Materiały fotoniczne Półprzewodniki Ferroelektryki Mat. organiczne III-V, II-VI, III-N modulatory skanery przetworniki częstotliwości pamięci holograficzne wyświetlacze przetworniki częstotliwości modulatory źródła III-V (λ=0.65 i 1.55) II-IV , III-N niebieskie/zielone/UV detektory modulatory Konwersja częstości Efekty nieliniowe, niska stała dielektryczna Dwójłomność, efekt e-o, Fotorefrakcyjny, fotoelestoopt. Nieliniowe efekty opt. Supersieci, studnie Kwantowe, Struktury warstwowe

Półprzewodniki - technologie Materiały (Kryształy) objętościowe Cienkie warstwy Epitaksja (struktura warstwy jest identyczna ze strukturą podłoża, może być inny skład chemiczny, grubość warstw od kilku do kilkunastu µm): CVD (Chemical Vapour Deposition) chemiczne osadzanie z fazy lotnej: - APCVD (Atmosferic Pressure CVD) - LPCVD (Low Pressure CVD) - PECVD (Plasma Enhanced CVD) - MOCVD (Metaloorganic CVD) MBE (Molecular Beam Epitaxy) - warstwy o ekstremalnie cienkich grubościach (1-100 nm) - struktury o obniżonej wymiarowości (2D – studnie kwantowe, 1D – druty kwantowe, 0D – kropki kwantowe) Heteroepitaksja (wzrost warstw na niedopasowanym pod względem struktury krystalicznej podłożu) Reaktor LPCVD

Półprzewodniki Tu rozważane optyczne procesy: Całkowita przewodność elektryczna: σ~ (nµe + pµh) µe – ruchliwość elektronów µh – ruchliwość dziur Pasmo przewodnictwa Przerwa energetyczna Pasmo walencyjne Tu rozważane optyczne procesy: Odbicie, dyfrakcja, propagacja falowodowa, Absorpcja, emisja, E-O i nieliniowe efekty Współczynnik załamania (n), współczynnik absorpcji (a), energia emisji i przerwa energetyczna

Półprzewodniki

Półprzewodniki

Półprzewodniki III-V Konieczność dopasowania III grupa: aluminium, gal, ind V grupa: fosfor, arsen, antymon 9 struktur podwójnych ” potrójnych 15 ” poczwórnych Konieczność dopasowania stałych sieci przy grubych warstwach Dopuszczalne przy cienkich warstwach

Półprzewodniki III-V: Struktury AlGaAs Zastosowania struktur AlGaAs elektronika (tranzystory, diody tunelowe) fotonika (lasery diodowe, ogniwa słoneczne, szybkie detektory, modulatory, absorbery) Studnia kwantowa: - przynajmniej jeden wymiar materiału jest mniejszy niż kilkaset A, Cienka warstwa materiału studni pomiędzy dwiema warstwami materiału granicznego

Półprzewodniki III-V: Struktury AlGaAs Obniżenie Przerwy energetycznej

Półprzewodniki III-V: Struktury AlGaAs Bandgap dla sieci dopasowanych 870nm Możliwość modyfikacji długości fali emitowanej powyżej 1um przez zastosowanie niedopasowanych sieci (strained pseudomorphic quantum wells)

Półprzewodniki III-V: Struktury GaInAsP/InP Urządzenia optoelektroniczne dla telekomunikacji 1.3 i 1.55 um Diody laserowe i detektory

Półprzewodniki III-V: Struktury GaInAsP/InP

Półprzewodniki III-V: Struktury GaInAsP/InP

Szeroki zakres przerwy energetycznej Półprzewodniki II-VI Szeroki zakres przerwy energetycznej Urządzenia fotoniczne w zakresie od podczerwieni do ultrafioletu (np. „niebieskie” diody laserowe)

Półprzewodniki II-VI wzrost w monolityczne struktury wielowarstwowe (możliwość uzyskania różnorodnych struktur typu studni kwantowych) różne stałe sieci krystalicznych umożliwiają wytworzenie struktur z dopasowanymi i z odkształconymi warstwami ZnSe/Zn0,75Cd0,25Se

Półprzewodniki II-VI epitaksja umożliwia uzyskanie nowych faz nie występujących w naturze - wszystkie związki (poza HgS) mają tetraedryczną strukturę: Struktura blendy cynkowej (sfalerytu), ZnS Hexagonalna struktura wurcytu, ZnS

Półprzewodniki: SiC i III-V N Zastosowania: źródła i detektory w niebiesko-zielonym, niebieskim i ultrafioletowym zakresie promieniowania optyczne pamięci i kolorowe wyświetlacze Właściwości: odporne chemicznie i na wysokie temperatury łatwe domieszkowanie (typ n i p)

Przykład heterozłącza 3C SiC i 6H SiC (z dopasowaną stałą siatki ) Półprzewodniki SiC Różnorodne układy warstw krystalicznych np..: 3C SiC – czysta struktura kubiczna (typ blendy cynkowej), ABCABC … - ΔE do 2.3 eV 2H SiC – czysta struktura periodyczna o heksagonalnej symetrii (typ wurcytu), ABAB … - ΔE do 3.3 eV 6H SiC – struktura mieszana, ΔE do 2.9 eV Przykład heterozłącza 3C SiC i 6H SiC (z dopasowaną stałą siatki )

Półprzewodniki III-V N

Półprzewodniki III-V N AlN - Eg = 6.2 eV InN – Eg = 1.9 eV ZASTOSOWANIE: lasery w niebieskim i ultrafioletowym zakresie

Materiały ferroelektryczne Zastosowania: modulatory światła, powielanie częstotliwości, wzmacniacze wiązki, optyka zintegrowana, pamięci optyczne, … Bazują na zjawiskach dwójłomności, efektów elektrooptycznych, zjawiskach nieliniowych, fotorefrakcyjnych, pyroelektycznych i elektro-elastooptycznych występujących w materiałach ferroelektrycznych. Materiały ferroelektryczne – materiały (kryształy, ceramiki, cienkie warstwy) wykazujące w pewnym zakresie temperatur spontaniczną polaryzację Ps której kierunek może zostać odwrócony na skutek przyłożonego pola elektrycznego. Θc – punkt Curie T< Θc – ferroelektryk T> Θc – paraelektryk

Materiały ferroelektryczne

Materiały ferroelektryczne

Materiały ferroelektryczne: efekt elektrooptyczny Przykładowe tensory liniowego wsp. r: W przypadku kwadratowego efektu elektrooptycznego: gdzie: S13 – wsp. Kerra Szereg efektów nieliniowych

Materiały organiczne Ciała amorficzne, molekularne – złożone z dużych molekuł, związanych ze sobą słabymi siłami międzycząsteczkowymi (np.. Van der Waalsa), podczas gdy w obrębie makromolekuły występują znacznie silniejsze wiązania kowalencyjne. Przykład: polimery organiczne i nieorganiczne Struktura wewnętrzna: tzw. Model przypadkowych łańcuchów (kłębków) Średnica kłębka: ok.30 nm, długość: ok.50 μm POLISTYREN (CH2CHC6H5)N N – indeks polimeryzacji H H -- C -------- C -- H Pierścień benzenowy (C6H5) bez jednego atomu wodoru PMM Poli(metakrylean metylu) H CH3 -- C -------- C ------- H C O O CH3 monomer

Materiały ferroelektryczne: efekty nieliniowe Przykładowe tensory wsp. nieliniowości optycznej d: n(2ω) = n(ω), n0>ne - dopasowanie faz będzie dla kąta Θ spełniającego r-nie: Dla Gaussowskiej wiązki laserowej natężenie drugiej harmonicznej wyniesie: