CdL Scienza dei Materiali - Fisica delle Nanotecnologie - a.a. 2002/3
Appunti & trasparenze - Parte 4
Versione 1, Ottobre 2002
Francesco Fuso, tel 0502214305, 0502214293 - [email protected]
http://www.df.unipi.it/~fuso/dida
Cenni sulle proprietà ottiche di nanoparticelle; proprietà
ottiche di eterostrutture e strutture a confinamento
quantico (MQW, QW, QD). Silicio poroso. Cenni su laser
a diodo (eterogiunzione, VCSEL, quantum cascade) e
su cristalli fotonici.
28/10/2002 - 8.30+2 ch10
Fisica delle Nanotecnologie 2002/3 - ver. 1 - parte 4 - pag. 1
Interazione radiazione/nanoparticelle
Grossolanamente:
– effetti di coerenza nella luce scatterata già per l ~ size ;
– effetti di confinamento quantico per l << size (mean free
path in metalli, formazione di eccitoni in semiconduttori,...)
Effetti dell’interazione (“colore”) dipendono dalle
dimensioni delle nanoparticelle e dalla loro spaziatura
See MRS Bull. 26 (2001)
Fotoluminescenza (PL) di quantum dots
di diverse dimensioni
Anche forti effetti nonlineari
(e dipendente da E)
ad es. utili per diagnostica
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Confinamento quantico: superreticoli e M QW
Superreticolo: alternanza di strati di
semicond. diversi (tip. cresciuti per MBE)
Multiple Quantum Wells: superreticolo con
spaziatura sufficiente a impedire tunneling
(proprietà ottiche --> size legata a lrad , non ldB!!)
Da Bassani Grassano,
Fisica dello Stato Solido,
Boringhieri (2000)
Crescita di eterostrutture
--> matching reticolare (pseudomorf.)
--> strain/stress
--> critical thickness (e dislocazioni)
Fisica delle Nanotecnologie 2002/3 - ver. 1 - parte 4 - pag. 3
Confinamento quantico 2DEG in MQW
Da Yu and Cardona
Fundamentals of Semicond.
Springer (1996)
Barriere di potenziale in MQW
spessore typ. > 2 nm
spessore typ. < 2 nm
Leghe stabili
Crescita
pseudomorfica
possibile
Bandgap enigineering
possibilità di tunare
gli effetti di confinamento
Es.: A=GaAs (EgA ~ 1.5 eV, lattice 5.653 Å)
B=AlAs (EgB ~ 2.3 eV, lattice 5.62 Å)
opp. B=Ga1-xAlxAs (con x typ. ≤ 0.3)
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Livelli e subbands in MQW,
subbands
Da Bassani Grassano,
Fisica dello Stato Solido,
Boringhieri (2000)
DOS 2D
eq. di Schrödinger
onde piane lungo x ed y
heavy and light holes
buca infinita
Sistema discreto
di sottobande
(con rimozione deg.)
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Da Bassani Grassano,
Fisica dello Stato Solido,
Boringhieri (2000)
Nanostrutture 1D e 0D (quantum wires and dots)
InP islands grown on and capped with InGaP
(fabbricate via MetallOrganic VaporPhaseEpitaxy)
AFM
images
Ridotta dimensionalità
--> engineered level scheme
(tip. E nel range ottico)
See Hessmann et al.
APL 68 (1996)
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Cenni sugli eccitoni
Coppie elettrone-buca (ad es., generate via photon absorption)
possono dare origine a sistemi legati (per forza Coulomb.): eccitoni
In sistemi a conf. quant. si ha alta
prob. di avere eccitoni
(per overlap f.ni d’onda e-h )
atomi artificiali con livelli idrogenoidi
Ricombinazione eccitoni --> fotoni
utilizzo in optoelettronica
(es. laser a diodo)
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Laser a diodo e VCSEL
Laser a diodo a eterogiunzione
(tradizionale)
Distributed Bragg Reflector structure
guida d’onda
cavità
l ~ 650-850 nm
Emissione legata a ric. eccitoni
(grande guadagno, tunabilità,…)
QD-Vertical Cavity Surface Emitting Laser
See MRS Bull. 27 (July 2002)
Vantaggi VCSEL:
cavità corta --> qualità ottica, indipendenza dalla temp.,
piccole dimensioni --> bassa soglia, efficienza, …
emissione superficiale --> integrazione, densità, ...
l ~ 1.3 mm
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Quantum cascade laser
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Silicio poroso (e nanocristalli di Si)
Fotoluminescenza di µ-cavità di po-Si:
analisi SNOM --> aggregati di nanocristalli di Si
Silicio cristallino:
transizione indiretta
(bassa efficienza)
Da F.F. et al., J. Appl. Phys
91 5405 (2002)
TEM
See Amato et al.
Struct. and Opt. Prop. of
Po-Si nanostructures
(Gordon and Breach (1997)
HRTEM
PL SNOM
nanocrystalline regions
TE diffraction
100 nm
po-Si ottenuto per etching
elettrochimico del cristallo bulk
1.8 nm
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Cenni su cristalli fotonici
See MRS Bull. 26 (Aug 2001)
Micro e nanofabbricazione
per dispositivi in campo ottico
See http://nccr-qp.epfl.ch/qpproject9.htm
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