Лазерная коррекция фоточувствительности полупроводниковых пленок для газовых и биосенсоров

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 23-29-10081

НазваниеЛазерная коррекция фоточувствительности полупроводниковых пленок для газовых и биосенсоров

Руководитель Пушкарева Александра Евгеньевна, Кандидат технических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет ИТМО" , г Санкт-Петербург

Конкурс №76 - Конкурс 2023 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами» (региональный конкурс)

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-710 - Новые материалы для наноэлектронных приборов

Ключевые слова Пленки селенида свинца, лазерное воздействие, фоточувствительность, фотовольтаика, оптические свойства, вольт-амперные характеристики, биосенсор

Код ГРНТИ29.19.16, 29.31.27, 29.33.47

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Устройства газового анализа важны для мониторинга окружающей среды и защиты её от выбросов в атмосферу различных отравляющих газов. Применение данных устройств является необходимым условием для безопасной работы крупных нефтеперерабатывающих, химических других предприятий, производства которых связаны с токсичными и вредными для природы и здоровья человека веществами. В конструкции большинства устройств газового анализа фоточувствительным элементом является полупроводниковая пленка, оптические характеристики которой корректируются с помощью тепловой обработки в печи. Такой метод повышения фоточувствительности пленок PbSe является технологически сложным в реализации, что в большинстве случаев не поддается контролю и выдает высокий процент брака на стадии изготовления фотодетекторов устройства. Альтернативой использования тепловой обработки в печи является лазерная модификация структуры и свойств таких пленок. Применение лазерного облучения позволяет осуществить локальную модификацию структуры и, вместе с этим, прогнозируемое изменение оптических и электрических характеристик пленок. Фототермическое действие на пленку при лазерном облучении приводит к резкому и локальному нагреванию материала с последующей структурно-фазовой модификацией за счет высоких температуры, ее градиента и скорости нагрева/охлаждения. Результатом такой модификации структуры становится лазерная коррекция фоточувствительности материала в определенном спектральном диапазоне. Развитие и внедрение этой технологии позволит существенно улучшить чувствительность устройств газового анализа, а также изменить их конструкцию, сделав более компактными и менее энергозатратными. Кроме того, лазерная обработка халькогенидных пленок, в отличие от тепловой обработки в печи, может быть полностью автоматизирована, что повысит процент выхода годной продукции и снизит себестоимость производства. Не менее важной задачей становится оценка качества халькогенидных пленок после лазерного облучения, учитывающая изменение оптических и электрических характеристик материала. Решение такой задачи позволит совершенствовать функциональные элементы оптоэлектроники, фотовольтаики, сенсорики и микроаналитики. Для решения научной проблемы предполагается выполнить следующие задачи: исследовать механизмы лазерной модификации структуры и свойств халькогенидных пленок PbSe при различных режимах облучения с использованием нескольких лазерных источников; предложить оценку качества модифицированных областей, учитывающую их оптические и электрические характеристики, включая фоточувствительность материала; сравнить изменение фоточувствительности халькогенидных пленок после лазерной модификации и после термообработки в печи; исследовать возможность записи волноводных структур в халькогенидных пленках и изучить их оптические свойства. Научная новизна проекта заключается в предложении нового метода коррекции фоточувствительных свойств полупроводниковых пленок, выполняющих функцию детектора газоанализаторов, в результате лазерного модификации их структуры и ключевых характеристик. Данные, полученные в ходе исследования в рамках проекта, будут применены для реализации технологического процесса с возможностью модификации оптических и фотоэлектрических свойств пленок PbSe-Pb3O4.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Ольхова А.А., Гончаров Д.Б., Патрикеева А.А., Дубкова М.А., Сергеев М.М. Анализ оптимального инфракрасного источника излучения в разработке конструкции стенда газоанализатора с детектором на основе модифицированных лазером пленок селенида свинца Газовая промышленность, №10(855), с.76-83 (год публикации - 2023)

2. Ольхова А.А., Омельченко П.П., Шульга Б.Г., Патрикеева А.А., Дубкова М.А., Сергеев М.М. Влияние бескислородной среды на характеристики халькогенидных пленок при лазерной модификации ближним-ИК излучением Ядерная физика и инжиниринг (год публикации - 2024)

3. Ольхова А.А., Патрикеева А.А.,Бутяева М.А., Пушкарева А.Е., Авилова Е.А., Москвин М.К., Сергеев М.М., Вейко В.П. Лазерно-индуцированное тепловое воздействие на электрические характеристики фоточувствительных пленок PbSe Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики, Т. 24, № 1. С. 30–40 (год публикации - 2024)
10.17586/2226-1494-2024-24-1-30-40

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Предложена физико-математическая модель для описания оптических характеристик сложных по составу сред, позволяющая в более простой форме, нежели при помощи использования теории эффективных сред, вычислять оптические характеристики пленок PbSe при наличии растущего в процессе лазерного воздействия оксидного слоя. С использованием системы уравнений Хеавенса О.С. предложена вычислительная методика и создан алгоритм, позволяющие с высокой точностью определять оптические параметры материала на основании итерационного сравнения теоретических значений отражения и пропускания со значениями, полученными в результате эксперимента, с целью минимизации отклонений между теоретическими и экспериментальными значениями отражения и пропускания. Произведенные вычисления показали значительное (до 3-х раз) снижение показателя преломления после лазерного воздействия относительно исходной пленки, резкое повышение коэффициента экстинкции (до 2-х раз) и в снижение в несколько раз действительной и мнимой частей диэлектрической проницаемости. На примере расчета изменения оптических характеристик при лазерной модификации металл-органических каркасов (МОК) HKUST-1 показано, что разработанная методика расчета может быть использована для корректного определения оптических констант различных сложных по составу сред. Произведена оценка изменений ширины запрещенной зоны вследствие изменений оптических характеристик пленки с использованием метода Таука на основе анализа спектров поглощения. Получено, что энергия запрещённой зоны тонких пленок PbS значительно изменяется в процессе лазерного воздействия (до 6-й секунды снижается от 1.37 эВ (исходная пленка) до 1.04 эВ, далее начинает возрастать и к 12-й секунде достигает 1.41 эВ), что вызвано структурными модификациями, частичным окислением и изменениями химического состава. Произведено моделирование теплового источника, которое показало зависимость динамики температуры внутри пленки PbSe от роста толщины оксидной фазы. Получено, что уменьшение толщины пленки PbSe вследствие утолщения оксидной пленки на поверхности приводило к снижению поглощения лазерного излучения, что становилось причиной замедления скорости нагревания пленки. Была рассмотрена возможность формирования на пленках PbSe локализованных структур в виде полосковых волноводов, при помощи лазерного сканирования. Показано, что сформированные лазерным излучением треки могут использоваться в виде волноводов. Однако, такой тип оптических волноводов сложен для ввода в них излучения и требует наличия дополнительных микрооптических элементов. Рассмотрен альтернативный способ ввода излучения при помощи дифракционной решетки, записанной на пленках PbSe, при изучении которого было обнаружено формирование периодических структур. Были определены условия для лазерной записи таких структур в халькогенидных пленках PbSe непрерывным лазерным излучением полупроводникового лазера с длиной волны 405 нм и наносекундными импульсами волоконного лазера с длиной волны 1064 нм. Описаны режимы, при которых достигается снижение спектрального отражения на модифицированных участках, сформированных сканирующим лазерным пятном сфокусированного излучения. Были сформированы лазерно-индуцированные поверхностно-периодические структуры (ЛИППС) с периодом 0.7±0.1 мкм и 1.2±0.2 мкм, рассмотрена возможность их использования в качестве компонентов волноводных структур. Получены спектры отражения пленок до и после облучения в оптическом диапазоне 0.4 - 0.9 мкм и на их основе были сделаны выводы о том, что наилучший результат при создании отражательных ЛИППС для использования их в качестве компонентов волноводных структур, обеспечивающих ввод излучения в волокно, достигается при записи на длине волны 405 нм. Анализ экспериментальных данных показал, что ключевым фактором, влияющим на период и характеристики структур при создании ЛИППС, являются условия возбуждения поверхностных плазмонных поляритонов (SPP) на границе воздух-полупроводник и полупроводник-подложка в результате фототермического действия лазерного излучения при разных режимах. Режим несквозного окисления достигается при коротких наносекундных импульсах и при меньшей плотности мощности позволяет создавать структуры с большим периодом за счёт отсутствия влияния на процесс возбуждения поверхностных плазмонных поляритонов границы плёнка-подложка. В режиме сквозного окисления, за счёт больших длительности импульса и плотности мощности удаётся достичь меньшего периода получаемых структур. Полученные результаты свидетельствуют о возможности использования получаемых при лазерном воздействии как импульсным (1064 нм), так и непрерывным (405 нм) излучением структур на поверхности тонких плёнок PbSe как в качестве элементов заведения излучения в оптические волноводы, так и в качестве самостоятельных волноводных структур.

Публикации

1. Сергеев М.М., Пушкарева А.Е., Хассан В. Моделирование нагрева пленки PbSe непрерывным лазерным излучением с учетом процесса окисления Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики (год публикации - 2025)

2. Ольхова А.А., Патрикеева А.А., Бутяева М.А., Омельченко П.П., Шульга Б.К., Сергеев М.М. Лазерная модификация структуры и оптических свойств двухслойных пленок Ag-PbSe Прикладная фотоника, Т. 11, №2, с.58-71 (год публикации - 2024)
10.15593/2411-4375/2024.2.05

3. Ольхова А.А., Патрикеева А.А., Бутяева М.А., Пушкарева А.Е., Хассан В., Омельченко П.П., Шульга Б.Г., Козодаев Д.А., Корепанов О.А., Богданов К.В., Пестов Г.Н., Сергеев М.М. Dynamics of lead selenide films modification by laser annealing Physica B: Condensed Matter, Volume 698, 2025, 416771 (год публикации - 2025)
10.1016/j.physb.2024.416771

4. Долгополов А.Д., Ольхова А.А., Сергеев М.М., Омельченко П.П., Шульга Б.Г., Москвин М.К., Патрикеева А.А., Гресько В.Р. Laser modification of PbSe chalcogenide films with LIPSS formation Physics of Complex Systems (год публикации - 2025)

Возможность практического использования результатов
Результаты проведенных исследований могут стать основой для разработки метода лазерного отжига полупроводниковых пленок с целью коррекции оптических (поглощение и отражение) и электрических (проводимость, фототок) характеристик, а также подгонки этих параметров при изготовлении фотоэлементов различных оптических сенсоров и датчиков, в том числе устройств газового анализа. Наличие возможности коррекции функциональных параметров фотодетектора в таких устройствах существенно повысит качество их изготовления. Появится возможность подстройки спектральной фоточувствительности фотодетектора.