xxiii πανελληνιο ÏƒÏ Î½ÎµÎ´ÏÎ¹Î¿ Ï†Ï ÏƒÎ¹ÎºÎ·Ï‚ στερεας καταστασης & επιστημης ...

Μορφοποιημένα Λεπτά Μεταλλικά Υμένια πάνω σε Φωτονικό Κρύσταλλο Si για
Εκπομπή Υπερύθρου Υψηλής Απόδοσης.
Π. Θεοδώνη 1* , Π. Μπαγιάτη 1 , Μ. Χατζηχρηστίδη 1 , A. Σπηλιώτης 2 , Β. Βαμβακάς 1 , Ι. Ράπτης 1 και Ν. Παπανικολάου 1
1 Ινστιτούτο Μικροηλεκτρονικής, NCSR “Δημόκριτος”, Αγ. Παρασκευή, Αθήνα, 15310, Ελλάδα
2 Ινστιτούτο Επιστήμης Υλικών, NCSR “Δημόκριτος”, Αγ. Παρασκευή, Αθήνα, 15310, Ελλάδα
* e-mail: ptheod@phys.uoa.gr , Τηλ: +30-210 6503245.
Λεπτά μεταλλικά υμένια με περιοδική διάταξη οπών μικρότερων του μήκους κύματος παρουσιάζουν εξαιρετικά μεγάλο
συντελεστή διέλευσης, υψηλότερο από αυτόν που αναμένεται στην συνήθη διάθλαση [1]. Το φαινόμενο παρατηρήθηκε σε
οπτικές αλλά και σε υπέρυθρες συχνότητες (IR). Ο συνδυασμός τέτοιων μεταλλικών υμενίων με οπές διαστάσεων
μικρομέτρου, με φωτονικούς κρυστάλλους παρουσιάζει ενδιαφέρουσα θερμική εκπομπή που διαφέρει πολύ από το φάσμα
του μέλανος σώματος [2]. Τα υμένια αυτά έχουν ενδιαφέρουσες εφαρμογές ως θερμικοί εκπομποί σε θερμοφωτοβολταϊκά
αλλά και ως χημικοί αισθητήρες στο υπέρυθρο. Σύμφωνα με το νόμο του Kirchhoff η θερμική εκπομπή ισούται με την
απορρόφηση (Α) επομένως αποδοτικοί εκπομποί υπερύθρου, στενού εύρους συχνοτήτων πρέπει να έχουν αντίστοιχη
απορρόφηση η οποία συνδέεται με τον συντελεστή ανάκλασης (R) και τον συντελεστή διέλευσης (T), A= 1-R-T.
(a)
(b)
0.4
0.3
Transmittance
0.2
0.1
2,0 1,1 1,0 2,2 1,2 0,2
1,1 0,1
0.0
2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22
Wavelenght (μm)
Σχήμα 1. Εικόνα SEM των δομών που κατασκευάστηκαν με οπτική
λιθογραφία: (a) Τετραγωνικό πλέγμα οπών σε υπόστρωμα Si
επιστρωμένο 100 nm Al. Η διάμετρος των οπών είναι 2.5 μm και η
σταθερά του πλέγματος είναι 5μm. (b) Η δομή μετά την εγχάραξη του
Si σε βάθος 5μm.
∼
Σχήμα 2. Φάσμα διέλευσης IR ενός λεπτού
υμενίου (100 nm) Al μορφοποιημένο με
τετραγωνικό πλέγμα (πλεγματική σταθερά 5 μm)
οπών διαμέτρου 2.5 μm πάνω σε υπόστρωμα Si
380 μm. Οι οριζόντιες γραμμές σημειώνουν τα
μήκη κύματος επιφανειακών πλασμονίωνπολαριτονίων
για διεπιφάνεια Al/Si (μαύρο
συνεχές) και Al/air (μπλε διακεκομμένο).
Κατασκευάσαμε περιοδικές δομές οπών σε λεπτά υμένια Al πάνω σε Si. Χρησιμοποιήσαμε οπτική λιθογραφία στο Si,
επιμετάλλωση με 100 nm Al και στη συνέχεια lift-off σε υπερήχους που έδωσε τη δομή των οπών στο Al πάνω σε
ομοιόμορφο υπόστρωμα Si όπως φαίνεται στην Σχήμα 1a. Ο συντελεστής διέλευσης στο υπέρυθρο μετρήθηκε με
φασματογράφο FTIR και το φάσμα (Σχήμα 2) παρουσιάζει ενισχυμένη διέλευση μέχρι 35% κοντά στις συχνότητες των
επιφανειακών πλασμονίων-πολαριτονίων (ΕΠΠ) που προβλέπονται για μια διεπιφάνεια Al/Si ενώ μικρότερες κορυφές
παρατηρούνται στις συχνότητες ΕΠΠ για διεπιφάνεια Al/Αέρα. Το Si στη συνέχεια εγχαράχτηκε χρησιμοποιώντας το Al ως
μάσκα με μια πηγή πλάσματος υψηλής πυκνότητας τύπου helicon, μέχρι βάθους 5 μm (Σχήμα 1b). Το φάσμα ανάκλασης IR
παρουσιάζεται στο Σχήμα 3. Ο συντελεστής ανάκλασης εμφανίζει μια απότομη πτώση και φθάνει σε ένα ελάχιστο για μήκος
κύματος περίπου 5.7 μm. Παράλληλα ο συντελεστής διέλευσης είναι μικρός επομένως η πτώση στην ανάκλαση αντιστοιχεί
σε αυξημένη απορρόφηση. Η δομή απορροφά σε ένα στενό εύρος συχνοτήτων στο υπέρυθρο και αναμένεται να έχει
αντίστοιχο φάσμα θερμικής εκπομπής. Το φάσμα εξαρτάται από το μέγεθος των οπών, ενώ το βάθος τους φαίνεται να έχει
λιγότερη επίδραση. Προκειμένου να διευκρινιστεί ο ρόλος του λεπτού μεταλλικού υμενίου κατασκευάσαμε και φωτονικούς
κρυστάλλους Si (περιοδικές δομές οπών), χωρίς μεταλλική επίστρωση χρησιμοποιώντας την ίδια γεωμετρία. Τα φάσματα
παρουσιάζονται στο Σχήμα 4. Ο συντελεστής ανάκλασης είναι μικρός, περίπου 20%, και εμφανίζει ελάχιστο για μήκη
κύματος λίγο μικρότερα από τη σταθερά του πλέγματος (5 μm). Ταυτόχρονα, ο συντελεστής διέλευσης έχει ελάχιστο στην
ίδια περιοχή μηκών κύματος. Είναι σαφές ότι ο φωτονικός κρύσταλλος Si είναι υπεύθυνος για την απορρόφηση κοντά στα 6
μm ενώ το μέταλλο καθιστά τη δομή ιδιαίτερα ανακλαστική για τα μήκη κύματος μεγαλύτερα από 10 μm
197