Электронно-лучевая и голографическая запись поверхностно-рельефных структур с использованием многослойных наноструктур Ge₅As₃₇S₅₈–Se как регистрирующих сред
В работе исследованы процессы электронно-лучевой и голографической записи поверхностно-рельефных структур с использованием многослойных наноструктур Ge₅As₃₇S₅₈–Se как регистрирующих сред. Исследованы оптические свойства слоев Ge₅As₃₇S₅₈, Se и многослойных наноструктур Ge₅As₃₇S₅₈–Se. Спектральные зав...
Saved in:
| Published in: | Оптоэлектроника и полупроводниковая техника |
|---|---|
| Date: | 2015 |
| Main Authors: | , , , , , , , , , , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Інститут фізики напівпровідників імені В.Є. Лашкарьова НАН України
2015
|
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/116753 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Электронно-лучевая и голографическая запись поверхностно-рельефных структур с использованием многослойных наноструктур Ge₅As₃₇S₅₈–Se как регистрирующих сред / А.П. Паюк, А.Ю. Мешалкин, А.В. Стронский, Е.А. Акимова, С.А. Сергеев, В.Г. Абашкин, О.С. Литвин, П.Ф. Олексенко, А.М. Присакарь, Г.М. Тридух, Е.В. Сенченко с// Оптоэлектроника и полупроводниковая техника: Сб. научн. тр. — 2015. — Вип. 50. — С. 79-86. — Бібліогр.: 27 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-116753 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Паюк, А.П. Мешалкин, А.Ю. Стронский, А.В. Акимова, Е.А. Сергеев, С.А. Абашкин, В.Г. Литвин, О.С. Олексенко, П.Ф. Присакарь, А.М. Тридух, Г.М. Сенченко, Е.В. 2017-05-14T20:36:24Z 2017-05-14T20:36:24Z 2015 Электронно-лучевая и голографическая запись поверхностно-рельефных структур с использованием многослойных наноструктур Ge₅As₃₇S₅₈–Se как регистрирующих сред / А.П. Паюк, А.Ю. Мешалкин, А.В. Стронский, Е.А. Акимова, С.А. Сергеев, В.Г. Абашкин, О.С. Литвин, П.Ф. Олексенко, А.М. Присакарь, Г.М. Тридух, Е.В. Сенченко с// Оптоэлектроника и полупроводниковая техника: Сб. научн. тр. — 2015. — Вип. 50. — С. 79-86. — Бібліогр.: 27 назв. — рос. 0233-7577 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/116753 681.785.552 В работе исследованы процессы электронно-лучевой и голографической записи поверхностно-рельефных структур с использованием многослойных наноструктур Ge₅As₃₇S₅₈–Se как регистрирующих сред. Исследованы оптические свойства слоев Ge₅As₃₇S₅₈, Se и многослойных наноструктур Ge₅As₃₇S₅₈–Se. Спектральные зависимости показателя преломления проанализированы в рамках одноосцилляторной модели. С использованием зависимости Тауца определены значения ширины оптической запрещенной зоны для слоев Ge₅As₃₇S₅₈, Se и многослойных наноструктур Ge₅As₃₇S₅₈–Se. С помощью электронно-лучевой и голографической записи на многослойных наноструктурах Ge₅As₃₇S₅₈–Se получены дифракционные решетки. Также электронным лучом попиксельно было записано изображение герба Украины, размер изображения составлял 512×512 пикселей (размер одного пикселя составлял ~2 мкм). Многослойные наноструктуры Ge₅As₃₇S₅₈–Se перспективны как регистрирующие среды для записи голограммных дифракционных решеток и других оптических элементов. Processes of e-beam and holographic recording of surface-relief structures by using the Ge₅As₃₇S₅₈–Se multilayer nanostructures as registering media have been studied. Optical properties of Ge₅As₃₇S₅₈, Se layers and Ge₅As₃₇S₅₈–Se multilayer nanostructures have been also investigated. Spectral dependences of refractive index have been analyzed within the frames of single oscillator model. Values of optical band gap for Ge₅As₃₇S₅₈, Se layers and Ge₅As₃₇S₅₈–Se multilayer nanostructures have been determined from the Tauc dependence. Using the e-beam and holographic recording on Ge₅As₃₇S₅₈–Se multilayer nanostructures the diffraction gratings have been obtained. The image of state emblem of Ukraine was also obtained using the e-beam recording. The image size consisted of 512×512 pixels (size of one pixel was ~2 μm). The Ge₅As₃₇S₅₈–Se multilayer nanostructures as registering media are perspective for direct recording the holographic diffraction gratings and other optical elements. ru Інститут фізики напівпровідників імені В.Є. Лашкарьова НАН України Оптоэлектроника и полупроводниковая техника Электронно-лучевая и голографическая запись поверхностно-рельефных структур с использованием многослойных наноструктур Ge₅As₃₇S₅₈–Se как регистрирующих сред E-beam and holographic recording of surface relief structures by using the Ge₅As₃₇S₅₈–Se multilayer nanostructures as registering media Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Электронно-лучевая и голографическая запись поверхностно-рельефных структур с использованием многослойных наноструктур Ge₅As₃₇S₅₈–Se как регистрирующих сред |
| spellingShingle |
Электронно-лучевая и голографическая запись поверхностно-рельефных структур с использованием многослойных наноструктур Ge₅As₃₇S₅₈–Se как регистрирующих сред Паюк, А.П. Мешалкин, А.Ю. Стронский, А.В. Акимова, Е.А. Сергеев, С.А. Абашкин, В.Г. Литвин, О.С. Олексенко, П.Ф. Присакарь, А.М. Тридух, Г.М. Сенченко, Е.В. |
| title_short |
Электронно-лучевая и голографическая запись поверхностно-рельефных структур с использованием многослойных наноструктур Ge₅As₃₇S₅₈–Se как регистрирующих сред |
| title_full |
Электронно-лучевая и голографическая запись поверхностно-рельефных структур с использованием многослойных наноструктур Ge₅As₃₇S₅₈–Se как регистрирующих сред |
| title_fullStr |
Электронно-лучевая и голографическая запись поверхностно-рельефных структур с использованием многослойных наноструктур Ge₅As₃₇S₅₈–Se как регистрирующих сред |
| title_full_unstemmed |
Электронно-лучевая и голографическая запись поверхностно-рельефных структур с использованием многослойных наноструктур Ge₅As₃₇S₅₈–Se как регистрирующих сред |
| title_sort |
электронно-лучевая и голографическая запись поверхностно-рельефных структур с использованием многослойных наноструктур ge₅as₃₇s₅₈–se как регистрирующих сред |
| author |
Паюк, А.П. Мешалкин, А.Ю. Стронский, А.В. Акимова, Е.А. Сергеев, С.А. Абашкин, В.Г. Литвин, О.С. Олексенко, П.Ф. Присакарь, А.М. Тридух, Г.М. Сенченко, Е.В. |
| author_facet |
Паюк, А.П. Мешалкин, А.Ю. Стронский, А.В. Акимова, Е.А. Сергеев, С.А. Абашкин, В.Г. Литвин, О.С. Олексенко, П.Ф. Присакарь, А.М. Тридух, Г.М. Сенченко, Е.В. |
| publishDate |
2015 |
| language |
Russian |
| container_title |
Оптоэлектроника и полупроводниковая техника |
| publisher |
Інститут фізики напівпровідників імені В.Є. Лашкарьова НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
E-beam and holographic recording of surface relief structures by using the Ge₅As₃₇S₅₈–Se multilayer nanostructures as registering media |
| description |
В работе исследованы процессы электронно-лучевой и голографической записи поверхностно-рельефных структур с использованием многослойных наноструктур Ge₅As₃₇S₅₈–Se как регистрирующих сред. Исследованы оптические свойства слоев Ge₅As₃₇S₅₈, Se и многослойных наноструктур Ge₅As₃₇S₅₈–Se. Спектральные зависимости показателя преломления проанализированы в рамках одноосцилляторной модели. С использованием зависимости Тауца определены значения ширины оптической запрещенной зоны для слоев Ge₅As₃₇S₅₈, Se и многослойных наноструктур Ge₅As₃₇S₅₈–Se. С помощью электронно-лучевой и голографической записи на многослойных наноструктурах Ge₅As₃₇S₅₈–Se получены дифракционные решетки. Также электронным лучом попиксельно было записано изображение герба Украины, размер изображения составлял 512×512 пикселей (размер одного пикселя составлял ~2 мкм). Многослойные наноструктуры Ge₅As₃₇S₅₈–Se перспективны как регистрирующие среды для записи голограммных дифракционных решеток и других оптических элементов.
Processes of e-beam and holographic recording of surface-relief structures by using the Ge₅As₃₇S₅₈–Se multilayer nanostructures as registering media have been studied. Optical properties of Ge₅As₃₇S₅₈, Se layers and Ge₅As₃₇S₅₈–Se multilayer nanostructures have been also investigated. Spectral dependences of refractive index have been analyzed within the frames of single oscillator model. Values of optical band gap for Ge₅As₃₇S₅₈, Se layers and Ge₅As₃₇S₅₈–Se multilayer nanostructures have been determined from the Tauc dependence. Using the e-beam and holographic recording on Ge₅As₃₇S₅₈–Se multilayer nanostructures the diffraction gratings have been obtained. The image of state emblem of Ukraine was also obtained using the e-beam recording. The image size consisted of 512×512 pixels (size of one pixel was ~2 μm). The Ge₅As₃₇S₅₈–Se multilayer nanostructures as registering media are perspective for direct recording the holographic diffraction gratings and other optical elements.
|
| issn |
0233-7577 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/116753 |
| citation_txt |
Электронно-лучевая и голографическая запись поверхностно-рельефных структур с использованием многослойных наноструктур Ge₅As₃₇S₅₈–Se как регистрирующих сред / А.П. Паюк, А.Ю. Мешалкин, А.В. Стронский, Е.А. Акимова, С.А. Сергеев, В.Г. Абашкин, О.С. Литвин, П.Ф. Олексенко, А.М. Присакарь, Г.М. Тридух, Е.В. Сенченко с// Оптоэлектроника и полупроводниковая техника: Сб. научн. тр. — 2015. — Вип. 50. — С. 79-86. — Бібліогр.: 27 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT paûkap élektronnolučevaâigolografičeskaâzapisʹpoverhnostnorelʹefnyhstruktursispolʹzovaniemmnogosloinyhnanostrukturge5as37s58sekakregistriruûŝihsred AT mešalkinaû élektronnolučevaâigolografičeskaâzapisʹpoverhnostnorelʹefnyhstruktursispolʹzovaniemmnogosloinyhnanostrukturge5as37s58sekakregistriruûŝihsred AT stronskiiav élektronnolučevaâigolografičeskaâzapisʹpoverhnostnorelʹefnyhstruktursispolʹzovaniemmnogosloinyhnanostrukturge5as37s58sekakregistriruûŝihsred AT akimovaea élektronnolučevaâigolografičeskaâzapisʹpoverhnostnorelʹefnyhstruktursispolʹzovaniemmnogosloinyhnanostrukturge5as37s58sekakregistriruûŝihsred AT sergeevsa élektronnolučevaâigolografičeskaâzapisʹpoverhnostnorelʹefnyhstruktursispolʹzovaniemmnogosloinyhnanostrukturge5as37s58sekakregistriruûŝihsred AT abaškinvg élektronnolučevaâigolografičeskaâzapisʹpoverhnostnorelʹefnyhstruktursispolʹzovaniemmnogosloinyhnanostrukturge5as37s58sekakregistriruûŝihsred AT litvinos élektronnolučevaâigolografičeskaâzapisʹpoverhnostnorelʹefnyhstruktursispolʹzovaniemmnogosloinyhnanostrukturge5as37s58sekakregistriruûŝihsred AT oleksenkopf élektronnolučevaâigolografičeskaâzapisʹpoverhnostnorelʹefnyhstruktursispolʹzovaniemmnogosloinyhnanostrukturge5as37s58sekakregistriruûŝihsred AT prisakarʹam élektronnolučevaâigolografičeskaâzapisʹpoverhnostnorelʹefnyhstruktursispolʹzovaniemmnogosloinyhnanostrukturge5as37s58sekakregistriruûŝihsred AT triduhgm élektronnolučevaâigolografičeskaâzapisʹpoverhnostnorelʹefnyhstruktursispolʹzovaniemmnogosloinyhnanostrukturge5as37s58sekakregistriruûŝihsred AT senčenkoev élektronnolučevaâigolografičeskaâzapisʹpoverhnostnorelʹefnyhstruktursispolʹzovaniemmnogosloinyhnanostrukturge5as37s58sekakregistriruûŝihsred AT paûkap ebeamandholographicrecordingofsurfacereliefstructuresbyusingthege5as37s58semultilayernanostructuresasregisteringmedia AT mešalkinaû ebeamandholographicrecordingofsurfacereliefstructuresbyusingthege5as37s58semultilayernanostructuresasregisteringmedia AT stronskiiav ebeamandholographicrecordingofsurfacereliefstructuresbyusingthege5as37s58semultilayernanostructuresasregisteringmedia AT akimovaea ebeamandholographicrecordingofsurfacereliefstructuresbyusingthege5as37s58semultilayernanostructuresasregisteringmedia AT sergeevsa ebeamandholographicrecordingofsurfacereliefstructuresbyusingthege5as37s58semultilayernanostructuresasregisteringmedia AT abaškinvg ebeamandholographicrecordingofsurfacereliefstructuresbyusingthege5as37s58semultilayernanostructuresasregisteringmedia AT litvinos ebeamandholographicrecordingofsurfacereliefstructuresbyusingthege5as37s58semultilayernanostructuresasregisteringmedia AT oleksenkopf ebeamandholographicrecordingofsurfacereliefstructuresbyusingthege5as37s58semultilayernanostructuresasregisteringmedia AT prisakarʹam ebeamandholographicrecordingofsurfacereliefstructuresbyusingthege5as37s58semultilayernanostructuresasregisteringmedia AT triduhgm ebeamandholographicrecordingofsurfacereliefstructuresbyusingthege5as37s58semultilayernanostructuresasregisteringmedia AT senčenkoev ebeamandholographicrecordingofsurfacereliefstructuresbyusingthege5as37s58semultilayernanostructuresasregisteringmedia |
| first_indexed |
2025-11-24T16:05:44Z |
| last_indexed |
2025-11-24T16:05:44Z |
| _version_ |
1850482341888131072 |
| fulltext |
© А. П. Паюк, А. Ю. Мешалкин, А. В. Стронский, Е. А. Акимова, С. А. Сергеев, В. Г. Абашкин, О. С. Литвин,
П. Ф. Олексенко, А. М. Присакарь, Г. М. Тридух, Е. В. Сенченко, 2015
ISSN 0233-7577. Оптоэлектроника и полупроводниковая техника, 2015, вып. 50
79
УДК 681.785.552
А.П. Паюк, А.Ю. Мешалкин1, А.В. Стронский,
Е.А. Акимова1, С.А. Сергеев1, В.Г. Абашкин1,
О.С. Литвин, П.Ф. Олексенко, А.М. Присакарь1,
Г.М. Тридух1, Е.В. Сенченко
ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВАЯ И ГОЛОГРАФИЧЕСКАЯ ЗАПИСЬ
ПОВЕРХНОСТНО-РЕЛЬЕФНЫХ СТРУКТУР
С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МНОГОСЛОЙНЫХ НАНОСТРУКТУР
Ge5As37S58–Se КАК РЕГИСТРИРУЮЩИХ СРЕД
В работе исследованы процессы электронно-лучевой и голографической записи поверхностно-
рельефных структур с использованием многослойных наноструктур Ge5As37S58–Se как регистрирующих сред.
Исследованы оптические свойства слоев Ge5As37S58, Se и многослойных наноструктур Ge5As37S58–Se.
Спектральные зависимости показателя преломления проанализированы в рамках одноосцилляторной модели.
С использованием зависимости Тауца определены значения ширины оптической запрещенной зоны для слоев
Ge5As37S58, Se и многослойных наноструктур Ge5As37S58–Se. С помощью электронно-лучевой и
голографической записи на многослойных наноструктурах Ge5As37S58–Se получены дифракционные решетки.
Также электронным лучом попиксельно было записано изображение герба Украины, размер изображения
составлял 512×512 пикселей (размер одного пикселя составлял ~2 мкм). Многослойные наноструктуры
Ge5As37S58–Se перспективны как регистрирующие среды для записи голограммных дифракционных решеток и
других оптических элементов.
Ключевые слова: многослойные наноструктуры, дифракционные решетки, голографическая запись,
электронно-лучевая запись.
1. ВВЕДЕНИЕ
Эффект светочувствительности тонких пленок халькогенидных стекол был
открыт пятьдесят лет назад [1]. Тонкие пленки халькогенидных стекол также чувствительны
к потокам электронов, ионов и рентгеновским лучам [2-5]. Селективное травление после
экспонирования делает возможным получение поверхностных рельефов и использование
таких сред в качестве высокоразрешающих неорганических резистов [2, 5-7]. С исполь-
зованием тонких слоев халькогенидных стекол как высокоразрешающих сред и селективного
травления после экспонирования были получены голограммные дифракционные решетки с
предельными характеристиками и другие оптические элементы [6, 8].
Многослойные наноструктуры на основе халькогенидных стекол и возможность
использования их как регистрирующих сред были предложены в [9]. В отличие от получения
поверхностного рельефа с использованием селективного травления, на таких средах
возможно получение поверхностного рельефа непосредственно в процессе записи [9-13], ибо
процесс селективного травления требует контроля многих параметров – температуры,
концентрации травителя, и т.п. Также травители, используемые в таких случаях, часто
бывают токсичными. Поэтому разработка методов одностадийного изготовления поверх-
ностного рельефа считается перспективной для изготовления планарных дифракционных
оптических элементов. Халькогенидные стекла систем Ge–As–S характеризуются высокими
значениями показателя преломления, а их нелинейно-оптические свойства на два порядка
выше, чем у кварцевых стекол [14, 15]. Ранее нами была показана возможность
использования многослойных наноструктур Ge5As37S58–Se для записи поверхностного
рельефа [12]. В настоящей работе рассмотрена прямая (без последующего селективного
травления) запись голограммных дифракционных решеток и различных изображений с
помощью голографической и электронно-лучевой записи на многослойных наноструктурах
Ge5As37S58–Se как регистрирующих средах.
80
2. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Массивные стекла Ge5As37S58 были приготовлены обычным методом закалки из
расплава. Исходные компоненты помещались в кварцевые ампулы, откачивались и
запечатывались. Слои халькогенидов и халькогенидные многослойные наноструктуры были
приготовлены компьютерно-управляемым термическим вакуумным напылением двух
материалов (Ge5As37S58 и Se) из отдельных испарителей на вращающуюся подложку и в
одном вакуумном цикле напыления. Технологический процесс позволяет наносить слои и
структуры с толщинами от 0,005 до 3,0 мкм. Нанесение слоев на стеклянную подложку
осуществлялось через две маски (рис. 1). Толщину контролировали с помощью интер-
ферометрического сенсора толщины на длине волны λ = 0,95 мкм. Толщина каждого
нанослоя вычислялась делением общей измеренной толщины на количество слоев.
Схема поперечного сечения образцов показана на рис. 2, где 1 – стеклянная подложка;
2 – Ge5As37S58, нанесенный слой за слоем; 3 – многослойная наноструктура Ge5As37S58/Se; 4 –
Se, нанесенный слой за слоем. Перекрывающаяся часть образца состоит из чередующихся
нанослоев Se и Ge5As37S58, две полосы слоев Se и Ge5As37S58 перекрываются в центральной
части подложки, формируя многослойную наноструктуру Ge5As37S58–Se. Внешние и
внутренние полосы слоев содержат слои Ge5As37S58 и Se соответственно. Слои Ge5As37S58 и
Se были также нанесены в то же время на ту же подложку соответственно через окна маски и
использовались для контроля состава, а также для вычисления отношения толщины слоев в
одном модуляционном периоде N (общая толщина одного нанослоя Ge5As37S58 и одного
нанослоя Se). В результате были получены многослойные наноструктуры Ge5As37S58–Se с
общей толщиной ~3 мкм и общим числом нанослоев до 200 (100 нанослоев Ge5As37S58 и 100
нанослоев Se), а также модуляционным периодом N ~ 30 нм. Толщины составляющих слоев
Ge5As37S58 и Se были 16 и 14 нм соответственно. Для предотвращения кристаллизации слоев
Se, которые являются структурно нестабильными при нагревании и/или облучении,
нагревание слоев в процессе нанесения было минимизировано посредством вращения
подложки и уменьшенной температуры испарителя.
Рис. 1. Схема установки для изготовления многослойных
наноструктур на основе халькогенидных стекол: 1 – испа-
ритель халькогенидного стекла Ge5As37S58; 2 – испаритель
Se; 3 – стационарная маска; 4, 8 – кварцевые измерители
толщины, зафиксированные на маске; 5 – вращающийся
держатель образцов; 6 – кварцевый измеритель толщины,
зафиксированный на вращающемся держателе образцов; 7 –
интерференционный сенсор толщины на длине волны
0,95 мкм; 9 – окна напыления.
Рис. 2. Схема структуры образца: 1 –
подложка, 2 – слой Ge5As37S58, 3 – много-
слойная наноструктура Ge5As37S58–Se, 4 –
слой Se.
81
Рис. 3. Оптическое пропускание слоев Ge5As37S58, Se и многослойной наноструктуры Ge5As37S58–Se.
Полученные пленки исследовались с помощью оптической спектроскопии. Спектры
пропускання (рис. 3) были измерены в области 450–900 нм с использованием спектро-
фотометра Specord M40 для определения спектральних зависимостей показателя
преломления, толщины и оптической запрещенной зоны слоев Ge5As37S58, Se и
многослойной наноструктуры Ge5As37S58–Se.
3. ЗАПИСЬ РЕШЕТОК И ИЗОБРАЖЕНИЙ
Запись голограммных дифракционных решеток проводили с помощью
излучения DPSS лазера на длине волны 532 нм, дифракционную эффективность
дифракционных решеток контролировали в процессе записи на длине волны 650 нм. Схема
записи показана на рис. 4.
Запись электронным пучком дифракционных решеток и других оптических элементов
осуществлялась с использованием сканирующего электронного микроскопа Tesla BS 300 с
программным блоком управления экспозицией. Были записаны решетки с периодами 1, 2 и
4 мкм (ток луча ~4–10 нA). Также попиксельно было записано изображение герба Украины,
размер изображения составлял 512×512 пикселей (размер одного пикселя ~2 мкм).
Поверхностный рельеф исследовали с помощью атомно-силовой микроскопии.
Рис. 4. Схема записи дифракционных решеток: DPSS – лазер (532 нм, 100 мВт), SF и L – пространственный
фильтр и коллиматор, BS – делитель пучка 50/50, M – плоские зеркала, S – регистрирующая среда (образец),
LD – лазерный диод (650 нм, 5 мВт), PD – фотоприемное устройство.
82
4. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Как видно из рис. 3, край поглощения многослойных наноструктур практи-
чески совпадает с краем поглощения селена (см. также таблицу).
Необходимо также отметить высокое оптическое качество слоев Ge5As37S58 и
многослойных наноструктур Ge5As37S58–Se (в местах интерференционных максимумов
пропускание пленок совпадает с пропусканием подложки) и достаточно высокий уровень
рассеяния в слоях селена (рис. 3). Полученные спектральные зависимости показателя
преломления слоев и многослойных наноструктур были проанализированы в рамках
одноосцилляторной модели, а также получены ее параметры.
В соответствии с этой моделью показатель преломления n связан с энергией
падающего фотона E посредством соотношения ( )22
00
2 1 EEEEn d −=− , где E0 – энергия
эффективного осциллятора и Ed – дисперсионная энергия. В этом выражении E0 определяет
положение эффективного осциллятора, связанного со средним значением запрещенной зоны
(энергетического промежутка), а Ed – дисперсионная энергия, которая характеризует силу
межзонных переходов. Чтобы получить значения E0 и Ed, необходимо построить зависимости
( ) ( )212 1 Efn =−
− с помощью метода наименьших квадратов. В таблице приведены параметры
одноосцилляторной модели – дисперсионная энергия и положение эффективного
осциллятора, а также значения оптической запрещенной зоны, полученные с помощью
соотношения Тауца αhν = const(hν−Eg)², где hν – энергия кванта света, α – коэффициент
поглощения.
Необходимо отметить, что величины запрещенных зон слоев Se и многослойной
наноструктуры Ge5As37S58–Se близки.
Механизм оптической записи в многослойных наноструктурах связывается с
фотостимулированными (или электроно-, ионостимулированными) интердиффузионными
процессами в халькогенидных нанослоях [16]. Предложенная модель для низкой
интенсивности записывающего излучения позволила рассчитать эволюцию записываемых
профилей при голографической записи. Дальнейшее развитие такого подхода было сделано в
[17], где было учтено нагревание многослойной наноструктуры при облучении светом
высокой интенсивности и соответствующие нелинейности процесса записи. Также
отмечается, что изменение толщины в результате процессов интердиффузии в чередующихся
нанослоях может достигать величин ~5% и выше.
На рис. 5 показано изображение поверхности голограммной дифракционной решетки
с пространственной частотой 1000 мм–1, полученной на основе многослойной наноструктуры
Ge5As37S58–Se.
Здесь необходимо отметить, что кинетика записи голограммных решеток является
поляризационно чувствительной. Также отметим, что поверхностный рельеф формируется
непосредственно в процессе записи (без селективного травления после экспонирования).
Рис. 5. АСМ изображение поверхности голограммной дифракционной решетки с пространственной частотой
1000 мм–1, полученной с использованием многослойных наноструктур Ge5As37S58–Se.
83
Таблица. Параметры одноосцилляторной модели и значения ширины запрещенной зоны для пленок Ge5As37S58,
Se и многослойных наноструктур Ge5As37S58–Se.
Состав n(0) Ed, эВ E0, эВ Eg, эВ
Se 2,28 19,09 4,53 1,91
Ge5As37S58 2,24 18,29 4,57 2,27
Ge5As37S58–Se 2,37 17,67 3,84 1,92
Селективное травление требует контроля многих параметров (температуры,
концентрации травителя, его состава и т.п.). Кроме того, селективные травители для сред на
основе халькогенидных стекол часто весьма токсичны. Поэтому разработку методов прямой
и одноступенчатой записи поверхностных рельефных структур можно считать
перспективной для получения планарных дифракционных оптических элементов.
В тонких пленках халькогенидных стеклообразных полупроводников при облучении
потоками электронов или ионов происходят структурные изменения [2-5, 18]. Наблюдались
сдвиги края поглощения или деформация поверхности при облучении электронным пучком.
С помощью последующего селективного травления тонкие пленки халькогенидных
стеклообразных полупроводников можно было использовать в процессах литографии с
высоким разрешением. В [18] отмечается, что эффекты увеличения толщины слоя,
стимулированные облучением электронным пучком, в отдельных компонентах много-
слойной наноструктуры (например, Se и As2S3) не являются аддитивными по отношению к
увеличению толщины в тех же условиях облучения многослойной наноструктуры Se–As2S3.
Сумма увеличения толщин в отдельных слоях составляет только 30% от общего измеренного
увеличения толщины в многослойной наноструктуре Se–As2S3. В многослойных структурах
нужно учитывать еще и наличие других процессов, например, образование As–S–Se.
Полагается, что индуцированные светом и потоками электронов процессы активируют
подобные структурные изменения в таких средах.
На рис. 6 приведены АСМ изображения дифракционных решеток с периодами 4 и
2 мкм, записанных электронным лучом. Дифракционная эффективность решеток достигала
1%. Качество рельефа решеток достаточно высокое. Необходимы дальнейшие исследования
по оптимизации параметров многослойных наноструктур и условий записи решеток.
Период 4 мкм
Период 2 мкм
Рис. 6. Дифракционные решетки, полученные с помощью электронно-лучевой записи.
84
На рис. 7а показан фрагмент изображения герба Украины в виде пиксельной
структуры размерами 512×512 пикселей (размер пикселя ~2 мкм). Фрагмент АСМ
изображения герба показан на рис. 7б. Необходимо отметить, что высота пикселей при
данных условиях записи доходит до 200–300 нм.
Рис. 7. (а) Фрагмент изображения герба Украины в виде пиксельной структуры; (б) фрагмент АСМ
изображения герба с использованием многослойной наносистемы Ge5As37S58–Se.
5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Полученные результаты показывают, что с использованием многослойных
наноструктур Ge5As37S58–Se можно осуществлять прямую запись голограммных оптических
элементов (дифракционных решеток), а также прямую запись электронным лучом
дифракционных решеток и различных поверхностных структур.
Работа выполнена при поддержке проекта FP-7 SECURE-R21.
Работа посвящается пятидесятилетию открытия эффекта светочувствительности
тонких слоев халькогенидных полупроводников:
М.Т. Костышин, Е.В. Михайловская, П.Ф. Романенко, Г.А. Сандул, О фотогра-
фической чувствительности тонких полупроводниковых слоев (Журнал Научной и
Прикладной Фотографии и Кинематографии, 10 (6), с. 450-451 (1965)).
Первые в мире изображения, полученные на тонких слоях халькогенидных стеклообразных полупроводников: слева –
слои Sb2S3, справа – слои As2S3.
а б
85
A.P. Paiuk, A.Yu. Meshalkin, A.V. Stronski, E.A. Achimova, S.A. Sergeev,
V.G. Abashkin, O.S. Lytvyn, P.F. Oleksenko, A.M. Prisacar, G.M. Triduh,
E.V. Senchenko
E-BEAM AND HOLOGRAPHIC RECORDING OF SURFACE RELIEF
STRUCTURES BY USING THE Ge5As37S58–Se MULTILAYER
NANOSTRUCTURES AS REGISTERING MEDIA
Processes of e-beam and holographic recording of surface-relief structures by using the Ge5As37S58–
Se multilayer nanostructures as registering media have been studied. Optical properties of Ge5As37S58, Se layers and
Ge5As37S58–Se multilayer nanostructures have been also investigated. Spectral dependences of refractive index have
been analyzed within the frames of single oscillator model. Values of optical band gap for Ge5As37S58, Se layers and
Ge5As37S58–Se multilayer nanostructures have been determined from the Tauc dependence. Using the e-beam and
holographic recording on Ge5As37S58–Se multilayer nanostructures the diffraction gratings have been obtained. The
image of state emblem of Ukraine was also obtained using the e-beam recording. The image size consisted of
512×512 pixels (size of one pixel was ~2 μm). The Ge5As37S58–Se multilayer nanostructures as registering media are
perspective for direct recording the holographic diffraction gratings and other optical elements.
Keywords: multilayer nanostructures, diffraction gratings, holographic recording, e-beam recording.
1. М.Т. Костышин, Е.В. Михайловская, П.Ф. Романенко, Г.А. Сандул, О фотографической чувствительности
тонких полупроводниковых слоев // Журнал Научной и Прикладной Фотографии и Кинематографии. –
1965. – 10, №6. – P. 450-451.
2. Photoprocessing and lithographic applications / Y. Mizushima and A. Yoshikawa // Amorph. Semicond.,
Technologies & Devices: Tokyo e.a. Amsterdam. – 1982. – P. 277-295.
3. Ion-beam induced silver doping in Ag2Se/GeSe – resist system / R. Klabes, A. Thomas, G. Kluge et al. // phys.
status solidi (a). – 1988. – 106, № 1. – P. 57-65.
4. X-ray lithography with Ag-Se/GeSe inorganic resist using synchrotron radiation / K. Saito, Y. Utsigi, and
A. Yoshikawa // J. Appl. Phys. – 1988. – 63, № 2. – P. 565-567.
5. Production of metallic patterns with the help of high resolution inorganic resists / A. Stronski // Microelectronic
Interconnections and Assembly, NATO ASI Series, 3:High Technology. – 1998. – 54. – P. 263-293.
6. Holographic optical element fabrication using chalcogenide layers / I.Z. Induntyi, A.V. Stronski,
S.A. Kostioukevitch et al. // Opt. Eng. – 1995. – 34, № 4. – P. 1030-1039.
7. Photosensitive properties of chalcogenide vitreous semiconductors in diffractive and holographic technologies
applications / A.V. Stronski, M. Vlcek // J. Optoelectron. and Adv. Mater. – 2002. – 4, № 3. – P. 699-704.
8. Application of As40S60-XSeX layers for high efficiency gratings production / A. Stronski, M. Vlček, A. Sklenař
et al. // J. Non-Cryst. Solids. – 2000. – 266-269. – P. 973-978.
9. Е.Ф. Венгер, А.В. Мельничук, А.В. Стронский. Фотостимулированные процессы в халькогенидных
стеклообразных полупроводниках и их практическое применение. – К.: Академпериодика, 2007.
10. Imaging properties of As40S40Se20 layers / A.V. Stronski, M. Vlček // Optoelectronics Review. – 2000. – 8, №3.
– P. 263-267.
11. Surface relief grating formation in amorphous As40S15Se45 and As2S3 films under 0.532 μm wavelength
illumination / M. Reinfelde, J. Teteris, and E. Potanina // Can. J. Phys. – 2014. – 92. – P. 659-662.
12. Light-stimulated structural transformations and optical recording in amorphous nano-layered structures /
S. Kikineshi // J. Optoelectron. and Adv. Mater. – 2001. – 3, № 2. – P. 377-382.
13. Amorphous chalcogenide nanomultilayers: research and development / S. Kokenyesi // Ibid. – 2006. – 8, № 6. –
P. 2093.
14. Optical properties of nanomultilayers from chalcogenide glasses / A. Andriesh, V. Abaskin, E. Achimova et al. //
6-th Intern. Conf. on Materials Science and Condensed Matter Physics: Abstracts. – Chisinau, Moldova, 2012. –
P. 206.
15. Imaging ellipsometry mapping of photo-induced refractive index in As2S3 films / C. Röling, P. Thiesen,
A. Meshalkin et al. // J. Non-Cryst. Solids. – 2013. – 365. – P. 93-98.
16. Surface relief formation in Ge5As37S58–Se nanomultilayers / A. Stronski, E. Achimova, A. Paiuk et al. // J. Non-
Cryst. Solids. – 2015. – 409. – P.43-48.
17. Direct surface relief formation on As2S3 –Se nanomultilayers in dependence on polarization states of recording
beams / E. Achimova, A. Stronski, V. Abaskin, A. Meshalkin, A. Paiuk, A. Prisacar, P. Oleksenko, G. Triduh //
Optical Materials. – 2015. –47. – Р. 566–572.
18. Methods comparing peculiarities of surface-relief recording in amorphous chalcogenides // Roland Bohdan,
Sandor Molnar and Sandor Kokenyesi // Phys. status solidi (a). – 2015. – 212, № 10. – Р. 2186-2190.
86
19. Optical characterization of As-Ge-S thin films / A.V. Stronski, M. Vlcek, I.D. Tolmachov, H. Pribylova //
J. Optoelectron. and Adv. Mater. – 2009. – 11, №11. – P. 1581-1585.
20. Linear and nonlinear optical properties of Ge-As-S films / I.D. Tolmachov, A.V. Stronski // Proc. SPIE. – 2008.
– 7138. – P. 71381X-1–71381X-6.
21. Behavior of the Electronic Dielectric Constant in Covalent and Ionic Materials / S.H. Wemple and
M. DiDomenico // Phys. Rev. B. –1971. – 3, № 4. – P. 1338-1350.
22. The Wemple–DiDomenico model as a tool to probe the building blocks conforming a glass / J.M. Gonzalez-Leal
// Phys. status solidi B. – 2013. – 250, № 5. – Р. 1044-1051.
23. Surface deformations and amplitude phase recording in chalcogenide nanolayerd structures A. Kikineshi,
V. Palyok, L.A. Szabo et al. // J. Non-Cryst. Solids. –2003. – 326&327. – P. 484-488.
24. Nonlinear photo-diffusion in amorphous chalcogenide multilayers / I. Ivan, I.A. Szabo, and S. Kokenyesi //
Defect and Diffusion Forum. – 2005. – 237-240. – P. 1210-1215.
25. Photon and electron induced transformations and pattern formation in amorphous chalcogenide nano-layers /
V. Takáts // Ph.D. Thesis University of Debrecen, 2012.
26. Comparative study of electron- and photo-induced structural transformations on the surface of As35S65
amorphous thin films / A. Kovalskiy, J.R. Neilson, A.C. Miller, F.C. Miller, M. Vlcek, H. Jain // Thin Solid
Films. – 2008. – 516. – Р. 7511-7518.
27. Direct write of optical waveguides on chalcogenide thin films using electron beams / G.B. Hoffman, W. Zhou,
R. Sooryakumar, and R. M. Reano // J. Vacuum Sci. & Technol. B. – 2009. – 27. – Р. 2737-2741.
Институт физики полупроводников Получено 04.06.2015
им. В.Е. Лашкарева НАН Украины
проспект Науки, 41,
03680 Киев, Украина
е-mail: stronski@isp.kiev.ua
1Институт прикладной физики
Академии Наук Молдовы,
ул. Академическая, 5,
MD-2028 Кишинев, Молдова
|