XXVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Исследование люминесценции квантово-размерных наногетероструктур в окнах прозрачности атмосферы для систем ночного видения и дистанционного зондирования Земли

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Соколова М.Н. 1Солдатов К.М. 1Маричев А.А. 1

---

1ГБОУ СОШ №348 Невского района г. Санкт-Петербурга

Белозерская М.В. 1

---

1ГБОУ СОШ №348 Невского района г. Санкт-Петербурга

Работа в формате PDF

921.2 KB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

ВВЕДЕНИЕ

Тема проекта и её актуальность:

Тема проекта: Исследование люминесценции квантово-размерных наногетероструктур в окнах прозрачности атмосферы для систем ночного видения и дистанционного зондирования Земли.

Аргументация выбора темы и её актуальности:

Данная тема проекта, а также его потенциальный продукт – новые оптоэлектронные устройства такие как: системы ночного видения и системы зондирования Земли в окнах прозрачности атмосферы на основе исследуемых структур – представляют значительный научный и практический интерес.

1. Научный интерес заключается в фундаментальном исследовании процессов генерации, рекомбинации и излучения света (люминесценции) в искусственно созданных квантово-размерных наногетероструктурах (таких как гетероструктуры с квантовыми ямами). Ключевым аспектом является целенаправленная "настройка" их оптических свойств (спектра излучения) для совпадения окнами прозрачности атмосферы Земли – специфическими диапазонами длин волн, где атмосфера минимально поглощает электромагнитное излучение (например, в ближнем инфракрасном диапазоне: 0.8-1.1 мкм, 1.5-1.8 мкм). Изучение таких материалов на стыке физики полупроводников, нанотехнологий и атмосферной оптики открывает новые возможности для управления светом на наноуровне.

2. Практический интерес напрямую связан с решением прикладных задач в области обороны, безопасности и мониторинга окружающей среды. Ожидаемым продуктом исследований являются новые материалы и технологии для:

• Систем ночного видения (СНВ) нового поколения: Существующие СНВ часто имеют ограничения по разрешению, чувствительности и спектральному диапазону. Разработка источников и детекторов излучения, работающих в более широких или специфических атмосферных окнах, позволит создать приборы с повышенной дальностью и контрастностью видения, менее зависимые от погодных условий и естественной засветки (например, лунного света).

• Систем дистанционного зондирования Земли: Использование люминесцентных меток или активных лидарных систем, работающих в окнах прозрачности атмосферы, позволит значительно повысить эффективность мониторинга поверхности Земли с воздуха и из космоса. Это может быть применено для экологического контроля (выявление загрязнений), сельского хозяйства (оценка состояния посевов), картографирования и разведки полезных ископаемых.

Гипотеза: Мы предполагаем, что фотолюминесценция квантово-размерных структур на основе AlₓGa₁₋ₓAs имеет дискретный спектр, положение пиков которого определяется геометрическими параметрами квантовых ям.

Цель проекта:

Теоретически и экспериментально исследовать фотолюминесценцию квантово-размерных наногетероструктур на основе твёрдого полупроводникового раствора Al_xGa_1-xAs (х доля атомов алюминия), для создания перспективных материалов систем ночного видения и дистанционного зондирования.

Задачи:

1. Изучить теоретические основы работы квантово-размерных структур (квантовых ям), процессов фотолюминесценции и понятия «атмосферных окон прозрачности».

2. Освоить принцип работы спектроскопической установки на основе монохроматора, провести её юстировку и подготовку к измерениям.

3. Экспериментально измерить Al_xGa_1-xAs спектр фотолюминесценции образца с квантовыми ямами при комнатной температуре.

4. Проанализировать полученный спектр: идентифицировать пики, связать их с конкретными квантово-механическими переходами и оценить соответствие длины волны излучения целевым диапазонам.

5. На основании результатов анализа сформулировать вывод о перспективности исследованного материала для заданных применений и предложить направления для дальнейших исследований.

Объект исследования:

Квантово-размерные наногетероструктуры на основе твердого раствора Al_xGa_1-xAs/_xGa_1-xAs.

Предмет исследования:

Фотолюминесценция (спектральные характеристики излучения) этих наногетероструктур, а именно: дискретность спектра, положение пиков и их связь с геометрическими параметрами структуры для применения в окнах прозрачности атмосферы.

Этапы работы над проектом:

1. Подготовительный этап (аналитический): Формулировка темы, цели и задач. Изучение научной литературы по физике полупроводников, наногетероструктурам, фотолюминесценции и атмосферной оптике.

2. Теоретическое моделирование и планирование эксперимента: Разработка схемы эксперимента, изучение устройства и принципа работы спектральной установки (монохроматор Horiba, лазер накачки, ПЗС-детектор).

3. Экспериментальный этап: Проведение измерений: настройка оптической схемы, юстировка лазерного пучка, регистрация спектра фотолюминесценции образца.

4. Аналитический этап: Обработка и интерпретация полученных спектральных данных. Сравнение экспериментальных результатов с теоретическими ожиданиями.

5. Заключительный этап (оформительский): Формулировка выводов, описание практической значимости работы, подготовка презентации и текста проекта к защите.

Методы и приёмы (методы исследования):

• Теоретические методы: Анализ научной литературы, систематизация информации, сравнительный анализ, моделирование (на качественном уровне) энергетической структуры квантовой ямы.

• Экспериментальные методы: Оптическая спектроскопия (метод фотолюминесценции) с использованием монохроматора. Применение методов юстировки и фокусировки оптических пучков.

• Методы обработки данных: графический анализ спектров, интерпретация пиков, соотнесение экспериментальных данных (длины волн) с физическими величинами (энергия фотонов, ширина запрещённой зоны).

РАЗДЕЛ I.(теоретический)

Квантовые ямы, что это такое?

Одним из варианта как можно реализовать новые технологии дистанционного зондирования и систем ночного видения – это используя в качестве материала квантовые ямы. Квантовые ямы – это материал, сделанный с помощью напыления одного полупроводникового материала на другой, представляющие собой многослойные структуры. Квантовыми ямами считаются двумерные объекты с характерной толщиной одного слоя десятки нанометров. Оптические свойства полупроводниковых квантовых ям определяются энергетической диаграммой носителей заряда в них. Основное отличие квантовых ям от объёмных материалов — это дискретный энергетический спектр, энергия носителей заряда в таких структурах изменяется дискретно. Дискретный энергетический спектр делает такие структуры схожими с атомами. Управляя геометрическими размерами квантовых ям, можно добиваться необходимых энергий оптических переходов носителей заряда. Таким образом можно управлять спектральным диапазоном работы оптоэлектронных устройств, созданных на основе квантовых ям.

Е

Рис1. Схематичное изображение экспериментальных структур с квантовыми ямами(сверху), энергетический профиль экспериментальной структуры (снизу).

На рисунке 1 представлено схематическое изображение структуры с квантовыми ямами. Для создания данного образца использовались такие хорошо изученные полупроводниковые соединения, как Al_xGa_1-xAs, они хорошо растут друг на друге, потому что у данных веществ схожи кристаллические решётки. Слои кристаллических решёток этих соединений формируют яму потенциальной энергии для электронов.

Как ведёт себя электрон в квантовой яме?

Электрон, оторванный от электронной оболочки, начинает бегать по кристаллу падая в квантовые ямы. В кристалле дискретные энергетические уровни отдельных атомов расширяются в энергетические зоны. Переформированные электронные оболочки, которые в атоме были исходные, а когда собрались в кристалл, они все немного изменились – это связано с тем, что рядом сними ещё много атомов, которые хорошо чувствуют друг друга и их оболочки, которые мы называем орбиталями, они меняются немного. У них уровни энергии изменяются, и каждая оболочка в итоге немного преображается.

Энергия электрона в квантовой яме становится дискретной (имеет конкретные разрешённые значения, к примеру E1 или E2) из-за его волновых свойств. Волна электрона может существовать в яме только с определёнными энергиями, которые задаются размерами ямы. В квантовой яме множество зон, одной из которых является запрещённая зона в которой электрон не может оказаться, также есть зона допустимых энергий, зона в которую электрон может попасть. Смотря на рисунок, надо понимать, что у нас внизу находится симметричная картина. Нахождение электрона на разных уровнях связано с тем, что исходным в атоме много электронных оболочек. Волновая функция описывает состояние электрона, а квадрат ее модуля дает вероятность обнаружения электрона в той или иной точке пространства. Для одиночной частицы предсказать ее положение невозможно.

Рис. 2. Схема захвата электрона в прямоугольную квантовую яму конечной глубины (а). Распределение вероятности обнаружения электрона в квантовой яме для первого уровня энергии (б) и для второго уровня энергии (в).

Процесс фотолюминесценции

Фотолюминесценция — это свечение материала, возникающее в результате его облучения светом (фотонами). Материал поглощает энергию фотонов, переводит электроны в возбуждённое состояние в зону проводимости, а при их возвращении в основное состояние в валентной зоне испускает свет (фотоны), часто с другой длиной волны. Валентная зона: последняя полностью заполненная электронами зона. Электроны в ней участвуют в образовании химических связей (ковалентных, полярных) и, как правило, участвуют в переносе тока. Зона проводимости: следующая разрешенная зона, расположенная выше валентной. Попадая в нее, электроны становятся свободными и могут участвовать в проводимости. Зелёный свет, обладающий достаточной энергией (большей, чем ширина запрещенной зоны материала Al_xGa_1-xAs), переводит электрон из валентной зоны в зону проводимости. Образование дырки: после перехода электрона в зону проводимости в валентной зоне остается пустое место — дырка, которая ведет себя как положительный носитель заряда.

Динамика свободных носителей: Свободные электроны (и дырки) могут диффундировать по кристаллу, стремясь равномерно распределиться. Квантовые ямы: Свободные электроны и дырки могут попадать в квантовые ямы — потенциальные ямы нанометрового размера. В яме энергия электрона и дырки квантуется, т.е. может принимать лишь определенные дискретные значения. Ширина ямы напрямую определяет положение этих энергетических уровней: в более узкой яме уровни расположены выше. Управление светом (окно прозрачности): поскольку энергия фотона света связана с его длиной волны, управляя шириной квантовой ямы (а значит, и энергией уровня, на который попадает электрон), можно управлять длиной волны света, с которой взаимодействует система. Это создает окно прозрачности для определенных длин волн. Местоположение электрона в квантовой яме описывается не точно, а вероятностно.

Рис.3. Схема оптических переходов в структуре с квантовыми ямами. Зелёной стрелкой показывается переход электрона в зону проводимости под действием зелёного света. Красными стрелками показываются переходы электронов из зоны проводимости в валентную зону с испусканием инфракрасного света.

Вывод

В ходе теоретического исследования были изучены фундаментальные принципы работы квантово-размерных гетероструктур.

Мы установили, что основной особенностью квантовых ям является дискретный энергетический спектр электронов и дырок, положение уровней которого напрямую зависит от геометрических размеров слоев (ширины ямы). Это позволяет управлять энергией оптических переходов в материале. Также был рассмотрен процесс фотолюминесценции как метод исследования таких структур: под действием внешнего лазерного излучения (накачки) в квантовых ямах возникают электронно-дырочные пары, рекомбинация которых приводит к испусканию света (фотонов) с характерной для данной структуры длиной волны. Таким образом, теоретическая часть работы создала необходимую базу для понимания процессов, которые будут исследоваться экспериментально, и подтвердила принципиальную возможность «настройки» оптических свойств материалов под конкретные задачи путем изменения параметров квантовых ям.

РАЗДЕЛ II. (практический)

Окна прозрачности

Рис.4. Прозрачность атмосферы в видимом и инфракрасном спектральных диапазонах электромагнитного излучения. На вставке приведены основные типы молекул, состоящих в атмосфере, которые поглощают электромагнитное излучение в данном спектральном диапазоне.

На Рис.4 представлены прозрачность и длина волны в видимом и инфракрасном диапазоне. Рассмотрев рисунок можно заметить, что перспективными зонами для наших задач находятся в диапазонах длин волн от 3 до 4 микрометрах и от 8 до 11 микрометрах. В первом диапазоне наблюдается более хорошая пропускная способность, а второй является самым широким. Именно в этих диапазонах возможно создание устройств дистанционного зондирования Земли и систем ночного видения.

Современная система ночного видения

Рис. 5. Прибор ночного видения с активной инфракрасной подсветкой.

ИК – осветитель является источником инфракрасного излучения. Излучаемый невидимый инфракрасный свет отражается от окружающих объектов и попадает в объектив, после чего передаётся на фоточувствительный сенсор, который передаёт информацию блоку электронной обработки изображения, питание осуществляются аккумуляторами. Вывод изображения осуществляется через окуляр. На основе структур с квантовыми ямами могут изготавливаться источники и приёмники инфракрасного излучения для приборов ночного видения.

Перспективным материалом, на основе которого можно изготавливать данные устройства являются полупроводниковые квантовые ямы. Основным методом характеризации таких структур является измерение спектров фотолюминесценции, которые позволяют определить спектральный диапазон чувствительности структуры.

Применение структур с квантовыми ямами в системах

дистанционного зондирования Земли

Фотоприёмник (детектор)

• Принцип работы: Фотоприёмников заключается в поглощении электроном инфракрасного фотона, после чего электрон переходит из нижней валентной зоны в более высокую проводниковую зону, откуда может быть «извлечён» внешним электрическим полем, создавая измеримый фототок.

• Ключевое преимущество: Спектральную чувствительность такого детектора можно с высокой точностью «настроить» на конкретное атмосферное окно (например, 3–4 мкм или 8–11 мкм) простым изменением ширины ямы и состава барьерных слоев в процессе роста структуры. Это позволяет создать специализированный датчик, «видящий» только в узком, наиболее прозрачном для атмосферы диапазоне.

Лазеры на квантовых ямах

• Активная область этих лазеров содержит множество квантовых ям. Когда в них попадают электрические заряды (электроны и дырки), они сталкиваются и испускают лазерный свет.

• Преимущество для ДЗЗ: Возможность создавать компактные, эффективные лазеры с точно заданной длиной волны излучения. Это критически важно для лидарных (LIDAR) систем активного зондирования, где лазерный луч зондирует поверхность или атмосферу, а отражённый сигнал анализируется.

В чём важность и польза для систем ДЗЗ?

• Приборы, настроенные на работу в окнах прозрачности на средние ИК-диапазоны (3–5, 8–14 мкм), менее подвержены влиянию дымки, тумана и облаков по сравнению с системами видимого и ближнего ИК-диапазона. Это обеспечивает надёжный сбор данных независимо от времени суток и в сложных метеоусловиях.

• Гиперспектральный анализ и идентификация веществ: Высокая спектральная избирательность детекторов на квантовых ямах позволяет создавать гиперспектральные камеры, которые регистрируют изображение не в нескольких широких каналах, а в сотнях узких спектральных полос. Это позволяет по «спектральному отпечатку» точно идентифицировать материалы на поверхности: определять типы растительности, степень её увядания, обнаруживать загрязнения воды и почвы (например, нефтяные плёнки), классифицировать горные породы.

• Термография и тепловидение: Диапазон 8–14 мкм соответствует излучению собственной тепловой энергии объектов при температурах около –50…+50 °C. Чувствительные детекторы на квантовых ямах позволяют составлять точные тепловые карты поверхности, что применяется для:

1. Мониторинга тепловых утечек зданий.

2. Обнаружения лесных пожаров на ранней стадии по тепловым аномалиям.

3. Изучения вулканической активности.

• Повышение эффективности активного зондирования (лидаров): Лазеры на квантовых ямах, излучающие в атмосферных окнах, позволяют лидарным системам достигать большей дальности и точности при зондировании атмосферных газов (определении концентрации CO₂, метана, загрязнителей) или при лазерной альтиметрии (измерении рельефа поверхности), так как их луч слабее поглощается и рассеивается в атмосфере.

Экспериментальная установка

На Рис. 6 приведена схема экспериментальной установки для измерения спектров фотолюминесценции. В качестве источника излучения накачки использовался твердотельный полупроводниковый лазер с длиной волны 532 нм. Лазерный пучок проходил через синий фильтр, который отсеивал лишнее излучение, далее луч попадал на зеркало, отражённый лазерный пучок фокусировался на экспериментальном образце в стеклянной колбе. Сигнал в виде отражённого зелёного света и инфракрасного излучения фокусировался на входной щели монохроматора при помощи собирающей линзы с фокусным расстоянием 11 см, линза устанавливалась на расстояние двойного фокусного от щели монохроматора и образца. Перед входной щелью располагалось красное стекло, выступающее в роли фильтра, который отсеивал отражённый зелёный свет. Решёточный монохроматор Horiba Jobin Yvon FHR-640 раскладывал входящее излучение в спектр, который регистрировался ПЗС (прибор зарядовой связи) матрицей на основе кремния. ПЗС-матрица — это ключевой элемент, который автоматически, превращает невидимое глазу инфракрасное излучение в цифровой график для последующего анализа. График отражается на экране компьютера.

Рис. 6. Схема экспериментальной установки для измерения спектров фотолюминесценции.

Al_xGa_1-xAs

Рис.7. Экспнриментальнгая установка

1 – Лазер (Зелёный)

2 – Синее стекло, выступающее в роли фильтра

3 – Монохроматор

4 – Красное стекло, фильтр для зелёного луча

5 – Кремниевая ПЗС (прибор зарядовой связи) матрица

6 – Большая фокусная линза

7 – Зеркало

8 – Собирающая фокусирующая линза

9 – Образец

Анализ результата измерения спектра образца

На Рис.8 представлен спектр фотолюминесценции структуры с квантовыми ямами твёрдого раствора Al_xGa_1-xAs/GaAs, измеренный при комнатной температуре. По вертикальной оси отложена интенсивность излучения, которая отражает число фотонов, имеющих определённую длину волны, а по горизонтальной оси отложена длина волны электромагнитного излучения. Полученная зависимость имеет два пика при примерном значении λ=856 нм и λ=867 нм. Эти пики формируются двумя типами межзонных оптических переходов электронов между уровнями размерного квантования.

Пик в области при длине волны 867 нм связан переходами с первого электронного уровня в зоне проводимости на первый дырочный уровень в валентной зоне. (См. рис.9)

Пик в области при длине волны 856 нм связан переходами со второго электронного уровня в зоне проводимости на второй дырочный уровень в валентной зоне. (См. рис.9)

λ=856 нм

λ=867 нм

Рис. 8. Спектр фотолюминесценции структуры с квантовыми ямами твёрдого раствора Al_xGa_1-xAs/GaAs.

Электроны могут захватиться на разные электронные уровни в зоне проводимости. Электроны с первого уровня в зоне проводимости могут переходить только на первый уровень в валентной зоне с испусканием фотона с малой энергией (см. рис. 9). Электрон со второго уровня в зоне проводимости могут переходить на второй уровень в валентной зоне с испускание фотона с большей, а также на первый уровень в зоне проводимости без излучения фотона (стукаясь об решетку), после чего может осуществлять переходы на первый уровень в валентной зоне с испусканием фотона с малой энергией (см. рис. 9). Таким образом число переходов с первого уровня в зоне проводимости на первый уровень в валентной зоне больше, чем число переходов со второго уровня в зоне проводимости на второй уровень в валентной зоне, поэтому в спектре фотолюминесценции преобладает пик при длине волны 867 нм.

Испускается колебание решетки

Рис.9. Схема оптических переходов в структуре с квантовыми ямами.

Вывод

В практической части работы была успешно освоена методика спектроскопии фотолюминесценции. На собранной и отъюстированной оптической установке с монохроматором Horiba FHR-640 и ПЗС-детектором проведено измерение спектра образца с квантовыми ямами AlGaAs/GaAs при комнатной температуре. В полученном спектре были четко зарегистрированы два пика фотолюминесценции с максимумами на длинах волн λ = 856 нм и λ = 867 нм. Анализ спектра позволил идентифицировать природу этих пиков: они соответствуют межзонным оптическим переходам носителей заряда с первого и второго уровней размерного квантования. Большая интенсивность длинноволнового пика (867 нм) объясняется эффектом релаксации электронов на первый энергетический уровень. Сравнение полученных длин волн с целевыми диапазонами для систем ночного видения и дистанционного зондирования (средний ИК-диапазон: 3–5 мкм и 8–14 мкм) показало, что исследованный материал AlGaAs/GaAs излучает в ближней ИК-области (~0.86 мкм). Тем не менее, сам факт наблюдения дискретных пиков, положение которых определяется структурой образца, экспериментально подтверждает основной принцип управления спектром. Практическая часть доказала, что метод фотолюминесценции является эффективным инструментом контроля параметров наногетероструктур, а для создания устройств, работающих в заданных «окнах прозрачности», необходимо дальнейшее исследование других полупроводниковых систем.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе проекта была достигнута основная цель: теоретически и экспериментально исследована фотолюминесценция квантово-размерных структур на основе AlₓGa₁₋ₓAs/GaAs.

Выдвинутая в начале работы гипотеза полностью подтвердилась: экспериментально зарегистрированный спектр фотолюминесценции имеет дискретный характер, а положение наблюдаемых пиков (856 нм и 867 нм) обусловлено оптическими переходами между уровнями размерного квантования, что напрямую зависит от геометрических параметров исследованных квантовых ям.

Все поставленные задачи были выполнены:

1. Изучены теоретические основы квантовых ям, фотолюминесценции и атмосферных окон.

2. Освоена и настроена спектроскопическая установка с монохроматором.

3. Измерен спектр фотолюминесценции образца при комнатной температуре.

4. Проведён анализ спектра: идентифицированы пики при ~867 нм и ~856 нм, соответствующие переходам между первыми и вторыми уровнями квантованя.

5. Сделан вывод о перспективности подхода.

В работе использовались запланированные методы: теоретический анализ, оптическая спектроскопия и графическая обработка данных. Все этапы проекта завершены.

Главный результат: экспериментально подтверждён ключевой принцип теории. Это доказывает возможность создания материалов с заданными оптическими свойствами.

Соотношение с практической целью: Хотя измеренное излучение (~860 нм) не попадает в целевые средние ИК-окна (3–5, 8–14 мкм), работа подтверждает правильность концепции. Для выхода в нужные диапазоны необходимо далее исследовать другие материалы или более сложные наноструктуры. Таким образом, проект выполнен успешно и закладывает основу для последующих прикладных разработок.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Научная и учебная литература:

1. «Оптические свойства наноструктур». Авторы: Воробьев Л. Е., Ивченко Е. Л., Фирсов Д. А., Шалыгин В. А.

2. «Размерное квантование. Часть 1. Энергетический спектр наноструктур». Авторы: Под редакцией Лыкова С. Н.

3. «Физика низкоразмерных систем». Авторы: Шик А. Я., Бакуева Л. Г., Мусихин С. Ф., Рыков С. А.

Электронные ресурсы:

1. arXiv.org [Электронный ресурс] // Сайт препринтов Cornell University. Раздел: Physics > Optics (physics.optics). – URL: https://arxiv.org/archive/physics.optics

2. Квантовые ямы, проволоки, точки [Электронный ресурс]: реферат // Studfile.net. – URL: https://studfile.net/preview/15053034/

3. Atmosfaerisk spredning-ru.svg [Электронный ресурс] : графическая схема рассеяния света в атмосфере // Википедия. — URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A4%D0%B0%D0%B9%D0%BB:Atmosfaerisk_spredning-ru.svg