Планарне джерело світла

Реферат: Винахід належить до прикладної оптики і наноелектроніки і може бути використаний у приладах, в яких необхідні джерела світлового випромінювання мікро- та нанометрових розмірів. Планарне джерело світла містить світловипромінюючу острівцеву металічну плівку на діелектричній підкладці в зазорі між металічними контактами, до яких прикладається електрична напруга. Згідно з винаходом, в зазорі на підкладці нанесено впорядковану мережу металічних наноланцюжків із наночастинок, які утворюють двовимірну сітку та містять нанощілини. Наноланцюжки можуть утворювати шестикутну двовимірну сітку. В результаті суттєво збільшується надійність та стабільність роботи джерела випромінювання, забезпечується висока щільність розташування центрів випромінювання світла в робочій зоні джерела, підвищується ефективність перетворення електричного струму в випромінювання світла. UA 105289 C2 (12) UA 105289 C2 UA 105289 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до прикладної оптики і наноелектроніки і може бути використаний у приладах, в яких необхідні джерела світлового випромінювання мікро- та нанометрових розмірів, наприклад оптичній мікроскопії високої роздільної здатності, наносенсорах, нанофотонних технологіях. Відоме джерело світлового випромінювання, що містить острівцеву металічну плівку вагової товщини 4-6 нм в зазорі (шириною порядку 10 мікрометрів) між металічними контактами на діелектричній підкладці [P.G. Borziak, O.G. Sarbej, R.D. Fedorovich. Neue Erscheinungen in sehr dunnen Metallschichten. Physica Status Solidi, 1965, v.8, N1, p.55-58]. Острівцева плівка складається із окремих частинок (острівців), що не контактують між собою. Електричний струм в острівцевих плівках протікає по каналах перколяції (протікання) за рахунок тунелювання електронів між острівцями. Ці канали формуються ланцюжками із острівців, розташованих на нанометрових відстанях один від одного. Світло (електролюмінесценція) генерується в субмікронних центрах випромінювання, що складаються із окремих острівців нанометрових розмірів та утворюються у плівці при подаванні на контакти напруги в 20-30 В. Для такого джерела світлового випромінювання характерними є некерованість процесу утворення центрів світловипромінювання, які виникають у випадкових місцях плівки. Кількість центрів випромінювання невелика і вони мають низьку поверхневу щільність розташування, що складає 20-30 центрів на 1 см довжини зазору в робочій області джерела. Електричний струм проходить не тільки крізь центри випромінювання, але й крізь інші ділянки острівцевої плівки, що знижує ефективність перетворення електричної енергії у випромінювання. Більшою керованістю розташування центрів випромінювання характеризується джерело світлового випромінювання, що містить острівцеву плівку в зазорі між металічними контактами на діелектричній підкладці із борознистою гофрованою поверхнею [Видута Л.В., Кияев О.Э., Наумовец А.Г., Остраница А.П., Федорович Р.Д. Электронная эмиссия из пленок золота и графита специальной структуры при прохождении тока и ИК-лазерном излучении. Радиотехника и электроника. – 1991. - Т.36. - №7. - С. 1345-1352]. Така острівцева плівка складається із одновимірних каналів протікання струму, що обумовлено специфічною формою поверхні підкладки та умовами нанесення плівки. Центри світловипромінювання формуються саме в цих одновимірних каналах, що й визначає геометрію розташування центрів. Проте місце формування центра випромінювання в самому каналі залишається невизначеним. Стабільність та надійність роботи такого джерела недостатньо високі, оскільки розрив каналу в будь-якому місці призводить до суттєвого зменшення потужності електричного струму, що підводиться до центра, і припинення випромінювання. Крім того, щільність розташування центрів випромінювання також залишається невисокою. Задача винаходу полягає у створенні на основі острівцевої плівки джерела світлового випромінювання із високою щільністю центрів випромінювання та заданим розташуванням таких центрів, яке характеризується підвищеною стабільністю та надійністю функціонування, підвищеною ефективністю перетворення енергії електричного струму в випромінювання світла. Поставлена задача вирішується тим, що в планарному джерелі світла, яке містить світловипромінюючу острівцеву плівку на діелектричній підкладці, згідно з винаходом в зазорі між металічними контактами нанесено впорядковану мережу металічних наноланцюжків, які утворюють двовимірну сітку та містять нанощілини. Технічним результатом створення джерела випромінювання, що містить острівцеву металічну плівку та мережу ланцюжків із наночастинок у вигляді двовимірної сітки із нанощілинами в зазорі між металічними контактами, є суттєве збільшення надійності та стабільності роботи джерела випромінювання, забезпечення високої щільності та керованості розташування центрів випромінювання світла в робочій зоні джерела та підвищення ефективності перетворення електричного струму в випромінювання світла. Згідно з теоретичними розрахунками, випромінювання світла з острівцевої плівки при проходженні електричного струму, зумовлене нерівноважним розігріванням електронів в острівцях (R.D. Fedorovich, A.G. Naumovets, P.M. Tomchuk. "Electron and light emission from island metal films and generation of hot electrons in nanoparticles". Physics Reports, 328 (2000) 73-179). Розігрівання електронів можливе, якщо розмір острівців менший за довжину вільного пробігу електронів в металі (десятки нанометрів) та якщо в острівець вводиться достатня потужність електричного струму. В запропонованому пристрої обидві ці умови виконуються для острівців, що розташовані в нанощілинах. Нанощілини утворюються у вигляді проміжків нанометрових розмірів між наночастинками, які не контактують між собою (фіг. 1, фіг. 2). Падіння електричної напруги, прикладеної до контактів, відбувається переважно на нанощілинах, завдяки чому в острівцях металу розмірами в декілька десятків нанометрів створюються сприятливі умови для 1 UA 105289 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 розігрівання електронного газу і випромінювання світла навіть при невеликих значеннях напруги в декілька вольт. При цьому електропровідність самої острівцевої плівки може бути невеликою, оскільки підведення електричної потужності до острівців в нанощілинах забезпечується саме мережею наноланцюжків. Щільність центрів світловипромінювання залежить від щільності розташування наноланцюжків та наношілин, яка при застосуванні сучасних технологій літографії може сягати 4 5 10 -10 на 1 см довжини зазору. При такій щільності центрів світловипромінювання в джерелі світла забезпечується ефективне перетворення енергії електричного струму у випромінювання світла. Забезпечення підведення необхідної електричної потужності до центрів світловипромінювання є важливою умовою стабільної та надійної роботи джерел випромінювання на основі острівцевих плівок. Електричний струм в острівцевих плівках протікає по каналах перколяції (протікання), які формуються ланцюжками із острівців, розташованих на нанометрових відстанях один від одного. Перколяційний поріг для одновимірного каналу протікання дорівнює одиниці, отже розрив на шляху протікання струму в будь-якому місці такого каналу призведе до припинення протікання струму по каналу в цілому. Це спричиняє зниження надійності та стабільності джерел світла на основі острівцевих металічних плівок, нанесених на борознисті гофровані підкладки. Поріг перколяції для сіток суттєво нижчий одиниці, і тому при нанесенні двовимірної сітки наноланцюжків між контактами підведення електричної потужності до центрів світловипромінювання не буде припинятися при утворенні розривів навіть в достатньо великій (10-20 %) частині наноланцюжків. На фіг. 1 представлено схематичне зображення джерела світла (вигляд згори), отриманого з використанням методу наносферної літографії, де 1 - наночастинки, що формують наноланцюжки, 2 - наночастинки, між якими утворюються нанощілини, 3 - острівцева плівка, 4 та 5 - металічні контакти. На фіг. 2 представлено у збільшеному масштабі схематичне зображення ділянки мережі наноланцюжків, що містить нанощілини, де 1 - наночастинки, що формують наноланцюжки, 2 - наночастинки, між якими утворюються нанощілини, 3 - острівцева плівка. Фіг. 3 представляє фотографію випромінювання джерела світла, виконаного згідно з винаходом у вигляді острівцевої плівки та сітки наноланцюжків із нанощілинами, розташованих між електричними контактами. Джерело світла складається із острівцевої металічної плівки вагової товщини 2-3 нм в зазорі розміром приблизно 10 мкм між металічних контактів, в якому створена впорядкована мережа наноланцюжків у вигляді двовимірної сітки. Мережа складається із окремих наночастинок, що контактують між собою, та містить нанощілини між наночастинками, місце розташування яких визначається умовами виготовлення цієї мережі. Двовимірна сітка із нанощілинами може бути створена методами літографії, які дозволяють отримувати сітки різної симетрії - трикутної, чотирикутної шестикутної і т.п., що розрізняються значеннями порогу перколяції. Зокрема, може буде використаний метод наносферної літографії [C.L. Haynes, R.P. van Duyne. Nanosphere lithography: a versatile nanofabrication tool for studies of size-dependent nanoparticle optics. J. Phys. Chem. В 2001, 105, 5599-5611]. Метод полягає в тому, що на підкладці формують одношарове впорядковане щільно упаковане покриття із однакових за розмірами мікросфер, яке використовують як маску при нанесенні металу на діелектричну підкладку методом термічного вакуумного напорошення. Після видалення маски залишаються наночастинки на підкладці. За допомогою цього методу наночастинки одержують у формі зрізаних трикутних пірамід, розміри, розташування та відстань між якими визначається розміром мікросфер та умовами напорошення матеріалу. У такий спосіб можна отримувати як окремі наночастинки, так і мережі (структури) наночастинок у вигляді системи наноланцюжків. Для формування двовимірної сітки із нанощілинами (фіг. 1) напорошення здійснюють щонайменше 7 разів. Підкладку орієнтують та нахиляють відносно потоку атомів під визначеними кутами, які змінюються при кожному наступному напорошенні. В результаті утворюється шестикутна двовимірна сітка наноланцюжків. Після виготовлення двовимірної сітки наноланцюжків на підкладку наносять острівцеву металічну плівку та металічні контакти із зазором між ними. У випадку використання мікросфер діаметром в 1 мкм розміри наночастинок складають 200300 нм, розміри нанощілин - 150 нм. Щільність розташування наноланцюжків при цьому 4 складає ~10 на 1 см довжини зазору, а максимальна щільність розташування нанощілин і, 6 2 відповідно, центрів випромінювання - близько 10 /мм . При зниженні розмірів мікросфер до 200 7 2 нм максимальна щільність центрів буде складати близько 2,5 × 10 /мм . Така висока щільність центрів забезпечує підвищення ефективності перетворення енергії електричного струму у випромінювання світла. 2 UA 105289 C2 5 10 15 Для виготовлення джерела світла можуть використовуватися різні метали, оскільки світловипромінювання спостерігалось в острівцевих плівках золота, срібла, платини, міді, хрому, вісмуту (Кулюпин Ю.А., Пилипчак К.Н., Федорович Р.Д. А.С. СССР № 1193843.1983 г.). Джерело світла може працювати як в вакуумі, так і в атмосфері повітря. В останньому випадку для стабільної роботи на джерело світла потрібно наносити захисну діелектричну плівку, наприклад з оксиду кремнію SiOx (Борзяк П.Г., Кулюпин Ю.А. Электронные процессы в островковых металлических пленках. - Киев: Наукова думка, 1980). Спектр випромінювання острівцевих металічних плівок лежить переважно в видимій частині. Він залежить як від металу, що використовують при виготовленні, так і від електричної напруги, підведеної до джерела. Так, при використанні золота, в запропонованому джерелі світла при напрузі на контактах у 7 В спостерігається випромінювання з широкими максимумами на 480 та 700 нм, а при напрузі в 9 В - випромінювання із максимумами в 460 та 580 нм. На фіг. 3. зображена фотографія випромінювання джерела світла, описаного в винаході. Спостерігається висока щільність центрів випромінювання та впорядкований розподіл їх по поверхні джерела. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 20 25 1. Планарне джерело світла, що містить світловипромінюючу острівцеву металічну плівку на діелектричній підкладці в зазорі між металічними контактами, до яких прикладається електрична напруга, яке відрізняється тим, що в зазорі на підкладці нанесено впорядковану мережу металічних наноланцюжків із наночастинок, які утворюють двовимірну сітку та містять нанощілини. 2. Планарне джерело світла за п. 1, яке відрізняється тим, що наноланцюжки утворюють шестикутну двовимірну сітку. 3 UA 105289 C2 Комп’ютерна верстка І. Скворцова Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4