Repositório UNIFEI UNIFEI - Campus 1: Itajubá PPG - Programas de Pós Graduação Dissertações
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Tipo: Dissertação
Título: Porous silicon photonic crystals: surface passivation and etch-stop effect on the optical response
Autor(es): VILLANUEVA, JacKelyne Lisset Medina
Primeiro Orientador: HUNCA, Danilo Roque
metadata.dc.contributor.advisor-co1: OLIVEIRA, Adhimar Flávio
Resumo: O objetivo deste estudo foi investigar a influência do tempo de pausa (etch-stop) nas propriedades estruturais e ópticas de estruturas multicamadas e sua passivação para evitar efeitos de envelhecimento. A análise estrutural por microscopia eletrônica de varredura (MEV) e o procedimento de ajuste dos dados de refletância óptica mostraram que a inclusão de uma pausa durante o crescimento da matriz porosa promove a formação de camadas mais espessas (2638 nm, em 10 s de pausa), em comparação com a camada com baixa porosidade sem pausa (2584 nm). Um comportamento semelhante foi observado para camadas de alta porosidade variando de 4500 a 4780 nm. Essa tendência também foi observada para estruturas multicamadas. Quanto à porosidade, observou-se um comportamento oposto, diminuindo em cerca de 9,5% e 6,5% com o aumento do tempo do etch-stop para camadas individuais com baixa e alta porosidade, respectivamente. Este fenômeno foi atribuído à recuperação do ácido fluorídrico consumido durante a formação dos poros na interface eletrólito-silício. Para obter cristais fotônicos 1D (1D-PC) de silício poroso com respostas ópticas próximas às projetadas, esse fenômeno deve ser levado em consideração no desenvolvimento do dispositivo. A fabricação do 1D-PC com uma sequência iniciando com uma camada com alta porosidade e outras onde a primeira camada superior possui baixa porosidade prova que o efeito de aumento da espessura e diminuição da porosidade independe da ordem de empilhamento. No entanto, o tratamento térmico feito em ambiente de ar mostra mudanças significativas na resposta óptica após a oxidação a 400°C. Como a oxidação do silício poroso depende das características da matriz porosa, conclui-se que o etch-stop promove a formação de camadas de alta e baixa porosidade com diferentes microestruturas, de modo que após o recozimento térmico a 1000°C em dispositivos com a primeira camada superior com alta porosidade, o gap fotônico principal (PBG) é destruído, ou seja, a espessura óptica das camadas de alta e baixa porosidade não obedece mais à lei de Bragg devido ao efeito de contração-expansão das camadas de baixa e alta porosidade. Três materiais diferentes foram usados para a passivação da superfície: óxido de silício térmico (SiO2), ouro (Au) e óxido de titânio (TiO2). Apesar da camada de passivação, a presença desses elementos resultou em um deslocamento para o azul do PBG. No entanto, no caso do TiO2 depositado, algumas amostras apresentaram um deslocamento para o vermelho, enquanto em outras o PBG não foi alterado. O deslocamento ao vermelho foi associado à presença de xileno no sol-gel TiO2 dentro dos poros. O PBG inalterado foi associado à formação de uma fina camada de sol-gel de TiO2 de vedação dos poros. Após o tratamento térmico, observou-se o típico deslocamento para o azul. Apesar do material de passivação, a espectroscopia rápida de infravermelho de Fourier (FTIR) revela a presença de SiO2 além das fases Au ou TiO2. A análise por espectroscopia de raios-X por dispersão de energia (EDS) mostrou que Au e TiO2 foram depositados em um gradiente de concentração profundo, mas com uma distribuição homogênea ao longo da superfície da amostra. A difração de raios X (XRD) mostrou que após o tratamento térmico a 450°C, as fases rutilo e anatase coexistem, com predominância da última. A estabilidade das propriedades ópticas após a passivação foi confirmada por medições das amostras após 20 e 36 semanas de armazenamento. Nenhuma mudança espectral foi observada na posição PBG.
Abstract: The aim of this study was to investigate the influence of the etch-stop time on the structural and optical properties of multilayer structures and their passivation to avoid aging effects. Structural analysis by scanning electron microscopy (SEM) and the optical reflectance data fitting procedure have shown that the inclusion of a pause during the growth of the porous matrix promotes the formation of thicker layers (2638 nm, for 10 s of pause), compared with the layer with low porosity without pause (2584 nm). Similar behavior was observed for high porosity layers changing from 4500 to 4780 nm. This trend was also observed for multilayer structures. As for porosity, an opposite behavior was observed, decreasing in about 9.5% and 6.5% with increasing etch stop time for single layers with low and high porosity, respectively. This phenomenon was attributed to the recovery of hydrofluoric acid consumed during pore formation at the electrolyte-silicon interface. To obtain 1D photonic crystals (1D-PC) of porous silicon with optical responses close to those projected, this phenomenon must be taken into account in device development. The fabrication of 1D-PC with a sequence starting with a layer with high porosity and others where the first upper layer has low porosity proves that the increasing effect of thickness and the decrease of porosity does not depend on the stacking order. However, the thermal treatment made in air environment shows significant changes in the optical response after the oxidation at 400°C. Since the oxidation of porous silicon depends on the characteristics of the porous matrix, it is concluded that the etch-stop promotes the formation of high and low porosity layers with different microstructures, so that after thermal annealing at 1000°C in devices with the first upper layer with high porosity, the main photonic band gap (PBG) is destroyed, i.e., the optical thickness of the high and low porosity layers no longer obeys Bragg’s law due to the contraction-expansion effect of the low and high porosity layers. Three different materials were used for surface passivation: thermal silicon oxide (SiO2), gold (Au), and titanium oxide (TiO2). Despite the passivation layer, the presence of these elements resulted in a blue shift of the PBG. However, in the case of the deposited TiO2, some samples showed a red shift, while in others the PBG is not changed. The red shift was associated with the presence of xylene in the sol-gel TiO2 within the pores. Unaltered PBG was associated with the formation of a thin pore-sealing TiO2 sol-gel layer. After thermal treatment, the typical blue shift was observed. Despite the passivation material, fast Fourier infrared spectroscopy (FTIR) reveals the presence of SiO2 in addition to the Au or TiO2 phases. Energy dispersive X-ray spectroscopy analysis (EDS) showed that Au and TiO2 were deposited in a deep concentration gradient, but with a homogeneous distribution along the sample surface. X-ray diffraction (XRD) showed that after thermal treatment at 450°C, the rutile and anatase phases coexist, with the latter predominating. The stability of the optical properties after passivation was confirmed by measurements of the samples after 20 and 36 weeks of storage. No spectral changes were observed in the PBG position.
Palavras-chave: Cristal fotônico de silício poroso
Passivação de superfícies porosas
Efeito do etch-stop
CNPq: CNPQ::CIÊNCIAS EXATAS E DA TERRA::FÍSICA
Idioma: por
País: Brasil
Editor: Universidade Federal de Itajubá
Sigla da Instituição: UNIFEI
metadata.dc.publisher.department: IFQ - Instituto de Física e Química
metadata.dc.publisher.program: Programa de Pós-Graduação: Mestrado - Física
Tipo de Acesso: Acesso Aberto
URI: https://repositorio.unifei.edu.br/jspui/handle/123456789/3527
Data do documento: 16-Dez-2022
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