Nanostructured Semiconductor Materials for Light Manipulation Functions
Tid: Fr 2020-11-20 kl 13.00
Plats: Via Zoom https://kth-se.zoom.us/webinar/register/WN_tQXLZpLBTquHJyY79rXEIA, Stockholm (English)
Ämnesområde: Fysik, Optik och fotonik
Respondent: Dennis Visser , Tillämpad fysik, Photonics group
Opponent: Dr. Alvaro Blanco, Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid (CSIC)
Handledare: Prof. Srinivasan Anand, Tillämpad fysik
Abstract
Strukturering av halvledarmaterial har många användningar inom optoelektroniska komponenter, t.ex. för att göra dem mer effektiva, kostnadseffektiva, och/eller för att uppnå våglängdsspecifika funktioner. Halvledarmaterial används ofta för optoelektroniska komponenter på grund av deras goda optiska och elektriska egenskaper. Ytstrukturering av halvledarmaterial kan användas till att funktionalisera ytan med egenskaper för att manipulera ljus (t.ex. antireflexion, infångning, spridning och/eller mode-koppling). Därigenom kan interaktioner mellan ljus och materia kontrolleras för specifika optoelektroniska ändamål. Valet av material, geometri och period hos ytstrukturerna är viktiga faktorer. Arbetet som presenteras i den här tesen undersöker nanostrukturering av flera olika halvledarmaterial (t.ex. c-Si, a-Si, GaInP, TiO2 och ZnO) för applikationer inom optiska sensorer, hög bandbredds antireflexion, ökning av ljusextraktion, färgfiltrering och färgkonvertering. Fält av c-Si nanopelare används som en plattform för optiska sensorer. Deras karakteristiska reflexionsspektrum används, där ett skifte i positionen hos en reflexionstopp är relaterat till brytningsindexen och tjockleken på ett deponerat lager. En tillverkningsmetod baserad på ’nanoimprint lithography’ och reaktiv jonetsning med induktivt kopplat plasma användes för att tillverka fält av Si nanopelare. Brytningsindex detektion undersöktes med experiment och simulering. För brytningsindex detektion demonstrerades detektion av både ändring i index för ett omkringliggande medium och för tunna lager på ytan av pelarna. Medium avläsningen gav en brytningsindexsensitivitet på ~250 nm/RIU inom det synliga ljusspektrumet och en lägsta detektionsgräns på ~2∙10-4 RIU-1. Detektion på ytan möjliggör mätning av lagertjocklekar av SiO2 och Si3N4 på ner till ~8.1∙10-2 och ~5.2∙10-2 nm, respektive, mindre än ett monolager av dessa material. Fält av a-Si nanodiskar demonstreras för antireflexion med hög bandbredd och optisk/färg filtrering. Diskarnas Mie resonanser utnyttjades genom att kontrollera disk diametern. Substratfria a-Si nanodiskfält framställdes genom en ’top-down’ metod baserad på kolloidal litografi, reaktiv jonetsning med induktivt kopplat plasma samt etsning av offerskikt. Detta resulterade i nanodiskfält med en hexagonal periodicitet på 500 nm, höjd 200 nm och varierande diametrar från 150 till 400 nm. Hög bandbredds antireflexion demonstrerades när nanodiskfälten placerades på ett kiselsubstrat. En genomsnittlig reflexion på ~7.5 % erhölls i det synliga-NIR våglängdsspektrumet för nanodiskfält på Si. Genom att bädda in diskarna i en högtransparant film (PDMS), demonstrerades (reflexion och transmission) optiska/färg filter funktioner i det synliga-NIR våglängdsspektrumet. Spektrofotometri och simulering användes för optisk karakterisering. För filter applikationerna erhölls reflexions och transmissions toppar som kunde kontrolleras med ett skifte på ~1.5 nm per nm ökning av disk diameter. Strukturerade metall-oxid baserade optiska beläggningar demonstreras för icke absorberande- hög bandbredds-antireflexion hos solceller samt för ökning av ljusextraktion i LEDs. Sol-gel ZnO nanodiskar- och nanokon-fält framställdes genom en kombination av dropp-deponering, kolloidal litografi och reaktiv jonetsning. Nanopartikel-baserade TiO2 mikro-koner och nanodiskar framställdes genom en mjukpräglingsmetod som utvecklats internt. Både ZnO och TiO2 strukturerna karakteriserades med spektrofotometri och simulering. De tillverkade ZnO nanokon- och TiO2 nanodisk-fälten på kisel gav en lägsta genomsnittlig reflexion på ~7.5% och ~7% i det synliga-NIR våglängdsspektrumet, respektive. Reflexioner från ytan så låga som ~4% ix visades vara möjliga i simuleringsstudier för optimerade ZnO nanokon- och TiO2 nanodisk-fält. Fält av TiO2 nanodiskar framställdes på prefabricerade planära solceller med en enkel pnövergång av Si, GaAs eller InP. Detta resulterade i en ökning av densiteten kortslutningsström med ~1.3 gånger och en lätt ökning (~10-20 mV) av spänningen vid öppen krets. TiO2 mikrokoner tillverkades på tunnfilm LEDs i vertikal ordning av GaN. Detta gav en ökad optisk effekt med ~2.1 gånger ursprungsvärdet. GaInP nanotråd/nanopelar fält demonstreras för applikation inom färgkonvertering. Detta undersöktes för konversion från blå (450 nm) och grön (532 nm) till röd (~660 nm) ljusemission (t.ex. för LEDs med hög ljusstyrka). Nanopelar/tråd strukturer visar fördelar inom in- och ut- koppling av ljus. Detta resulterar i en ökning av absorption samt bättre ljusextraktion för samma typ av strukturering. Två ’top-down’ fabrikationsprocesser demonstrerades för att erhålla högkvalitativa GaInP nanopelare/trådar från GaInP lager växta på GaAs (100), med matchande gitterkonstanter. En passiveringsbehandling användes för att få högkvalitativa GaInP nanotråds-fält med en laddningsbärarlivstid på 0.6 ns och en ~5 falt ökad fotoluminiscensintensitet. En simuleringsstudie utfördes för optimering av GaInP nanotråds-fältens absorption av blått och grönt ljus. Baserat på studien tillverkades liknande GaInP nanopelar-fält. Ett GaAs offerskikt användes under de tillverkade strukturerna för att kunna frigöra dem från substratet. Strukturerna inbäddades i en PDMS film för att studera deras optiska- och färgkonverteringsegenskaper. Nanotråd/pelar strukturerna visade nästan 100% absorption av (blått) inkommande ljus. En fotoluminiscensstudie gjordes för att demonstrera färgkonvertering, vilken indikerade gynnsamma egenskaper hos nanotråd/pelar-fälten.