Оптичні властивості тонких металевих аморфних плівок та покриттів

Кованжі П. О. Оптичні властивості тонких металевих аморфних плівок та покриттів : дис. ... д-ра філософії : 104 Фізика та астрономія. Київ, 2025. 193 с.

Кованжі П.О. Оптичні властивості тонких металевих аморфних плівок та покриттів. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису.
Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії у галузі знань 10 «Природничі науки» за спеціальністю 104 «Фізика та астрономія». – Київський національний університет імені Тараса Шевченка, Київ, 2025.
У даній роботі представлено розробку та аналіз високоефективних плазмонних пристроїв, заснованих на структурах HfO2/Cu(Ag) як з так і без додаткових графенових моношарів. Дослідження показує, що інтеграція графенових моношарів із структурами HfO2/Cu(Ag) призводить до значного покращення плазмонних властивостей, термічної і хімічної стабільності порівняно з одношаровими плівками Ag або Cu. Високоякісні плівки Cu(Ag) з додаванням тонкого діелектричного шару графена демонструють вдосконалені дисперсійні властивості та оптичну провідність, підкріплені експериментальними даними, що відповідають моделі вільних електронів Друде. Така оптимізація структури дозволяє ефективно модифікувати електронні характеристики гібридної наноструктури, забезпечуючи високу якість поверхневих плазмонних резонансів (ППР) і більшу довжину поширення плазмон-поляритонів (ППП). Отримані результати вказують на значний потенціал тришарових структур графен/HfO2/Ag для застосування в біосенсориці.
Аналізується вплив верхніх покриттів, зокрема графену, TiO2, та Al2O3, на оптичні характеристики тонких шаруватих структур на основі Cu(Ag). Використовуючи методи спектроеліпсометрії та спектрорефлектометрії, було визначено, що введення цих покриттів суттєво впливає на еліпсометричні характеристики та відбивну здатність структур, що може бути пояснено за допомогою моделі ефективного середовища (МЕС). Дослідження виявило високу чутливість оптичних констант до зміни товщини шарів і оптичних властивостей компонентів.
Досліджено вплив різних факторів на оптичні та електронні властивості на поверхні стрічок аморфних сплавів на базі нікелю та заліза. Встановлено, що орієнтація стрічок аморфного сплаву Ni78Si8B14 у власній площині відносно p-напрямку суттєво впливає на їх оптичні та електронні характеристики, зокрема на зміну плазмових та релаксаційних частот, що веде до зміни відношення кількості вільних електронів до їх ефективної маси. Такі зміни обумовлені наявністю деформаційних та пружних напружень у поверхневій атомній структурі, викликаних специфічними умовами виробництва.
Аналіз змін в комплексних діелектричних сталих ε₁ і ε₂ вказує на резонансні взаємодії та рівні поглинання, залежні від енергії та складу матеріалу, демонструючи вплив додавання Si та B на електронну структуру та оптичні властивості сплавів. Зокрема, збільшення вмісту Si сприяє металевій поведінці, тоді як Cr впливає на зменшення показника заломлення і зміни в поглинанні для стрічок на основі Fe, підкреслюючи зв'язок між хімічним складом, електронною структурою та оптичними властивостями. Додатково, досліджено вплив температури розплаву на оптичні характеристики стрічки Fe70Cr15B15, виявивши, що збільшення температури плавлення призводить до зниження енергії розсіювання та плазмової частоти, що може бути обґрунтовано змінами в мікроструктурі, впливаючи на густину і мобільність вільних електронів.
Застосовано методи спектроскопічної еліпсометрії зі змінним кутом та спектроскопії пропускання для вимірювання комплексних оптичних констант моношарів двовимірних матеріалів, включаючи дихалкогеніди перехідних металів на прикладі MoS2, синтезованих хімічним шляхом відшарування. Отримані результати дозволили визначити оптичну провідність та комплексні показники заломлення досліджуваних моношарів, виявивши відмінності від їх об'ємних аналогів, що свідчить про зміцнення електронно-діркових взаємодій у моношарових структурах. Аналіз спектрів поглинання моношарів MoS2 виявив характерні екситоні піки A та B у червоній частині спектру, асоційовані з переходами в спін-орбітально розщеплених зонах у точці K Бріллюенової зони. Також виявлено серію гострих піків вищої енергії, що вказують на міжзонні переходи. Спектри мікроФЛ кількашарових 2D-флейків MoS2 продемонстрували смуги, що відповідають екситонам A та B, з розщепленням, залежним від кількості моношарів і температури. Експериментальні дані про температурну залежність фотолюмінесценції (ФЛ) свідчать про червоне зсув та зниження інтенсивності з підвищенням температури через термічно активовану безвипромінювальну рекомбінацію.
Досліджено ефект використання наноструктурованих золотих плівок на ефективність фотоелектричного перетворення та стабільність станів нерівноважних носіїв заряду у фотодетекторах на основі гетероструктур ITO-pSi. Виявлено, що наноструктуровані плівки золота здатні подовжувати час життя нерівноважних носіїв заряду, покращуючи тим самим довговічність пристрою в порівнянні з традиційною структурою ITO. Дослідження також показало, що збудження поверхневих плазмонів на золотих плівках сприяє локальному підсиленню ефектів, що призводить до підвищення фотоелектричної ефективності.
Крім того, було розроблено фоточутливі пристрої, які використовують гібридні 2D-QD плівки MoS2-AgInS2, створені методом механічного переміщення окремих флейків MoS2 на поверхню з квантовими точками AgInS2. Ці пристрої продемонстрували високу фоточутливість як при сталому, так і при модульованому світловому збудженні при різних температурах. Під час неперервного світлового збудження спостерігалося значне збільшення фотопровідності, що зумовлене ефективним переміщенням фотоіндукованих носіїв заряду у флейках MoS2 і їх багаторазовим проходженням через електричне коло, в той час як дірки захоплювалися глибокими станами в квантових точках AgInS2.
Ключові слова: еліпсометрія, поверхневий плазмоний резонанс, благородний метал-діелектрик, графенове покриття, біомедичний сенсор, аморфні сплави, Раманівська спектроскопія, фотопровідність, фоточутливі пристрої, фотолюмінесценція, оптичні та електричні властивості, гібридні плівки.