Исследование спектрально–кинетических свойств матриц волокон, активированных ионами Er3+. Дипломная (ВКР). Физика.
🛑 👉🏻👉🏻👉🏻 ИНФОРМАЦИЯ ДОСТУПНА ЗДЕСЬ ЖМИТЕ 👈🏻👈🏻👈🏻
Вы можете узнать стоимость помощи в написании студенческой работы.
Помощь в написании работы, которую точно примут!
Похожие работы на - Исследование спектрально–кинетических свойств матриц волокон, активированных ионами Er3+
Скачать Скачать документ
Информация о работе Информация о работе
Скачать Скачать документ
Информация о работе Информация о работе
Скачать Скачать документ
Информация о работе Информация о работе
Скачать Скачать документ
Информация о работе Информация о работе
Скачать Скачать документ
Информация о работе Информация о работе
Скачать Скачать документ
Информация о работе Информация о работе
Скачать Скачать документ
Информация о работе Информация о работе
Нужна качественная работа без плагиата?
Не нашел материал для своей работы?
Поможем написать качественную работу Без плагиата!
МИНИСТЕРСТВО
ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное
государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего
профессионального образования
«КУБАНСКИЙ
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
ВЫПУСКНАЯ
КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА БАКАЛАВРА
Исследование
спектрально - кинетических свойств матриц волокон, активированных ионами Er3+
Выпуская квалификационная работа 44 с., 12 рис.,
5 табл., 15 источников.
ОПТИЧЕСКАЯ МАТРИЦА, СПЕКТРЫ ЛЮМИНИСЦЕНЦИИ,
СПЕКТРАЛЬНО - КИНЕТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА, ИОНЫ Er3+
Объектом исследования данной дипломной работы
являются матрицы оптических волокон легированных ионами Er3+.
Целью данной работы является исследование
спектрально - кинетических свойств матриц на основе ионов Er3+. Получение
спектров поглощения и люминесценции с помощью лабораторного комплекса на основе
монохроматора МДР-204.
В ходе исследований были получены спектры
поглощения и люминесценции, а также проведен анализ полученных данных, на
основании, которого были сделаны выводы о взаимодействиях, возникающих в
исследуемых материалах, которые определяют спектральные характеристики активированных
лазерных сред.
спектральный люминесцентный кремний
матрица
На сегодняшний день оптические волокна
легированные ионами Er3+ широко используются в качестве активной среды для
волоконно-оптических усилителей EDFA (Erbium Doped Fiber Amplifier). Данный тип
усилителей является неотъемлемой частью современных волоконно-оптических систем
передачи информации, но в виду того что системы волнового уплотнения каналов
постоянно развиваются, а скорости передачи увеличиваются, возникает ряд
проблем, препятствующих развитию волоконных усилителей данного типа. В основном
данные проблемы носят материаловедческий характер, так как ряд выходных
параметров усилителей EDFA, таких как коэффициент усиления и равномерность
полосы усиления, зависят от химического состава активной среды.
Решение этих задач невозможно без ответа на
фундаментальные вопросы физики активированных сред, легированных примесями
редкоземельных элементов, такие, как: вопрос о положении в кристаллической
решетке исходного материала и микроскопической структуре оптически активного
центра редкоземельного иона; вопрос о взаимодействии редкоземельных ионов с
другими примесями и их влиянии на оптическую активность редкоземельных ионов,
вопрос об энергетической структуре оптически активного центра, а также вопросы,
касающиеся механизмов и процессов возбуждения и девозбуждения редкоземельной
примеси в твердотельных матрицах.
Актуальность данной темы состоит в том, что
существует множество материалов, которые могут быть использованы для создания
активной среды волоконных лазеров и усилителей. Такое разнообразие вызвано
уникальными свойствами иона Er3+, которые позволяют добиваться усиления света
на длине волны в районе 1,5 мкм.
Целью данной работы является изучение спектрально
- кинетических свойств оптических матриц на основе Er3+.
При этом существенно важным является решение
следующих задач:
изучить основные процессы и явления,
определяющие спектры активированных лазерных сред;
изучить принципы получения спектральных характеристик
матриц на основе ионов Er3+;
провести экспериментальные измерения спектров
поглощения и люминесценции;
проанализировать полученные экспериментальные
данные.
1/ Материалы для эрбиевых волоконных усилителей
Собственно усилительной средой усилителя
является эрбиевое волокно - волоконный световод с примесями ионов эрбия.
Изготавливаются такие световоды теми же
методами, что и световоды для передачи информации, с добавлением промежуточной
операции пропитки не проплавленного материала сердцевины раствором солей эрбия
либо операции легирования ионами эрбия из газовой фазы непосредственно в
процессе осаждения сердцевины (см., например [6]). Волноводные параметры
эрбиевого волоконного световода делают сходными с параметрами световодов,
используемых для передачи информации, в целях
уменьшения
потерь на соединения. Принципиальным является выбор легирующих добавок,
формирующих сердцевину активного световода, а также подбор концентрации ионов
эрбия. Различные добавки в кварцевое стекло изменяют характер штарковского
расщепления уровней энергии ионов эрбия. В свою очередь это приводит к
изменению спектров поглощения и излучения.
Концентрация ионов эрбия в сердцевине
оптического волокна фактически определяет его длину, используемую в усилителе
при заданных уровнях сигнала и накачки. Верхний предел концентрации активных
ионов
определяется
возникновением эффекта кооперативной ап-конверсии. Это
явление
состоит в том. что при большой концентрации активных ионов возможно образование
кластеров, состоящих из двух и более ионов эрбия.
Когда эти ионы оказываются в возбужденном
состоянии, происходит
обмен
энергиями, в результате чего один из них переходит в состояние с еще более
высокой энергией, а второй - безызлучательно релаксирует на основной уровень.
Таким образом, часть ионов эрбия поглощает излучение усиленного сигнала, снижая
эффективность усилителя.
Другое направление исследований в области
расширения полосы силения эрбиевых усилителей, а также увеличения концентрации
ионов эрбия связано с поиском других (не силикатных) стеклообразующих матриц
для сердцевины волокна. Так в последнее время появился значительный интерес к
фосфатным, теллуритным и фторидным стеклам.
Рисунок 1 - Спектры поглощения силикатного
(кривая 1), фосфатного (кривая 2) и теллуритного (кривая 3) стекла,
легированного ионами эрбия
Ширина спектра люминесценции у фосфатных стекол
близка к силикатным.
Здесь выигрыша у этих материалов по сравнению с
силикатными матрицами нет. Тем не менее, увеличение концентрации эрбия в
фосфатных стеклах не приводит к заметному образованию эрбиевых кластеров, как
это имеет место в силикатных стеклах. Поэтому фосфатные стекла имеют более
низкие коэффициенты нелинейного ап-конверсионного тушения люминесценции по
сравнению с силикатными стеклами. Это позволяет реализовать в фосфатных стеклах
более высокие концентрации ионов эрбия без заметного концентрационного тушения,
по сравнению с силикатными стеклами. Однако, на сегодняшний день технология
вытяжки оптических волокон из фосфатных стекол пока еще не совершенна, что
сдерживает их использование для эрбиевых волоконных усилителей.
Высококонцентрированные фосфатные стекла, легированные эрбием и иттербием,
нашли свое применение при разработке планарных волноводных усилителей. Ионы эрбия
в теллуритных и фторидных стеклах имеют самые
широкие
полосы люминесценции и. соответственно усиления. Следующие два рисунка
иллюстрируют эту особенность. На рисунке 2 показаны спектры поглощения ионов
эрбия для силикатных, фосфатных и теллуритных стекол.
Несмотря на привлекательность теллуритных н
фторидных матриц, они пока не находят широкого использования в волоконных
оптических усилителях в виду сложной технологии вытяжки волокна.
Рисунок 2 - Спектры усиления силикатного стекла,
легированного
.1 Методы получения и люминесцентные свойства
легированного эрбием монокристаллического кремния
Методы внедрения Er в с-Si. Как известно, эрбий
имеет достаточно низкую растворимость в кремнии. Оцениваемое по аналогии с
переходными металлами, значение равновесной растворимости эрбия в кремнии не
превышает 1016 см-3 , что делает практически невозможным использование
равновесных методик, таких, как, например, термическая диффузия, для получения структур
с высоким уровнем легирования. В настоящее время для создания структур с-Si:Er
широко используются неравновесные, либо квазиравновесные методы роста. В
литературе сообщалось об использовании методов ионной имплантации,
молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ), плазмо-химического осаждения из газовой
фазы (PECVD), ионно-лучевой эпитаксии и лазерного легирования для получения
структур с-Si:Er.
Наиболее распространенным способом формирования
структур с-Si:Er является метод ионной имплантации, широко используемый в
современной технологии интегральных схем. Основными проблемами здесь являются
проблемы встраивания редкоземельной примеси в кремниевый слой, имеющие место
при процессах рекристаллизации ионноимплантированных слоев, и, как следствие,
проблемы получения слоев с высоким уровнем легирования. В самых первых работах
отмечалось, что концентрационный
предел,
обусловленный началом формирования преципитатов Er в ионно-имплантированных
слоях c-Si, составляет ~1018 см-3 . Формирование преципитатной фазы наблюдалось
в слоях, имплантированных ионами Er с энергиями 500 кэВ и отожженных при
температуре 900°С. Отсюда вывод о том, что растворимость Er в кремнии при 900°C
не превышает 1.3·1018 см-3. В то же время, последующие исследования показали,
что при определенных условиях имплантации, солегировании другими примесями и
соответствующем выборе условий отжига, с помощью имплантационных методик
удается получать слои с-Si:Er с концентрацией примеси эрбия ~1020 см-3.
Значительную роль здесь играет примесь кислорода . Для получения слоев с
высокой концентрацией оптически активной примеси, как правило, используются
высокие дозы имплантации, превышающие порог аморфизации кремния. Как показали
исследования, перераспределение примеси эрбия в процессе последующей
твердофазной рекристаллизации ионно-имплантированного слоя сопровождается
сегрегацией примеси на перемещающейся границе аморфный/кристаллический слой.
При прохождении границы, Er частично выталкивается в аморфную фазу и частично
внедряется в кристалл, с максимумом, растущим на перемещающейся границе в
случае слабой встраиваемости Er. Этот процесс зависит как от скорости
перемещения границы, так и диффузионной способности эрбия. При достижении
критической концентрации происходит срыв процесса твердофазной кристаллизации с
образованием планарных дефектов типа двойников. Значение критической
концентрации зависит от температуры отжига и уменьшается от 1.2·1020 см-3
при 600°С до 6·1019 см-3 при 900°С . Значительная часть примеси в этом
случае встраивается в слой в форме Er или Er-S преципитатных комплексов.
Решающее воздействие, как на внедрение, так и кристаллическое совершенство
слоев оказывает кислород. Введение кислорода резко изменяет сегрегационный
процесс, при этом большая концентрация эрбия остается встроенной в рекристаллизованный
слой. Было показано, что при соимплантации Er и O в соотношении 1:10 можно
внедрить в с-Si до 1020 Er/см3 . Предполагается, что кислород тормозит скорость
перемещения границы аморфный/кристаллический слой и уменьшает диффузионную
способность эрбия за счет формирования Er-O комплексов, другой возможный
механизм влияния кислорода связан с уменьшением плотности ловушек Er3+ в
аморфном слое. Сильное взаимодействие ионов эрбия с кислородом проявляется в
увеличении эффективной растворимости эрбия в кремнии и подавлении
сегрегационных процессов, имеющих место при твердофазной эпитаксии и росте
структур методами молекулярно-лучевой эпитаксии . К аналогичному результату
приводит также дополнительное легирование ионно-имплантированных слоев Si:Er
фтором, влияние которого, как показали авторы [6], проявляется в уменьшении
диффузионной активности эрбия в процессе твердофазной рекристаллизации,
уменьшении уровня дефектов и улучшении кристаллического совершенства
рекристаллизованных слоев с-Si:Er.
Процессы сегрегации и преципитации эрбиевой
примеси имеют место и при росте слоев c-Si:Er эпитаксиальными методами.
Авторами [5] наблюдалось формирование фазы силицида в слоях с-Si:Er, выращенных
методом молекулярно-лучевой эпитаксии (температура роста 700°C) при концентрациях
эрбиевой примеси превышающих 2⋅1018 см-3.
Как и в случае ионной имплантации, значительное влияние на процесс встраивания
примеси эрбия в кремниевый слой здесь оказывает дополнительное солегирование
слоев примесями и выбор условий эпитаксиального роста.
Положение иона Er3+ в решетке кремния. Несмотря
на значительный прогресс в понимании путей увеличения люминесцентной
эффективности структур c-Si:Er, в настоящее время отсутствует полное
представление о микроскопической структуре оптически активных центров иона
Er3+, вносящих вклад в люминесцентный отклик. Было установлено, что
интенсивность сигнала ФЛ эрбия в кремнии, полученном методом Чохральского
(CZ-Si), по меньшей мере, на порядок величины превышает сигнал ФЛ в с-Si,
полученном методом зонной плавки (FZ-Si), концентрация кислорода в котором, как
известно на два порядка ниже. Как показали исследования структур методом EXAFS
(метод анализа протяжённой тонкой структуры рентгеновских спектров поглощения),
комплексы эрбия, внедренного в CZ-Si, аналогичны по конфигурации оксиду эрбия,
Er2O3, при этом в материале FZ-Si преобладает конфигурация силицидного типа
ErSi2 с 12 атомами кремния в окружении редкоземельного иона . Отсюда считалось,
что оптически активные центры Er в с-Si, эффективно излучающие на длине волны
1.54 мкм, представляют lсобой высоко симметричные комплексы Er-O с шестикратно
координированной связью с ближайшими кислородными соседями (рисунок).
Образцы c- Si, имплантированные эрбием и
кислородом с высокими дозами (концентрации Er и O в однородном профиле
распределения 1·1019 и 1·1020 см-3, соответственно), при разных процедурах
отжига. Авторы показали, что в аморфном слое, сразу после имплантации, эрбий
координирован с 6 атомами Si, последующий отжиг при температуре 620ºС
изменяет локальное окружение редкоземельной примеси, увеличивая содержание
кислорода, и на стадии отжига при температуре 900ºС
происходит полное формирование кислородной оболочки атомов эрбия, атом эрбия
становится координированным с 5 атомами O в ближайшем окружении. Изменение
ближайшего окружения атомов Er приводит, как показали авторы, к структурным
изменениям в спектрах ФЛ.
Рисунок 3 - Схематическое представление
структуры оптически активных и неактивных центров иона Er3+ в кремнии
Результаты теоретического расчета показывают,
что наиболее энергетически выгодным из возможных положений иона Er3+в решетке
кремния является положение внедрения с тетраэдрической симметрией
кристаллического поля . В этой конфигурации эрбий вносит лишь незначительные
искажения в кристаллическую решетку, не приводя к разрыву связей Si Si.
Предполагается, что четыре тетраэдрически координированных атома Si смещаются
примерно на 0.16Å от исходного
положения, при этом длина связи Er-Si составляет 2.48Å.
Шесть последующих октаэдрически координированных атомов кремния смещаются на 0.04Å
с длиной связи Er-Si - 2.73 Å.
Анализ структур с-Si:Er методом обратного
Резерфордовского рассеяния (ОРР) показал, что при высоких концентрациях Er в
с-Si преобладающая часть редкоземельных ионов занимает положение внедрения и
лишь незначительная их часть (~4%) находится в положении замещения в решетке
кремния [10]. В тоже время высказывалось предположение о том, что именно эта
часть редкоземельной примеси в положении замещения в решетке кремния
ответственна за сигнал ФЛ в c-Si:Er структурах. Здесь нужно отметить также
возможность внедрения Er в гексагональные междоузлия в решетке Si (по данным
ОРР, Er локализуется в центре канала <110>), однако в этом случае ион
Er3+ является оптически не активным, формируя, как предполагается, комплекс
ErSi2.
Полученные образцов Si:Er методом ионной
имплантации
Ионно-имплантированные
слои c-Si:Er формировались на подложках кремния n-(легированных фосфором) и p-
(легированных бором) типа проводимости с удельным сопротивлением 10 - 20 Ω·см.
В работе использовались промышленные подложки Si ориентации (100), выращенные
методами Чохральского (CZ-Si) и бестигельной зонной плавки (FZ-Si). Содержание
углерода и кислорода в этих материалах, оцениваемое из измерений спектроскопии
поглощения в ИК диапазоне, составляло, соответственно: [O] = 1.75·1018 см-3,
[С] = 1.9·1016 см-3 (в материале CZ-Si) и [O] = 1.5·1016 см-3, [С] = 1.4·1015
см-3 (в материале FZ-Si). Приводимые далее результаты были получены на структурах,
имплантированных ионами эрбия с энергиями Eion = 2 МэВ (при температуре 350°С),
600 и 300 кэВ (при комнатной температуре). В ряде случаев, для создания
равномерного распределения примеси по толщине, имплантация проводилась при двух
значениях энергий. В частности, в структурах с максимальной энергией
имплантации 300 кэВ для получения равномерного профиля распределения
проводилась дополнительная имплантация с Eion = 80 кэВ и, соответственно,
меньшими дозами эрбия. Во избежание эффектов каналирования, ионная имплантация
производилась при отклонении подложки примерно на 7º
от нормального падения ионного пучка. Профили распределения примесей
рассчитывались по стандартной программе TRIM (TRansport of Ions in Matter и
анализировались методом масс-спектрометрии вторичных ионов (ВИМС). В качестве
примера на рисунке 4 приведены профили распределения примеси эрбия в слоях,
имплантированных с Eion = 2 МэВ, 300 кэВ (рисунок 4 а) и 600 кэВ (рисунок 4б).
При Eion = 2 МэВ и 300 кэВ глубина залегания примеси, определяемая длиной
свободного пробега ионов в кремнии, составляет ~560 нм и ~106 нм,
соответственно. Как видно из рисунка, реальный профиль распределения атомов
эрбия, полученный по данным измерений ВИМС (рисунок 4 б), хорошо согласуется по
положению максимума с расчетным и имеет несимметричную форму с достаточно
протяженным участком по глубине. Последнее, как правило, характерно для
имплантационных профилей ионов с большой атомной массой.
Распределение примеси Er слабо видоизменяется в
процессе последующего отжига. Так, в процессе 30-ти минутного отжига при
температуре 1000°C наблюдается лишь незначительное (~ 30 нм) смещение профиля
эрбиевой примеси поверхности образца (рисунок 4 б).
Рисунок 4 - Профили распределения примеси Er в
ионно-имплантированных слоях c- Si:Er
С целью исследования влияния солегирующих
примесей на интенсивность фото- и электролюминесценции и условия формирования
оптически активных центров редкоземельной примеси в работе проводилась
дополнительная имплантация слоев c-Si:Er кислородом (O), бором (B) и фосфором
(P). В этом случае энергии имплантации подбирались таким образом, чтобы профиль
солегирующей примеси совпадал имплантационным профилем ионов эрбия. В
частности, при имплантации эрбия с Eion = 300 кэВ и 80 кэВ (профиль, однородный
по толщине) имплантация солегирующих примесей проводилась при следующих
условиях: O - имплантация с Eion = 45 кэВ и 45 кэВ под углом 66° к мишени, B -
имплантация с Eion = 30 кэВ и 30 кэВ под углом 68°, P - имплантация с энергиями
80 кэВ и 30 кэВ. В структурах, имплантированных ионами эрбия с Eion= 2 МэВ,
дополнительная имплантация кислорода проводилась с Eion = 285 кэВ.
В серии образцов с приповерхностным
легированием, т.е. имплантированных ионами эрбия с энергией 300 кэВ, доза эрбия
(Dion) варьировалась от 7·1011 до 7·1014 см-2, что соответствует концентрации
редкоземельной примеси в имплантированных слоях 1017 ÷
1020 см-3. При дополнительной имплантации кислорода дозы подбирались таким
образом,
чтобы результирующая концентрация солегирующей
примеси на порядок превышала концентрацию атомов эрбия. Имплантация ионами бора
и фосфора проводилась с дозами 2·1012 ÷
2·1013 см-2.
Для рассматриваемых структур, имплантированных с
энергиями 2 МэВ, дозы имплантации эрбия составляли 3·1013 см-2 и 8.7·1013 см-2
(концентрации атомов эрбия в максимуме профиля распределения -1.2·1018 см-3,
3.5·1018 см-3, соответственно). Кислород в этом случае имплантировался с теми
же, либо на порядок большими дозами. По данны рентгенодифракционного анализа, вплоть
до доз имплантации ~ 3.2·1013 см-2 (доза эрбия) в структурах не наблюдалось
аморфизации кремниевого слоя.
Отжиг при температуре 900°С в течение 30 минут
является наиболее эффективным для достижения максимальной интенсивности ФЛ в
имплантированном эрбием материале CZ-Si, при этом для материала FZ-Si наиболее
оптимальным считается одностадийный отжиг при 600°С. Рассмотренная в работе
процедура двухстадийного отжига включала в себя этап твердофазной эпитаксии,
приводящий к перекристаллизации аморфизованного в процессе имплантации слоя, и
стадию “активационного” отжига ионов эрбия при температуре 900°С. На базе
ионно-имплантированных слоев c-Si:Er формировались диодные p-n структуры, где
легированный эрбием слой играл роль слоя n-типа проводимости (как показали результаты
исследований, все полученные слои c-Si:Er имели n-тип проводимости с уровнем
легирования, равным ~ 10-20% от полной концентрации примеси Er). Диодные
мезаструктуры формировались стандартным фотолитографическим методом, на лицевую
и тыльную сторону наносились омические контакты - Au (контакт к n-слою,
легированному Er) и Al/Au (контакт к подложке p- типа проводимости). Площадь
поверхности, свободной для вывода излучения в мезаструктуре, т.е. свободной от
металлических контактов, составляла 2х2 мм2. Излучение выводилось с лицевой
поверхности образца.
.3 Влияние дефектов и примесей на интенсивность
сигнала фотолюминесценции ионно-имплантированных слоев c-Si:Er
Анализ интенсивности важен ввиду того, что, как
было показано выше, в зависимости от условий приготовления структур зачастую
наблюдается перераспределение интенсивностей линий ФЛ различных центров. При
этом интегральная интенсивность ФЛ может, как увеличиваться, так и падать, что
может зависеть от количества эрбиевых центров, эффективности их возбуждения и
девозбуждения, а также от наличия конкурирующих каналов безизлучательной
рекомбинации. Кроме того, вклад в сигнал ФЛ в области 1.54 мкм могут также
вносить дефектные центры, не включающие ион Er, что осложняет интерпретацию
получаемых результатов. Поэтому целью настоящего параграфа является изложение
результатов исследований влияния условий формирования ионно-имплантированных
структур на интенсивность их люминесценции и анализ возможного влияния на
сигнал ФЛ дефектов, не связанных с примесью эрбия.
На рисунке показаны зависимости интенсивности
сигнала эрбиевой ФЛ в ионно-имплантированных слоях c-Si:Er от дозы имплантации
эрбия. Максимальный сигнал ФЛ в этих структурах достигался при дозах
имплантации Er ~1018 - 1019 см-3, при этом, как показывалось выше, тип
наблюдаемых оптически активных центров иона Er3+ непосредственно зависел от
условий отжига. При температурах отжига 800 - 900ºС
происходило формирование оптически активных центров иона Er3+ с “тонкой”
структурой спектра, где основную роль играли центр кубической симметрии Er-C и
кислород-содержащие центры иона Er3+ (Er-O1,O2). При повышенных температурах
отжига (1000ºС)
в структурах формировался преципитатный центр иона Er3+ SiOx типа, интегральная
интенсивность ФЛ которого достигала максимального значения при
уровняхлегирования Er ~ 1019 см-3. Максимальный сигнал ФЛ изолированных центров
иона Er3+ наблюдался в образцах CZ-Si:Er и FZ-Si:Er, солегированны кислородом,
при этом в зависимости от длительности отжига происходило формирование центров Er-C,
либо Er-O1, Er-O2 с незначительным изменением интенсивности сигнала. Как было
показано ранее, (рисунок 3), пр температуре отжига 900ºС
в течение 15 с происходило формирование центра Er-O1, который затем при отжиге
в течение 30 мин трансформировался в центр Er-C, интенсивность сигнала
последнего возрастала примерно в 1.5 раза. Максимальная интенсивность сигнала
ФЛ этих центров также непосредственно зависела от условий имплантации. Так,
максимальный сигнал ФЛ изолированных центров иона Er3+ при одностадийной
имплантации (имплантация с одной энергией) достигался в слоях c-Si:Er при
уровнях легирования ~1018 см-3, в условиях двухстадийной имплантации
(имплантация с двумя энергиями для формирования равномерного профиля
распределения примеси по толщине) уровень легирования, необходимый для
достижения максимального сигнала ФЛ возрастал на порядок величины. В последнем
случае наблюдалось также уменьшение абсолютной интенсивности сигнала, что,
очевидно, связано с повышением уровня радиационных дефектов, формируемых при
имплантации с несколькими энергиями.
Рисунок 5 - Зависимости интенсивности сигнала
эрбиевой ФЛ от дозы
Имплантации Er, полученные в образцах CZ-Si и
FZ-Si
Как говорилось выше, максимальный сигнал ФЛ
наблюдался в слоях c-Si:Er, полученных на подложках CZ-Si и FZ-Si при
солегировании кислородом, однако из результатов наших исследований не следует,
что увеличение интенсивности сигнала ФЛ в этом случае связано с формированием
эффективно излучающих эрбий-кислородных комплексов. Действительно, можно
показать, что кислород участвует в формировании центров иона Er3+, в частности
центров Er-O1, Er-O2 и преципитатных SiOx:Er комплексов, однако эффективность
последних не превышаетэффективность изолированных центров редкоземельного иона,
центров Er-C, вносящих также преобладающий вклад в люминесцентный отклик
структур. Здесь следует, очевидно, также принимать во внимание такие факторы
как: роль кислорода в подавлении сегрегационных процессов примеси Er, имеющих
место при рекристаллизации имплантированных слоев; вовлеченность кислорода в
формирование центров, участвующих в процессе возбуждения ионов Er и, в том
числе, -возможност пассивирующего воздействия кислорода на безизлучательные
каналы рекомбинации в ионно-имплантированных структурах.
2. Спектрально кинетические свойства эрбиевых
метериалов
.1 Взаимодействия определяющие спектры
активированных лазерных сред
Активированные лазерные материалы - это
кристаллы, стёкла и керамики, в состав которых специально введено небольшое
количество редкоземельных ионов или ионов переходных металлов. Среди первых
наиболее часто используются трёхвалентные ионы: Nd3+ , Ег3+. Но3+. Tu3+ , Yb3+.
Среди вторых - ионы хрома, титана, кобальта, которые могут находиться в разных
валентных состояниях.
Ионы активаторы являются «красящими» примесями,
так как материалы при их введении приобретают окраску. В спектре поглощения
появляются полосы, характерные для каждого активатора. Кроме того, в ряде
случаев материалы начинают люминесцировать при фотовозбуждении. Спектрально
люминесцентные свойства активированных материалов определяют возможность их
применения в качестве рабочих сред лазеров и усилителей света.
Каждый элементарный процесс поглощения или
испускания света в активированных материалах охватывает весьма ограниченную
область, которая кроме самого активатора включает только атомы, составляющие
его ближайшее окружение - «лиганды». Таким образом, в активированных материалах
поглощение и испускание света осуществляется «локальными оптическими центрами».
Другим важным примером локальных оптических центров являются центры окраски,
образующиеся в материалах при воздействии интенсивного УФ света.
Противоположный, «нелокальный», характер носят процессы поглощения и испускания
света свободными электронами, или колебаниями решётки в кристаллах.
Положения энергетических уровней н спектральных
полос активаторных центров, определяющие диапазон усиления лазера, зависят
как
от взаимодействий внутри иона активатора, так и от взаимодействий активатора с
матрицей. При этом, прежде всего, имеет значение относительная величина
взаимодействии этих двух типов.
Далее в главе последовательно рассматриваются
эти два класса взаимодействий в порядке убывания их величины сначала для РЗ
ионов, затем для ионов переходных металлов. Кратко описываются используемые
приближения и приводятся системы квантовых чисел, применяемых для
характеристики состояний, возникающих в разных приближениях.
Как известно, в случае свободного атома
рассмотрение начинается с одно электронного приближения, согласно которому
каждый электрон рассматривается независимо от других и считается двигающимся в
усреднённом поле других электронов и ядра. Считается, что это поле обладает
сферической симметрией. Поэтому для отдельного электрона должен выполнятся закон
сохранения момента количества движения, значения которого характеризуются
квантовым числом I.
Квантовое число I принимает значения от 0 до
n-1, где n - главное квантовое число (таблица 1). Численные значения 1 в
спектроскопии традиционно характеризуют буквами по следующему правилу I = 0
(s), 1
(р),
2 (d), 3 (f). 4 (g). На определённой «I» оболочке может находиться 2(21 +
1) электронов с различной проекцией спина и
орбитального момента.
Таблица 1 - Простейшие электронные конфигурации
Совокупность значений квантовых чисел n и I для
всех электронов, в
атоме,
называется электронной конфигурацией. Например, у атома гелия два электрона
находятся в состоянии n=1. I=0. Это означает, что атом гелия имеет конфигурацию
- (1s)2
Широко используемый в качестве активатора
лазерных материалов трёхвалентный ион Сг3+ имеет 21 электрон н конфигурацию
(ls)2(2s)2(2p)6(3s)2(3p)6(3d)3. Однако, этот длинный список, обычно, выписывать
нет необходимости. Схему нижних энергетических уровней и оптические спектры
определяют только электроны, находящиеся на незаполненной оболочке: в случае
Сг3+ - это 3 электрона, находящихся на 3d - оболочке.
После одно электронного приближения и учета
центрального поля на следующем этапе учитывается нецентральная часть
кулоновского взаимодействия электронов. При этом необходимо рассматривать
сложные многоэлектронные состояния, которые характеризуются значениями полного
орбитального момента L н полного спина S. Значениям полного момента L так же
как значениям момента отдельного электрона сопоставляются те же буквы, но
прописные:= 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6= S
Похожие работы на - Исследование спектрально–кинетических свойств матриц волокон, активированных ионами Er3+ Дипломная (ВКР). Физика.
Технология разработки программного обеспечения
Реферат по теме Анализ и проектирование операций с недвижимостью
Дипломная работа по теме Понятие коллизионных норм
Прикрепление Лиц Для Подготовки Диссертации
Курсовая работа по теме Общая характеристика банковской системы России
Главные Критерии Итогового Сочинения
Дипломная работа: Разработка электронного обучающего пособия по теме "Pascal работа с циклами" с использованием средства разработки Smart Web Builder
Курсовая работа по теме Процесс организации и управления материальными ресурсами в туристическом бизнесе
Реферат На Тему Сатурн 9 Класс
Курсовая работа по теме Извлечение аммиака из сточных вод текстильного производства
Практическое задание по теме Розробка програмного забезпечення для клієнт-серверних додатків
Гражданство, его специфика, приобретение и утрата гражданства
Эссе На Тему Журналистики
Класс Сочинения Песен
Реферат Конструктивные Схемы Высотных Зданий
Реферат: Проблема свободы воли. Свобода и ответственность личности
Курсовая работа по теме Иностранные инвестиции и экономику РФ
Контрольная Работа На Тему Концепции И Стратегии Маркетинга
Дипломная Работа Межевание Земельного Участка
Реферат по теме Социальная коммуникация и ее выражение в справочном консалтинге
Похожие работы на - Сравнительный анализ положений МСФО 16 'Основные средства' с положением ПБУ 6/01 'Учет основных средств'
Похожие работы на - Конспект лекций по финансам
Реферат: Religion And Culture Essay Research Paper Religion