми ближньопольноїПроблеми ближньопольної
спектроскопіїспектроскопії
 Низька ефективність освітлення обНизька ефективність освітлення об’’єкта -єкта - ~~1010-6-6
÷10÷10-4-4
від введеного у волокновід введеного у волокно
світла.світла. Інша його частина поглинається металічним покриттям зонду іІнша його частина поглинається металічним покриттям зонду і
нагріває йогонагріває його;;
При потужності випромінювання на кінці зонду ~10 нВт плавиться алюмінієвеПри потужності випромінювання на кінці зонду ~10 нВт плавиться алюмінієве
покриття.покриття.
 розподіл температури в зонді залежить від його мікрогеометрії структурирозподіл температури в зонді залежить від його мікрогеометрії структури
поля при вершині.поля при вершині.
 при зменшені радіусапри зменшені радіуса rr діафрагми швидко спадає детектований сигналдіафрагми швидко спадає детектований сигнал
(I ~(I ~ rr66
).).
Мікро і Нано-КРС зображенняМікро і Нано-КРС зображення
КРС зображення однієї вуглецевої нанотрубки (КРС зображення однієї вуглецевої нанотрубки (SWNT).SWNT).
Контраст відповідає локальній інтенсивностіКонтраст відповідає локальній інтенсивності G'G' смуги (2640 смсмуги (2640 см-1-1
))
Anderson et.al.Anderson et.al. J. Am. Chem. Soc. 127 (2005) 2533.J. Am. Chem. Soc. 127 (2005) 2533.
Фотонний кристал ізФотонний кристал із PbSePbSe КТКТ:: (a, c, e)(a, c, e) топографія поверхнітопографія поверхні фотонного кристала і оптичнефотонного кристала і оптичне
випромінюваннявипромінювання PbSePbSe КТКТ (b, d, f)(b, d, f) зареєстроване ближньопольною спектроскопієюзареєстроване ближньопольною спектроскопією..
λλ = 632,8= 632,8 нмнм ((He-NeHe-Ne лазер)лазер),, обоб’’єктивєктив Olympus 40x, NA=0.6.Olympus 40x, NA=0.6.
Li J, et.al. OPTICS EXPRESS 14 (2006)10740.Li J, et.al. OPTICS EXPRESS 14 (2006)10740.
АСМ топографія поверхніАСМ топографія поверхні
Ближньопольна спектроскопіяБлижньопольна спектроскопія
випромінюваннявипромінювання PbSePbSe КТКТ
Локалізація екситонів в одній вуглецевій нанотрубціЛокалізація екситонів в одній вуглецевій нанотрубці
Локальне підсилення ≈Локальне підсилення ≈ 101033
- 10- 1055
ЛатеральнеЛатеральне розділеннярозділення ≤≤ 5050 нмнм
Нано-КРС = КРС + АСМНано-КРС = КРС + АСМ
Підсилене вістрям комбінаційне розсіянняПідсилене вістрям комбінаційне розсіяння
світла (світла (TERS – tip enhancement Raman scatteringTERS – tip enhancement Raman scattering))
КРС вуглецевих нанотрубокКРС вуглецевих нанотрубок::
 А) конфокальне зображення зА) конфокальне зображення з
розділеннямрозділенням ≈≈300нм300нм;;
 В)В) TERSTERS зображення з просторовимзображення з просторовим
розділеннямрозділенням ≈≈20нм20нмПідсилене поле на вістрі голкиПідсилене поле на вістрі голки
у фокальній точці лазерногоу фокальній точці лазерного
пучка локально взаємодіє ізпучка локально взаємодіє із
зразкомзразком..
Gucciardi et al., J. Microsc. 209, 228 (2003)Gucciardi et al., J. Microsc. 209, 228 (2003)
Нано-КРС зображенняНано-КРС зображення TCNQTCNQ
АСМ-зображенняАСМ-зображення КРС (1453 смКРС (1453 см-1-1
))
TCNQTCNQ –– tetracyanoquinodimethanetetracyanoquinodimethane crystalcrystal
Спасибо за вниманиеСпасибо за внимание
InIn0,60,6 GaGa0,40,4 As/GaAsAs/GaAs,, ТТрр = 500= 500 00
ССCdSe/ZnSeCdSe/ZnSe
InAs/GaAs КТ
Ge/SiGe/Si КТКТ
К о н ц е н т р а ц ія ( % )G e
Висотанм()
4
8
1 2
1 4
Л а т е р а л ь н а в ід с т а н ь н м )(
- 4 0 - 3 0 - 2 0 - 1 0 0 1 0 2 0 3 0 4 0
0
5 0
1 0 0
>35% Si
> 65% Ge
MalachiasMalachias A.A.,, et.al. // Phys. Rev.et.al. // Phys. Rev.
Lett.Lett. 9191 (200(20033) 1) 17610176101..
Kegel I., et.al. Phys. Rev. Lett.
85 (2000) 1694.
Peranio N., et.al. Phys. Rev. BPeranio N., et.al. Phys. Rev. B..
6161 ((20002000)) 1601516015..
Rosenauer A.Rosenauer A. at al //at al //
Phys. Rev. B. 61 (2000) 8276.Phys. Rev. B. 61 (2000) 8276.
GaAsGaAs
захисний шарзахисний шар
(In,Ga)As КТ(In,Ga)As КТ h ≈ 4-5 нмh ≈ 4-5 нм
GaAs підкладкаGaAs підкладка
GaAs буферGaAs буфер
Змочуючиий шарЗмочуючиий шар
dd ≈≈ 1 нм1 нм
(In,Ga)As/GaAs(In,Ga)As/GaAs
11 22 11 22 2211 11
[001]
[011]
1 2
[011]
~80-85 нм
Спектри КРССпектри КРС InIn0.450.45GaGa0.550.55As/GaAsAs/GaAs
strconfкомпон
КТD
ωωωω ∆+∆+= .
)(2
.exp
анізотропія фононованізотропія фононов
Угол, градус
Интенсивню,отн.ед.
22D-D-змочуючий шар - х ≈ 25%змочуючий шар - х ≈ 25%
Квантові точки - х ≈ 60%Квантові точки - х ≈ 60%

More Related Content

Featured

2024 State of Marketing Report – by Hubspot
2024 State of Marketing Report – by Hubspot2024 State of Marketing Report – by Hubspot
2024 State of Marketing Report – by HubspotMarius Sescu
 
Everything You Need To Know About ChatGPT
Everything You Need To Know About ChatGPTEverything You Need To Know About ChatGPT
Everything You Need To Know About ChatGPTExpeed Software
 
Product Design Trends in 2024 | Teenage Engineerings
Product Design Trends in 2024 | Teenage EngineeringsProduct Design Trends in 2024 | Teenage Engineerings
Product Design Trends in 2024 | Teenage EngineeringsPixeldarts
 
How Race, Age and Gender Shape Attitudes Towards Mental Health
How Race, Age and Gender Shape Attitudes Towards Mental HealthHow Race, Age and Gender Shape Attitudes Towards Mental Health
How Race, Age and Gender Shape Attitudes Towards Mental HealthThinkNow
 
AI Trends in Creative Operations 2024 by Artwork Flow.pdf
AI Trends in Creative Operations 2024 by Artwork Flow.pdfAI Trends in Creative Operations 2024 by Artwork Flow.pdf
AI Trends in Creative Operations 2024 by Artwork Flow.pdfmarketingartwork
 
PEPSICO Presentation to CAGNY Conference Feb 2024
PEPSICO Presentation to CAGNY Conference Feb 2024PEPSICO Presentation to CAGNY Conference Feb 2024
PEPSICO Presentation to CAGNY Conference Feb 2024Neil Kimberley
 
Content Methodology: A Best Practices Report (Webinar)
Content Methodology: A Best Practices Report (Webinar)Content Methodology: A Best Practices Report (Webinar)
Content Methodology: A Best Practices Report (Webinar)contently
 
How to Prepare For a Successful Job Search for 2024
How to Prepare For a Successful Job Search for 2024How to Prepare For a Successful Job Search for 2024
How to Prepare For a Successful Job Search for 2024Albert Qian
 
Social Media Marketing Trends 2024 // The Global Indie Insights
Social Media Marketing Trends 2024 // The Global Indie InsightsSocial Media Marketing Trends 2024 // The Global Indie Insights
Social Media Marketing Trends 2024 // The Global Indie InsightsKurio // The Social Media Age(ncy)
 
Trends In Paid Search: Navigating The Digital Landscape In 2024
Trends In Paid Search: Navigating The Digital Landscape In 2024Trends In Paid Search: Navigating The Digital Landscape In 2024
Trends In Paid Search: Navigating The Digital Landscape In 2024Search Engine Journal
 
5 Public speaking tips from TED - Visualized summary
5 Public speaking tips from TED - Visualized summary5 Public speaking tips from TED - Visualized summary
5 Public speaking tips from TED - Visualized summarySpeakerHub
 
ChatGPT and the Future of Work - Clark Boyd
ChatGPT and the Future of Work - Clark Boyd ChatGPT and the Future of Work - Clark Boyd
ChatGPT and the Future of Work - Clark Boyd Clark Boyd
 
Getting into the tech field. what next
Getting into the tech field. what next Getting into the tech field. what next
Getting into the tech field. what next Tessa Mero
 
Google's Just Not That Into You: Understanding Core Updates & Search Intent
Google's Just Not That Into You: Understanding Core Updates & Search IntentGoogle's Just Not That Into You: Understanding Core Updates & Search Intent
Google's Just Not That Into You: Understanding Core Updates & Search IntentLily Ray
 
Time Management & Productivity - Best Practices
Time Management & Productivity -  Best PracticesTime Management & Productivity -  Best Practices
Time Management & Productivity - Best PracticesVit Horky
 
The six step guide to practical project management
The six step guide to practical project managementThe six step guide to practical project management
The six step guide to practical project managementMindGenius
 
Beginners Guide to TikTok for Search - Rachel Pearson - We are Tilt __ Bright...
Beginners Guide to TikTok for Search - Rachel Pearson - We are Tilt __ Bright...Beginners Guide to TikTok for Search - Rachel Pearson - We are Tilt __ Bright...
Beginners Guide to TikTok for Search - Rachel Pearson - We are Tilt __ Bright...RachelPearson36
 

Featured (20)

2024 State of Marketing Report – by Hubspot
2024 State of Marketing Report – by Hubspot2024 State of Marketing Report – by Hubspot
2024 State of Marketing Report – by Hubspot
 
Everything You Need To Know About ChatGPT
Everything You Need To Know About ChatGPTEverything You Need To Know About ChatGPT
Everything You Need To Know About ChatGPT
 
Product Design Trends in 2024 | Teenage Engineerings
Product Design Trends in 2024 | Teenage EngineeringsProduct Design Trends in 2024 | Teenage Engineerings
Product Design Trends in 2024 | Teenage Engineerings
 
How Race, Age and Gender Shape Attitudes Towards Mental Health
How Race, Age and Gender Shape Attitudes Towards Mental HealthHow Race, Age and Gender Shape Attitudes Towards Mental Health
How Race, Age and Gender Shape Attitudes Towards Mental Health
 
AI Trends in Creative Operations 2024 by Artwork Flow.pdf
AI Trends in Creative Operations 2024 by Artwork Flow.pdfAI Trends in Creative Operations 2024 by Artwork Flow.pdf
AI Trends in Creative Operations 2024 by Artwork Flow.pdf
 
Skeleton Culture Code
Skeleton Culture CodeSkeleton Culture Code
Skeleton Culture Code
 
PEPSICO Presentation to CAGNY Conference Feb 2024
PEPSICO Presentation to CAGNY Conference Feb 2024PEPSICO Presentation to CAGNY Conference Feb 2024
PEPSICO Presentation to CAGNY Conference Feb 2024
 
Content Methodology: A Best Practices Report (Webinar)
Content Methodology: A Best Practices Report (Webinar)Content Methodology: A Best Practices Report (Webinar)
Content Methodology: A Best Practices Report (Webinar)
 
How to Prepare For a Successful Job Search for 2024
How to Prepare For a Successful Job Search for 2024How to Prepare For a Successful Job Search for 2024
How to Prepare For a Successful Job Search for 2024
 
Social Media Marketing Trends 2024 // The Global Indie Insights
Social Media Marketing Trends 2024 // The Global Indie InsightsSocial Media Marketing Trends 2024 // The Global Indie Insights
Social Media Marketing Trends 2024 // The Global Indie Insights
 
Trends In Paid Search: Navigating The Digital Landscape In 2024
Trends In Paid Search: Navigating The Digital Landscape In 2024Trends In Paid Search: Navigating The Digital Landscape In 2024
Trends In Paid Search: Navigating The Digital Landscape In 2024
 
5 Public speaking tips from TED - Visualized summary
5 Public speaking tips from TED - Visualized summary5 Public speaking tips from TED - Visualized summary
5 Public speaking tips from TED - Visualized summary
 
ChatGPT and the Future of Work - Clark Boyd
ChatGPT and the Future of Work - Clark Boyd ChatGPT and the Future of Work - Clark Boyd
ChatGPT and the Future of Work - Clark Boyd
 
Getting into the tech field. what next
Getting into the tech field. what next Getting into the tech field. what next
Getting into the tech field. what next
 
Google's Just Not That Into You: Understanding Core Updates & Search Intent
Google's Just Not That Into You: Understanding Core Updates & Search IntentGoogle's Just Not That Into You: Understanding Core Updates & Search Intent
Google's Just Not That Into You: Understanding Core Updates & Search Intent
 
How to have difficult conversations
How to have difficult conversations How to have difficult conversations
How to have difficult conversations
 
Introduction to Data Science
Introduction to Data ScienceIntroduction to Data Science
Introduction to Data Science
 
Time Management & Productivity - Best Practices
Time Management & Productivity -  Best PracticesTime Management & Productivity -  Best Practices
Time Management & Productivity - Best Practices
 
The six step guide to practical project management
The six step guide to practical project managementThe six step guide to practical project management
The six step guide to practical project management
 
Beginners Guide to TikTok for Search - Rachel Pearson - We are Tilt __ Bright...
Beginners Guide to TikTok for Search - Rachel Pearson - We are Tilt __ Bright...Beginners Guide to TikTok for Search - Rachel Pearson - We are Tilt __ Bright...
Beginners Guide to TikTok for Search - Rachel Pearson - We are Tilt __ Bright...
 

Optical microscopy of nanostructures

  • 1. В.В. СтрельчукВ.В. Стрельчук ОПТИЧНА МІКРОСКОПОПТИЧНА МІКРОСКОПІІЯЯ НАНОСТРУКТУРНАНОСТРУКТУР Господь Бог изощрен, но не злонамерен. (Альберт Эйнштейн) НанотехноліїНанотехнолії:: нано-оптичні неруйнівні методинано-оптичні неруйнівні методи дослідженьдосліджень зз просторовимпросторовим розділеннямрозділенням ≈≈ 10 нм.10 нм.
  • 2. ОптичнаОптична спектроскопія наноструктурспектроскопія наноструктур ((квантові ями, квантові нитки і квантові точки)квантові ями, квантові нитки і квантові точки) Звичайна макро- спектроскопія Конфокальна мікроспектроскопіяСпектроскопія ближнього поля Оптична мікро-спектроскопія Люмінесценція, Нано-люмінесценція Мікро-КРС, Нано-КРС, підсилене голкою КРС (TERS) поглинання, відбивання, фотопровідність і інш. ЗмістЗміст Плазмова нано- спектроскопія (TERS)
  • 3. Нові метрології наноелектронікиНові метрології наноелектроніки
  • 4. Іонна областьІонна область Молекулярна областьМолекулярна область Макромолекулярна областьМакромолекулярна область Мікро-областьМікро-область Скануючий тунельний мікроскоп Скануючий електронний мікроскоп 1 нм1 нм 10 нм10 нм 50-100 нм50-100 нм 1000 нм1000 нм Діаметр нанотрубки Вірус Бактерія Квантова точка еритроцити 1 нм1 нм 10 нм10 нм 100 нм100 нм 1000 нм1000 нм Одно-електронний транзистор Оптичний мікроскоп конфокальний мікроскоп Спектроскопія ближнього поля Плазмова нано-спектроскопія Діапазон застосування мікроскопічних методикДіапазон застосування мікроскопічних методик 400 нм400 нм200 нм200 нм 20 нм20 нм 1 нм = 10-9 м в 10 000 разів менше діаметра людської волосини. Один кубічний нанометр (нм)3 приблизно в 20 разів більше об’єму індивідуального атома.
  • 5. Постулат БораПостулат Бора:: в потенціальній ямі дозволені лише ті траєкторії руху електронав потенціальній ямі дозволені лише ті траєкторії руху електрона (рівні(рівні енергії) для яких імпульсенергії) для яких імпульс ppnn і ширина ямиі ширина ями LLzz пов'язані співвідношеннямпов'язані співвідношенням:: Рівні енергії в ямі:Рівні енергії в ямі: 2 * , * , 2 2 1 2       == L n mm p E hehe n n π n –n – номер квантового стану.номер квантового стану....3,2,1,n, == nLpn π Просторове обмеження в наноструктурахПросторове обмеження в наноструктурах CdSCdS CdSeCdSe CdTeCdTe SiSi GG ee 11 22 33 44 55 00       = 2 2 2 * dk Ed m  - залежить від кривизни- залежить від кривизни дисперсіїдисперсії (матеріалу, типу(матеріалу, типу частинки та її швидкості)частинки та її швидкості) )kЕ(  Ефективна масаЕфективна маса LL = 5= 5 нмнм →→ EE11 = 0.02= 0.02 еВ,еВ, длядля mm** ≈≈ 0.10.1 mm00,, ((mm00 = 10= 10-27-27 гг)) EE11 = 0.2= 0.2 еВеВ НапівпровідникНапівпровідник mmcc** mmhh** GaN 0.2 0.8 CdS 0.2 0.9 CdSe 0.13 0.8 CdTe 0.11 0.35 GaAs 0.07 0.5 Si 0.98 повздовж. 0.19 попереч. 0.52 Ge 1.58 повздовж. 0.08 повздовж. 0.3 Ефективна маса електрона і діркиЕфективна маса електрона і дірки
  • 6. Спектри фотолюмСпектри фотолюміінесценціі нанокристаллівнесценціі нанокристаллів SiSi .0 збуджgФЛ EEEh −∆+=ν Зміна Eg (Si) внаслідок конфайменту в 1, 2 і 3 напрямках.. Довжина хвилі, мкм Енергія фотонів, еВ ІнтенсивністьФЛ,відн.од. Із зменшенням розмірів нанокристаллів Si спектр їхІз зменшенням розмірів нанокристаллів Si спектр їх люмінесценціїлюмінесценції зсувається у високоенергетичнузсувається у високоенергетичну (короткохвильову) область внаслідок(короткохвильову) область внаслідок квантового размірногоквантового размірного ефекту (конфайменту)ефекту (конфайменту) 55-6-6 нмнм 3D 1D 2D
  • 7. Інформація про наноматеріали із КРС – і ФЛ-данихІнформація про наноматеріали із КРС – і ФЛ-даних
  • 8.  Діаметр пятнаДіаметр пятна збудження ~100 мкмзбудження ~100 мкм  флуктуації розмірів, форми і компонентного складуфлуктуації розмірів, форми і компонентного складу КТ призводять до неоднорідного уширення смугиКТ призводять до неоднорідного уширення смуги випромінювання, яке складає ~20÷30 меВвипромінювання, яке складає ~20÷30 меВ  Густина КТ ~10Густина КТ ~101010 ÷10÷101111 смсм-2-2 - одночасно збуджуються- одночасно збуджуються ~10~1066 ÷10÷1077 КТКТ
  • 9. Фотолюмінесценція InGaAs КТ Single quantum dots: fundamentals, applications and new concepts/ Peter Michler (Еd.)/ Springer-Verlag, Berlin, 2003. InGaAs КТ 2К
  • 10. Атомно-подобнАтомно-подобний дискретний спектрий дискретний спектр InAsInAs КТКТ EE00Eg Ec Ev е2 е1 е0 h0 h1 h2 d хPhys. stat. sol. (a) 203 (10) (2006) 2403 B. L. Liang, Zh. M. Wang, Yu. I. Mazur, V. V. Strelchuk, and G. J. Salamo EE11EE22 a b c
  • 11. Фотолюмінесценція багатошаровихФотолюмінесценція багатошарових 8х(In8х(InxxGaGa1-x1-xAs(14МШ)/GaAs(70(МШ))As(14МШ)/GaAs(70(МШ)) структур з різноюструктур з різною концентрацієюконцентрацією індію в Inіндію в InxxGaGa1-x1-xAs шарах.As шарах. EEзбзб = 2.41 еВ.= 2.41 еВ. Енергія, еВ 1 нм1 нм 100 нм100 нм
  • 12. 1.1 1.2 1.3 1.4 1.2 1.3 1.4 2 періода 1177 перідівперідів 1717 періодівперіодів Еexc=2.32 eV 8 К xx = 0.30,= 0.30, ddInGaAsInGaAs = 1= 166..33 МСМС P = 30P = 30%% xx = 0.50,= 0.50, ddInGaAsInGaAs = 5.7= 5.7 МСМС P = 14P = 14%% xx = 0.50,= 0.50, ddInGaAsInGaAs = 9.8= 9.8 МСМС P =P = 5%5% Θ+Θ= − 2 ]011[ 2 ]110[ cossin III[ ] [ ] [ ] [ ] )()( 011110011110 IIIIP +−= −− ФЛФЛ анізотропіяанізотропія InInxxGaGa1-x1-xAs/GaAs(100)As/GaAs(100) наноструктурнаноструктур 1.0 1.0 0.8 1.0 1.0 0.7 1.0 1.0 0.5 Энергия, эВ Энергия, эВ 1.2 1.3 1.4 Энергия, эВ
  • 13. ωωSiSi--SiSi == 520.2 - 62520.2 - 62xx ωωSi-GeSi-Ge == 400.5 + 14.2400.5 + 14.2xx ωωSi-SiSi-Si == 520.2520.2 -- 6262xx –– 815815εε ωωSi-GeSi-Ge == 400.5400.5 ++ 14.214.2xx -- 575575εε ωωGe-GeGe-Ge == 282.5282.5 ++ 1616xx -- 385385εε Tsang et al,Tsang et al, J. Appl. Phys. 75 (12)1994.J. Appl. Phys. 75 (12)1994. Chen et al,Chen et al, Physical review B, V. 65, 233303Physical review B, V. 65, 233303 КРС: зондування шарів різної глибиниКРС: зондування шарів різної глибини ДовжинаДовжина хвилі лазера,хвилі лазера, нмнм ГлубинаГлубина проникненняпроникнення вв SiSi, нм, нм ГлубинаГлубина проникненняпроникнення вв GeGe, нм, нм 633 3000 32 514 762 19,2 488 569 19 457 313 18,7 325 ~10 ~ 9 244 ~ 6 ~ 7 Підкладка Si 1515 нмнм 11 мкммкм 33 мкммкм ГрадієнтніГрадієнтні SiGeSiGe шаришари SiGe буф.шар Si покрив. шар 325325 нмнм 488488 нмнм 633633 нмнм 785785 нмнм ЗбудженняЗбудження
  • 14. Е Е Е 2D шар КТ Езб 2LO(2D) 2LO(KT) LO(2D) ФЛ Вихідний резонанс Вхідний резонанс LOзб 20EE ω+= 0EE =зб D E2 0 LO2 ω KT E0 KT E0
  • 15. Спектри РКРС і умови збудженняСпектри РКРС і умови збудження x=0,35 Частота, см-1 x=0 x=0,35 291,7 см-1 266,5см-1 528 см-1 576 см-1 x=0,30 Езб = 1,16 еВ (λзб = 1.06 мкм)
  • 16. x ТР Inх Ga1-х As ВРРД 0.65 234 262.8 2.5 -3 ≈242.4 ≈264 0.25 235.8 282.4 7.3 3.4 – ≈242.4 ≈286.5 like GaAs LO −)(0ω like InAs LO −)(0ω likeGaAs екс LO −)( ω likeInAs екс LO −)( ω confω∆eкс strω∆теор strω∆ Аналіз компонентногоАналіз компонентного складу шарівскладу шарів InInxxGaGa1-x1-xAs/GaAsAs/GaAs ( ) ,28,343,292 2 xxxLO −−=ω ( )yyxxzzstr KK εεεω ++=∆ 1211 ~ 2 1~ 2 1 z z L n q π =
  • 17. ВВиисокосокоііндекснндексніі ((n11n11) п) піідкладкидкладки (100)(100) (711)(711) (11.4º)(11.4º) ((5511)11) (15.8º)(15.8º) ((4411)11) (19.5º)(19.5º) ((3311)11) (25.2º)(25.2º) ((1111)11) (54.7º)(54.7º) AsAs GaGa [100] [011][01-1] (411)B (211)B (311)B терасса ступень [011]
  • 18. ОднорідністьОднорідність InGaAsInGaAs -наноструктур на-наноструктур на високоіндекснвисокоіндексниихх GaAs(n11)GaAs(n11) підкладкахпідкладках 511511 911911 100100 Покращення латерального впорядкування і однорідностіПокращення латерального впорядкування і однорідності розміріврозмірів InGaAsInGaAs КТ !!!КТ !!! Фур’є перетворення Т= 8 К Езб=2,33 еВ Інтенсивністьфотолюмінесценції Інтенсивність ФЛ Напівширина ФЛ,меВ Енергія,еВ Енергія, еВ Відхилення від (100), град B.L.Liang, Zh.M.Wang, Yu. I. Mazur, V. V. Strelchuk,.. Nanotechnology 17 (2006) 2736
  • 19. Випромінювальна рекомбінація вВипромінювальна рекомбінація в CdSe/ZnSeCdSe/ZnSe наноструктурахнаноструктурах 1,5 МШ1,5 МШ3 МШ3 МШ 1,5 МШ1,5 МШ МікрокатодолюмінесценціяМікрокатодолюмінесценція CdSe/ZnSe 3,15 МШCdSe/ZnSe 3,15 МШ 10 К 5 К 10 К еВ31,2max =ФЛ E меВ41=Г еВ58,2max =ФЛ E меВ24=Г меВ21≈∆ стоксE
  • 20. 1,5 МШ1,5 МШ 3,0 МШ3,0 МШ КРСКРС CdSe/ZnSCdSe/ZnS ee структурструктур Езб=2,54 еВ Езб=2,41 еВ Езб=2,54 эВ Езб=2,41 эВ
  • 21. 2.52 2.56 2.64 0 1.0 0.5 2.28 2.3 2.34 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 Короткочасова ФЛКороткочасова ФЛ CdSe/ZnSeCdSe/ZnSe структурструктур Енергія, еВ Енергія, еВЧасзатухання,нс CdSe 1,5 МШ CdSe 3,0 МШ ( ){ }0exp1 )( EEE E me випр −+ = τ τ , 1111 перенневипрвипрФЛ ττττ ++=
  • 22. Дифракційна межа розділу оптичних приладів Дифракція в паралельних променях (Фраунгофера) Зелена крива – розподіл інтенсивності у фокальній площині (масштаб по х сильно збільшений) Дифракційне центральне світле пятно (диск Ейрі) → приймається за точкове джерело світла радіусом r = 1,22 (λ/D) F ( ≈85% енергії світла) Дифракція на круглому отворі Роздільна здатність характеризується не кутовою, а лінійною відстанню між двома близькорозташованими точками об’єкту, які ще можуть сприйматись окремо. α λ sin 61,0 min ⋅ = n r 5,1;1sin; 2 =≈≈ nα π α λ4,0min ≈r
  • 23. Конфокальна мікроскопіяКонфокальна мікроскопія ЗвичайнийЗвичайний мміікроскопкроскоп – у фотоприймач– у фотоприймач попадає світло від різних точок зразкапопадає світло від різних точок зразка.. ДіафрагмаДіафрагма покращує контрастпокращує контраст - зменшує- зменшує вклад від областей зразку поза точкоювклад від областей зразку поза точкою фокусування.фокусування. Світлоподільна пластинка спрощуєСвітлоподільна пластинка спрощує конструкцію мікроскопа.конструкцію мікроскопа. Роздільна здатністьРоздільна здатність Конфокальний мікроскопКонфокальний мікроскоп 2 22 65.1 sin 5.1 ,88.0 sin 44.0      ′== Θ =∆ =′ ′ = Θ = D F NA n n z nдеF Dn r conf conf λ λλ λλ λλ F Dn rresel λλ ′ = Θ = 22.1 sin 61.0 Звичайний мікроскопЗвичайний мікроскоп Robert H. Webb Rep. Prog. Phys. 59 (1996) 427-471. 1 2 Підвищення контрастуПідвищення контрасту за рахунокза рахунок аналізу (фокусування) точки збудженняаналізу (фокусування) точки збудження.. 3 4 Θ
  • 24. 1 5 2 3 4 Сапфир GaN/ AlGaN А1(ИК, КРС) + E1(ИК, КРС) + 2Е2 (КРС) + 2В1 (неакт). 0 5 10 15 20 570,8 571,0 571,2 571,4 ω(Ehigh 2(GaN)),сm-1 I(E high 2 (GaN) / I (A1g (s) 3,0 3,2 3,4 3,6 FWHMEhigh 2 (GaN),сm-1 414 416 418 420 422 Інтенсивність,відн.од. Частота, см -1 Г=4,1 см -1 4 1 Al2 O3 підкладка 418,2 to 418,7 СпектрСпектрии конфокального мікро-конфокального мікро- КРСКРС GaNGaN//GaAlNGaAlN//AlAl22OO33 структуриструктури
  • 25.  1928 р.1928 р. - вперше- вперше запропонованозапропоновано EE..HH.. SynghSyngh  11972 р.972 р. -- спостерігалосьспостерігалось EE..AA.. AshAsh вв дослідахдослідах зз мікрохвилямимікрохвилями  початокпочаток 80-х80-х роківроків отриманоотримано розділеннярозділення λλ/20 (/20 (DD..WW.. PohlPohl ,, ЛабораторіяЛабораторія ІВМ, Цюріх)ІВМ, Цюріх) Спектроскопія ближнього поляСпектроскопія ближнього поля поєднує елементи звичайної оптики і скануючої зондовоїпоєднує елементи звичайної оптики і скануючої зондової мікроскопіїмікроскопії
  • 26. Основи ближньопольової спектроскопіїОснови ближньопольової спектроскопії PP00 λλ00 2a 2a<<2a<<λλ00 ΙΙEEΙΙ22 = const= const Проходження світла через отвірПроходження світла через отвір в екранів екрані діаметромдіаметром 2а2а <<<< λλoo.. Линії постійнної інтенсивності оптичногоЛинії постійнної інтенсивності оптичного випромінювання поблизу отвору.випромінювання поблизу отвору. Z < 100 ÅZ < 100 Å –– ближня зонаближня зона в якій електромагнітне поле існує у вигляді еванесцентнихв якій електромагнітне поле існує у вигляді еванесцентних (стаціонарних) мод локалізованих поблизу діафрагми.(стаціонарних) мод локалізованих поблизу діафрагми. Z > 100 ÅZ > 100 Å –– дальня зонадальня зона в якій поширюються лише випромінювальні моди.в якій поширюються лише випромінювальні моди. ДляДля λλ = 500 нм= 500 нм іі 2а = 5 нм2а = 5 нм потужність випромінювання в дальній зоніпотужність випромінювання в дальній зоні Р = 10Р = 10-10-10 PPоо ВВ результаті взаємодії еванесцентних мод із досліджуваним зразкомрезультаті взаємодії еванесцентних мод із досліджуваним зразком розміщеним перед отвором у ближній зоні частина енергіїрозміщеним перед отвором у ближній зоні частина енергії електромагнітного поля перейде у випромінювальні моди, інтенсивністьелектромагнітного поля перейде у випромінювальні моди, інтенсивність яких реєструється фотоприймачемяких реєструється фотоприймачем..
  • 27. Спектроскопія ближнього поляСпектроскопія ближнього поля Апертурна і безапертурна ближньопольна спектроскопіяАпертурна і безапертурна ближньопольна спектроскопія Діаметр світлового пятнаДіаметр світлового пятна ≈≈dd ((h,d <<h,d << λλ)) Схема оптоволоконногоСхема оптоволоконного ближньопольового зондаближньопольового зонда Блок-схемаБлок-схема ближньопольового мікроскопаближньопольового мікроскопа 1.1. Загострене оптичне волокно;Загострене оптичне волокно; 2.2. Металічне покриття;Металічне покриття; 3.3. Випромінювання;Випромінювання; 4.4. Вихідна апертура зонда (Вихідна апертура зонда (d<<d<<λλ);); 5.5. Поверхня зразка;Поверхня зразка; 6.6. Відстань між зразком іВідстань між зразком і апертурою зонда (апертурою зонда (h<<h<<λλ)).. 1.1. МікрообМікрооб’’єктив, що працює уєктив, що працює у відбитому світлі;відбитому світлі; 2.2. МікрообМікрооб’’єктив, що працює уєктив, що працює у прохідному світлі.прохідному світлі.
  • 28. Проблеми ближньопольноїПроблеми ближньопольної спектроскопіїспектроскопії  Низька ефективність освітлення обНизька ефективність освітлення об’’єкта -єкта - ~~1010-6-6 ÷10÷10-4-4 від введеного у волокновід введеного у волокно світла.світла. Інша його частина поглинається металічним покриттям зонду іІнша його частина поглинається металічним покриттям зонду і нагріває йогонагріває його;; При потужності випромінювання на кінці зонду ~10 нВт плавиться алюмінієвеПри потужності випромінювання на кінці зонду ~10 нВт плавиться алюмінієве покриття.покриття.  розподіл температури в зонді залежить від його мікрогеометрії структурирозподіл температури в зонді залежить від його мікрогеометрії структури поля при вершині.поля при вершині.  при зменшені радіусапри зменшені радіуса rr діафрагми швидко спадає детектований сигналдіафрагми швидко спадає детектований сигнал (I ~(I ~ rr66 ).).
  • 29. Мікро і Нано-КРС зображенняМікро і Нано-КРС зображення КРС зображення однієї вуглецевої нанотрубки (КРС зображення однієї вуглецевої нанотрубки (SWNT).SWNT). Контраст відповідає локальній інтенсивностіКонтраст відповідає локальній інтенсивності G'G' смуги (2640 смсмуги (2640 см-1-1 )) Anderson et.al.Anderson et.al. J. Am. Chem. Soc. 127 (2005) 2533.J. Am. Chem. Soc. 127 (2005) 2533.
  • 30. Фотонний кристал ізФотонний кристал із PbSePbSe КТКТ:: (a, c, e)(a, c, e) топографія поверхнітопографія поверхні фотонного кристала і оптичнефотонного кристала і оптичне випромінюваннявипромінювання PbSePbSe КТКТ (b, d, f)(b, d, f) зареєстроване ближньопольною спектроскопієюзареєстроване ближньопольною спектроскопією.. λλ = 632,8= 632,8 нмнм ((He-NeHe-Ne лазер)лазер),, обоб’’єктивєктив Olympus 40x, NA=0.6.Olympus 40x, NA=0.6. Li J, et.al. OPTICS EXPRESS 14 (2006)10740.Li J, et.al. OPTICS EXPRESS 14 (2006)10740. АСМ топографія поверхніАСМ топографія поверхні Ближньопольна спектроскопіяБлижньопольна спектроскопія випромінюваннявипромінювання PbSePbSe КТКТ Локалізація екситонів в одній вуглецевій нанотрубціЛокалізація екситонів в одній вуглецевій нанотрубці
  • 31. Локальне підсилення ≈Локальне підсилення ≈ 101033 - 10- 1055 ЛатеральнеЛатеральне розділеннярозділення ≤≤ 5050 нмнм Нано-КРС = КРС + АСМНано-КРС = КРС + АСМ
  • 32. Підсилене вістрям комбінаційне розсіянняПідсилене вістрям комбінаційне розсіяння світла (світла (TERS – tip enhancement Raman scatteringTERS – tip enhancement Raman scattering)) КРС вуглецевих нанотрубокКРС вуглецевих нанотрубок::  А) конфокальне зображення зА) конфокальне зображення з розділеннямрозділенням ≈≈300нм300нм;;  В)В) TERSTERS зображення з просторовимзображення з просторовим розділеннямрозділенням ≈≈20нм20нмПідсилене поле на вістрі голкиПідсилене поле на вістрі голки у фокальній точці лазерногоу фокальній точці лазерного пучка локально взаємодіє ізпучка локально взаємодіє із зразкомзразком..
  • 33. Gucciardi et al., J. Microsc. 209, 228 (2003)Gucciardi et al., J. Microsc. 209, 228 (2003) Нано-КРС зображенняНано-КРС зображення TCNQTCNQ АСМ-зображенняАСМ-зображення КРС (1453 смКРС (1453 см-1-1 )) TCNQTCNQ –– tetracyanoquinodimethanetetracyanoquinodimethane crystalcrystal
  • 34.
  • 36. InIn0,60,6 GaGa0,40,4 As/GaAsAs/GaAs,, ТТрр = 500= 500 00 ССCdSe/ZnSeCdSe/ZnSe InAs/GaAs КТ Ge/SiGe/Si КТКТ К о н ц е н т р а ц ія ( % )G e Висотанм() 4 8 1 2 1 4 Л а т е р а л ь н а в ід с т а н ь н м )( - 4 0 - 3 0 - 2 0 - 1 0 0 1 0 2 0 3 0 4 0 0 5 0 1 0 0 >35% Si > 65% Ge MalachiasMalachias A.A.,, et.al. // Phys. Rev.et.al. // Phys. Rev. Lett.Lett. 9191 (200(20033) 1) 17610176101.. Kegel I., et.al. Phys. Rev. Lett. 85 (2000) 1694. Peranio N., et.al. Phys. Rev. BPeranio N., et.al. Phys. Rev. B.. 6161 ((20002000)) 1601516015.. Rosenauer A.Rosenauer A. at al //at al // Phys. Rev. B. 61 (2000) 8276.Phys. Rev. B. 61 (2000) 8276.
  • 37. GaAsGaAs захисний шарзахисний шар (In,Ga)As КТ(In,Ga)As КТ h ≈ 4-5 нмh ≈ 4-5 нм GaAs підкладкаGaAs підкладка GaAs буферGaAs буфер Змочуючиий шарЗмочуючиий шар dd ≈≈ 1 нм1 нм (In,Ga)As/GaAs(In,Ga)As/GaAs 11 22 11 22 2211 11 [001] [011] 1 2 [011] ~80-85 нм Спектри КРССпектри КРС InIn0.450.45GaGa0.550.55As/GaAsAs/GaAs strconfкомпон КТD ωωωω ∆+∆+= . )(2 .exp анізотропія фононованізотропія фононов Угол, градус Интенсивню,отн.ед. 22D-D-змочуючий шар - х ≈ 25%змочуючий шар - х ≈ 25% Квантові точки - х ≈ 60%Квантові точки - х ≈ 60%

Editor's Notes

  1. 1 нм = 10-9 м в 10 000 разів менше діаметра людської волосини. Один кубічний нанометр (нм)3 приблизно в 20 разів більше об’єму індивідуального атома.
  2. На наступному слайді показано як змінюється кутовий розподіл інтенсивності випромінювання КТ в упорядкованих структурах. Збудження спектрів ФЛ здійснювалось з енергією кванта 2,33 еВ, що значно більше ширини забороненої зони GaAs. Фотозбуджені носії термалізуючись на квантово-розмірні рівні КТ втрачають свою поляризаційну пам’ять. У всіх випадках спостерігається відмінність інтенсивності випромінювання вздовж [0-11] і [011] напрямків. Для ідеальної кубічної структури (симетрія Td) і тетрагональної структури (симетрія D2d) ці напрямки еквівалентні. Ми провели структурні дослідження цих структур методом високо-роздільної рентгенівської дифракції. Виявилось, що просторове впорядкування КТ і КН приводить до утворення квазіперіодичного розподілу деформаційних полів внаслідок чого має місце пониження кристалографічної симетрії системи від ідеальної тетрагональної до С2v (близької до моноклінної). В результаті напрямки [0-11] і [011] стають нееквівалентними. Таким чином ми встановили, що оптична анізотропія випромінювання обумовлена наявністю значних квазіперіодичних деформаційних полів, які зумовлюють пониження симетрії системи. Слід зазначити, що подібний ефект пониження симетрії системи і оптична анізотропія екситонного випромінювання спостерігалась у випадку надграток CdTe/CdMnTе. Крім того, ми вважаємо, що додатковий вклад в анізотропію випромінювання може давати анізотропія форми КТ.
  3. Таблиця – експериментальні і розраховані частоти LО фононів.
  4. Спектр ФЛ двох зразків із товщиною вставки 1,5 МШ, і 3,0 МШ. 3,0 МШ – максимум ФЛ (5К) ≈ 2,306 еВ Низькоенергетичне зміщення смуги ФЛ для зразка 3,0 МШ в порівнянні з 1,5 МШ зумовлене зростанням вмісту Cd як в малих острівцях, так і в 2D-шарі, товщина якого практично не змінюється. Збільшується напівширина від 24 меВ (1,5 МШ) до 41 меВ (3,0 МШ). Інтенсивність смуги ФЛ зменшилася більш, ніж в два рази – це означає, що в товстішому зразку ефективність випромінювання істотно падає. Причиною цього є значне зростання ролі дефектів структури. Особливо критичний влив номінальної товщини CdSe на ефективність ФЛ має місце при товщинах, що перевищують 3,0 МШ. Так, для зразка 3,15 МШ нам не вдалося зареєструвати ФЛ при тих же умовах збудження та реєстрації. Такий різкий товщинний ефект може вказувати на початок пластичної релаксації напружень в шарі CdxZn1-xSe. Однак, принаймні, частина острівців, ще зберігає як свої розміри, так і компонентний склад. Про це свідчить отриманий спектр мікрокатодолюмінесценції зразка 3,15 МШ, для якого спектральне положення смуги свічення практично не змінюється у порівнянні з ФЛ зразка 3,0 МШ, а спостерігається невелике збільшення напівширини. Показаний спектр збудження люмінесценції CdxZn1-xSe острівців, який відображає характер густини енергетичних станів, а спостережувані піки відповідають переходам між підзонами розмірного квантування електронів і дірок. СЗЛ для станів, які відповідають низькоенергетичній частині смуги ФЛ практично не залежать від енергетичного положення детектування. Це означає, що в цьому енергетичному інтервалі смуга ФЛ формується глибокими станами з яких не відбувається подальша релаксація енергії і, відповідно, їх можна розглядати як основні стани острівців, а СЗЛ відповідає спектру поглинання екситонів в острівцях. У високоенергетичній області СЗЛ спостерігаються два чітких піки (hh-lh розщеплення), які відповідають екситонним переходам легких та важких дирок ZnSe (, ), що є прямим доказом наявності в ZnSe бар&amp;apos;єрних шарах досліджуваних структур механічних напружень. Наявність такої структури в області ZnSe свідчить про високу ефективність збудження локалізованих екситонів в острівцях через матрицю ZnSe. Ефект локалізації екситонів в окремих CdSe острівцях спостерігається в низькотемпературних спектрах мікро-ФЛ при співмірності латеральних розмірів острівців із екситонним радіусом Бора (для CdSe RБ ≈ 5 нм). Якщо латеральний розмір CdXZn1-XSe острівців більший 5 нм спектр екситонних станів практично не залежить від латеральних розмірів острівців, а енергетичне положення глибоких станів, які відповідають 3D-подібним острівцям, визначається концентрацією Cd в острівцях. Латеральні неоднорідності концентрації Cd приводять до значного неоднорідного уширення енергетичного спектра випромінювання (смуги макро-ФЛ). В такій системі із складним ландшафтом потенціальної енергії локалізації ефективність процесів латеральної міграції екситонів є достатньо високою. 3D-подібні острівці забезпечують сильну локалізацію екситонів, що зумовлено високим вмістом в них Cd, великим об&amp;apos;ємом, і низькою густиною (~200 мкм-2). Міграція екситонів між глибокими центрами локалізації практично повністю відсутня. При низьких температурах процес латеральної міграції екситонів є важливим для 2D-подібних острівців в порівняні з великими 3D-подібними острівцями. Латеральна міграція екситонів в більш глибокі центри локалізації проявляється в довгохвильовому (стоксовому) зсуву екситонної лінії випромінювання острівців відносно е1 – h1 піка СЗЛ.
  5. Показані спектри КРС при нерезонансних і резонансних умовах збудження. 1,5 МШ – В спектрі резонансного КРС спостерігається значне збільшення інтенсивності розсіяння на LO фононах. В спектрі чітко проявилося низькочастотне зміщення LO-фонона (ωLO = 249 см–1) в порівнянні з нерезонансним спектром. Це зміщення особливо очевидне для 2LO- і 3LO-фононних ліній ( 497 см–1, 745см–1 ). Виявлена різниця частоти LO-смуги відносно її значення = 253 см–1 для об’ємного нелегованого ZnSe відповідає твердому розчину CdxZn1-xSe складу х  8 %. LO-фононні смуги при резонансі асиметричні і розширені (ГLO11 см–1 і Г2LO18,5 см–1), що може бути наслідком неоднорідності розподілу напружень та градієнтному розподілу Cd в двомірному CdxZn1-xSe шарі. отримане значення х менше вмісту Cd не тільки в збагачених острівцях, але і в двомірному ZnCdSe-шарі. Можуть бути дві причини цієї розбіжності. Головна полягає в тому, що вставка CdxZn1-xSe при “докритичних” товщинах 1,5 МШ і 3,0 МШ знаходиться в сильно стиснутому стані, що підвищує частоти фононів. При тисках в діапазоні близько 10 кбар зміщення Δω може складати декілька см–1. 3,0 МШ. При переході до зразка 3,0 МШ з більшим вмістом Сd неоднорідності компонентного складу вставки і напружень в квантовому шарі повинні відігравати ще більшу роль. Цьому не суперечать наші експериментальні дані при резонансному збудженні (Езб = 2,41 еВ). В спектрі КРС знову домінує розсіювання на LO-фононах вставки CdxZn1-xSe. Збільшення вмісту Cd в двовимірному шарі і особливо в острівцях проявилося в подальшому зменшені частоти LO фонона (ωLO ≈ 246 см–1) в порівнянні із зразком 1,5 МШ. Оцінене значення компонентного складу (х  14%) для областей вставки CdxZn1-xSe ще більше відрізняється від середніх значень х для шару та острівців (19 % та 35 %, відповідно), отриманих з електронно-мікроскопічних даних. Цікаво відзначити, що при резонансному збудженні в межах смуги ФЛ ми отримали різні значення частот LO. Це дозволяє нам стверджувати, що відповідальними за уширення смуги ФЛ є флуктуації компонентного складу.
  6. На закодованому в градації кольорів розподілі інтенсивності ФЛ спостерігаються два помітних ефекти: (і) уширення і низькоенергетичне зміщення максимуму смуги ФЛ для зразка 3.0 МШ, в порівнянні з 1.5 МШ, що обумовлено збільшенням як концентрації Cd, так і флуктуацій розмірів острівців; (іі) драматичне зменшення констант затухання випромінювання в області високоенергетичного крила смуги ФЛ (криві 5). Останнє зумовлено ефектом міграції екситонів між мілкими центрами локалізації, що приводить до 2D-подібного характеру їх локалізації в 2D CdхZn1-хSe острівцях. Екситони залишаються сильно локалізованими лише в 3D-подібних острівцях, які відповідальні за низькоенергетичне крило смуги ФЛ. Більш детальний аналіз спектрів короткочасової ФЛ досліджуваних структур приведений …. Випромінювальний час життя локалізованих екситонів і середню енергію зв’язку ми оцінили скориставшись відомою залежністю τ(Е), яка описує процес латерального переносу енергії в масивах наноострівців високої густини. Вважається, що хвости густини станів структури формуються дисперсією розмірів і компонентного складу і описується експоненціальною залежністю пропорційною . Залежність часу затухання ФЛ локалізованих екситонів від спектрального положення випромінювання має вигляд: , (4.3) де випромінювальний час життя, відповідає енергії при якій час затухання рівний часу латерального переносу і інтерпретується як край рухливості екситонів. характеристична енергія для густини станів, яка відповідає середній енергії локалізації в нанострівцях. Отримані в результаті моделювання параметри показані на рис. Отже, методом ФЛ ми експериментально отримали підтвердження домінуючого внеску флуктуацій компонентного складу в неоднорідне уширення смуги випромінювання наноострівців CdХZn1-ХSe. Дослідження спектрів короткочасової ФЛ показали ефективність латеральної міграції екситонів в щільних масивах CdХZn1-ХSe острівців.