Хімія, фізика та технологія поверхні, 2020, 11 (1), 115-127.

Когерентні осциляції в ІЧ-спектрах 2D структур макропористого кремнію з поверхневими нанопокриттями



DOI: https://doi.org/10.15407/hftp11.01.115

L. A. Karachevtseva

Анотація


Одним з перспективних матеріалів для розробки двовимірних фотонних структур є макропористий кремній, отриманий за допомогою фотоанодного травлення. Наявність періодично розташованих циліндричних пор, розділених кремнієвими колоннами, забезпечує велику ефективну поверхню структур, покращує оптичні та фотофізичні характеристики макропористого кремнію. У даній роботі досліджені осциляції ІЧ-поглинання двовимірними структурами макропористого кремню з мікропористими шарами кремнію, SiO2 нанопокриттями та CdTe, ZnO поверхневими нанокристалами з врахуванням електро-оптичного ефекту Ваньє-Штарка. Аналіз експериментальних спектрів поглинання здійснено в рамках моделі резонансного розсіювання електронів з нескінченною амплітудою на повехневих станах у сильному електричному полі, з різницею між двома резонансними енергіями, що дорівнює сходинці Ваньє–Штарка. Постійність періоду осциляцій вказує на реалізацію ефекту Ваньє–Штарка на довільно розподілених поверхневих станах на межі поділу «кремній-нанопокриття». Проведено порівняння ІЧ поглинання світла в 2D структурах макропористого кремнію з поверхневими нанопокриттями, проаналізовані зрушення і відхилення вершин коливань. Когерентність осциляцій ІЧ-спектрів підвищується в результаті зменшення концентрації поверхневих станів та оптимальної площі  контакту нанокристалів до поверхні макропор. Таким чином, зсув осциляцій для наночастинок ZnO з оптимальним розміром нанокристалів (3.7–4.4 нм) призводить до відхилень коливань у межах 0.26–0.42 меВ, тобто узгодженість коливань досягає 0.25–0.4 %. Малий параметр уширення сходинок Ваньє-Штарка G = 0.3¸0.8 см–1 дорівнює цьому параметру для поверхневих тонких плівок напівпровідників II-VI. Контрольованість і когерентність дослідженої системи визначається формуванням когерентних рівнів Ваньє у вузькій трикутній потенціальній ямі, сформованій в електричному полі на межі поділу «кремній-нанопокритя». В результаті було запропоновано висококогерентний оптичний квантовий комп'ютер на основі реалізації квантового електро-оптичного ефекту Ваньє-Штарка на кремнієвій матриці з макропорами і шаром нанокристалів на поверхні макропор.


Ключові слова


2D структури макропористого кремнію; поверхневі нанопокриття; ІЧ спектри; когерентні осциляції

Повний текст:

PDF (English)

Посилання


1. Birner A., Wehrspohn R.B., Gösele U.M., Busch K. Silicon‐Based Photonic Crystals. Adv. Mater. 2001. 13(6): 377. https://doi.org/10.1002/1521-4095(200103)13:6<377::AID-ADMA377>3.0.CO;2-X

2. Karachevtseva L.A. Two-dimensional photonic crystals as perspective materials of modern nanoelectronics. Semiconductor Physics, Quantum Electronics and Optoelectronics. 2004. 7(4): 430. https://doi.org/10.15407/spqeo7.04.430

3. Karachevtseva L.A., Glushko A.E., Ivanov V.I., Lytvynenko O.O., Onishchenko V.F., Parshin K.A., Stronska O.J. Out-of-plane optical transmittance of 2D photonic macroporous silicon structures. Semiconductor Physics, Quantum Electronics and Optoelectronics. 2007. 10(2): 51. https://doi.org/10.15407/spqeo10.02.051

4. Glushko A., Karachevtseva L. Photonic band structure of oxidized macroporous silicon. Opto-Electron. Rev. 2006. 14(3): 201. https://doi.org/10.2478/s11772-006-0026-9

5. Glushko A., Karachevtseva L. PBG properties of three-component 2D photonic crystals. Photonics Nanostruct. Fundam. Appl. 2006. 4(3): 141. https://doi.org/10.1016/j.photonics.2006.02.003

6. Karachevtseva L., Karas N., Onischenko V., Sizov F. Surface polaritons in 2D macroporous silicon structures. Int. J. Nanotechnol. 2006. 3(1): 76. https://doi.org/10.1504/IJNT.2006.008722

7. Holiney R.Yu., Matveeva L.A., Venger E.F., Karachevtseva L.A., Lytvynenko O.A. Electroreflectance study of macroporous silicon surfaces. Appl. Surf. Sci. 2001. 172(3-4): 214. https://doi.org/10.1016/S0169-4332(00)00861-8

8. Karachevtseva L.A., Ivanov V.I., Lytvynenko O.O., Parshin K.A., Stronska O.J. The impurity Franz-Keldysh effect in 2D photonic macroporous silicon structures. Appl. Surf. Sci. 2008. 255(5): 3328. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2008.09.038

9. Karachevtseva L., Kuchmii S., Lytvynenko O., Sizov F., Stronska O., Stroyuk A. Oscillations of light absorption in 2D macroporous silicon structures with surface nanocoatings. Appl. Surf. Sci. 2011. 257(8): 3331. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2010.11.016

10. Karachevtseva L., Goltviansky Yu., Sapelnikova O., Lytvynenko O., Stronska O., Bo Wang, Kartel M. Wannier-Stark electro-optical effect, quasi-guided and photonic modes in 2D macroporous silicon structures with SiO2 coatings. Appl. Surf. Sci. 2016. 388(1): 120. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2016.03.026

11. Karachevtseva L.A., Litvinenko O.A., Stronskaya E.I. Influence of Electrochemical Parameters on the Etching of Macropores in Silicon. Theor. Exp. Chem. 2003. 39(6): 385. https://doi.org/10.1023/B:THEC.0000013993.88442.0e

12. Lopez-Otero A. Hot wall epitaxy. Thin Solid Films. 1978. 49(1): 3. https://doi.org/10.1016/0040-6090(78)90309-7

13. Huber W., Lopez-Otero A. The electrical properties of CdTe films grown by hot wall epitaxy. Thin Solid Films. 1979. 58(1): 21. https://doi.org/10.1016/0040-6090(79)90201-3

14. Bilevych Ye., Soshnikov A., Darchuk L., Apatskaya M., Tsybrii Z., Vuychik M., Boka A., Sizov F., Boelling O., Sulkio-Cleff B. Influence of substrate materials on the properties of CdTe thin films grown by hot-wall epitaxy. J. Crystal Growth. 2005. 275(1-2): e1177. https://doi.org/10.1016/j.jcrysgro.2004.11.207

15. Stroyuk A.L., Shvalagin V.V., Kuchmii S.Ya. Photochemical synthesis and optical properties of binary and ternary metal-semiconductor composites based on zinc oxide nanoparticles. J. Photochem. Photobiol. A. 2005. 173(2): 185. https://doi.org/10.1016/j.jphotochem.2005.02.002

16. Mao J., Yao J.-N., Wang L.-N., Liu W.-S. Easily prepared high-quantum-yield CdS quantum dots in water using hyperbranched polyethylenimine as modifier. J. Colloid Interface Sci. 2008. 319(1): 353. https://doi.org/10.1016/j.jcis.2007.10.027

17. Karachevtseva L., Kuchmii S., Stroyuk A., Sapelnikova O., Lytvynenko O., Stronska O., Bo Wang, Kartel M. Light-emitting structures of CdS nanocrystals in oxidized macroporous silicon. Appl. Surf. Sci. 2016. 388(1): 288. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2016.01.069

18. Berezhkovskii A.M., Ovchinnikov A.A. Scattering of electrons on an impurity in a crystal in a constant electric field. Theor. Math. Phys. 1979. 39: 466. https://doi.org/10.1007/BF01014926

19. Berezhkovskii A.M., Ovchinnikov A.A. Influence of impurities on the Wannier-Stark ladder in semiconductor in a strong electric field. Phys. Status Solidi B. 1982. 110(2): 455. https://doi.org/10.1002/pssb.2221100210

20. Karachevtseva L.A., Onyshchenko V.F., Sachenko A.V. Kinetics of photoconductivity in macroporous silicon structures. Ukr. J. Phys. 2008. 53(9): 874.

21. Karachevtseva L., Goltviansky Yu., Kolesnyk O., Lytvynenko O., Stronska O. Wannier-Stark effect and electron-phonon interaction in macroporous silicon structures with SiO2 nanocoatings. Opto-Electron. Rev. 2014. 22(4): 201. https://doi.org/10.2478/s11772-014-0199-6

22. Vinogradov E.A., Zhizhin G.N., Yakovlev V.A. Resonance between dipole oscillations of atoms and interference modes in crystalline films. Sov. Phys. JETP. 1979. 50: 486.

23. Shor P.W. Scheme for reducing decoherence in quantum computer memory. Phys. Rev. 1995. A52: 2493. https://doi.org/10.1103/PhysRevA.52.R2493

24. Sleator T., Weinfurter H. Realizable Universal Quantum Logic Gates. Phys. Rev. Lett. 1995. 74(20): 4087. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.74.4087

25. Bernien H., Schwartz S., Keesling A., Levine H., Omran A. Probing many-body dynamics on a 51-atom quantum simulator. Nature. 2017. 551: 579. https://doi.org/10.1038/nature24622

26. Van der Sar T., Wang Z.H., Blok M.S., Bernien H., Taminiau T.H., Toyli D.M., Lidar D.A., Awschalom D.D., Hanson R., Dobrovitski V.V. Decoherence protected quantum gates for a hybrid solid-state spin register. Nature. 2012. 484: 82. https://doi.org/10.1038/nature10900

27. Patent UA 136455. Karachevtseva L. Method for Manufacturing of Optical Quantum Computer, Utility Model. 2019.




DOI: https://doi.org/10.15407/hftp11.01.115

Copyright (©) 2020 L. A. Karachevtseva