ИСТИНА

Проект направлен на разработку технологий создания поляризационно-чувствительных элементов оптики, фотовольтаики и памяти на фазовых переходах с помощью прямой фемтосекундной лазерной записи периодических поверхностных структур субмикронного и микронного масштаба (0.1 – 1.3 мкм) на поверхностях тонких полупроводниковых пленок аморфного кремния и халькогенидных стеклообразных полупроводников.

Progress in development of modern technologies for micro- and nanostructuring of semiconductors is caused, on the one hand, by possibilities of spatial miniaturization of components and (or) structural inhomogeneities of such systems, on the other hand, by prospects for both laboratory and industrial scaling of a specific applied technology over large areas and (or) volumes of a processed material. One of the proven and promising tools for solving problems in this direction is powerful laser irradiation, which, with appropriate focusing and selection of the energy parameters of pulses, allows structuring solid state objects with the wave and even subwavelength accuracy on large scales due to the possibility of high-precision spatial movement of the laser beam on surfaces and (or) in volumes of these objects. Of particular interest is the effect of femtosecond laser radiation on a substance, when, due to the time separation of the action of an ultrashort pulse and subsequent thermal processes, in a set of cases, the maximal possible quality of micro- and nanostructuring of the processed material is ensured. The proposed project focuses on the using the femtosecond direct laser writing technique, which consists in one-stage direct formation of a relief and (or) modification of a phase of the irradiated object in an area of the laser beam impact on the material, which favorably distinguishes this technology from alternative multistage lithographic and chemical methods. To a large extent, the novelty of the proposed study will be caused by investigating the possibility to fabricate laser-induced periodic surface structures (LIPSS) – gratings with wave and subwavelength periods arising due to excitation of surface plasmon polaritons on a semiconductor surface in a field of high-power ultrashort laser pulses [J. Bonse, S. Gräf, Laser Photonics Rev., 2020, 14: 200215]. LIPPS provide emergence of the pronounced artificial as optical (birefringence and dichroism) [R. Drevinskas, M. Beresna, M. Gecevicius, et al., Appl. Phys. Lett., 2015, 106: 171106], as well as electrophysical [D. Shuleiko, M. Martyshov, D. Amasev, et al., Nanomaterials, 2021, 11:42] anisotropy in the irradiated regions. The presence of anisotropy makes it possible to use materials structured in this way not only as elements of polarization optics and polarization-sensitive solar cells, but also to increase the recording density in optical coding of information by femtosecond laser pulses [A.S. Lipatiev, S.S. Fedotov, A.G. Okhrimchuk, et al., Appl. Opt., 2018, 57 (4), 978-982]. Within the framework of the proposed study, for the femtosecond direct laser writing, it is planned to use samples based on amorphous silicon (a-Si) and such chalcogenide glassy semiconductors (CGS) as arsenic sulfide As2S3, arsenic selenides As2Se3 and As50Se50. The first material, both by itself and after femtosecond laser irradiation leading to a decrease in photodegradation, an increase in absorption and surface nanocrystallization, is a promising basis for modern solar cells [D. Differt, B. Soleymanzadeh, F. Lükermann, et al., Solar Energy Materials and Solar Cells, 2015, 135, 72–77]. Nevertheless, far from all the possibilities of using structures based on irradiated a-Si with the artificial anisotropy in applications of polarization optics and photovoltaics have been studied. The rest of the listed compounds have good transmission in the near and mid-infrared spectral ranges [J. Sanghera, L. Shaw, L. Busse, et al., Fiber and Integrated Optics, 2000, 3 (19), 251–274] and also provide undoubted interest as materials for the femtosecond direct laser writing [W. Ma, L. Wang, P. Zhang, et al., Opt. Express, 2019, 27: 30090 and H. Wang, D. Qi, X. Yu, et al., Materials 2019, 12:72]. However, even here, by now, the questions of phase transitions, including reversible ones, and the formation of LIPSS under femtosecond laser pulses action have remained poorly understood. The problem of the project is developing of the scalable to planar dimensions of at least 1 cm technology for femtosecond direct laser writing of LIPSS with wave- (~ 1 μm) and subwavelength (~ 100 nm) periods, and for modification of phase states (transition from an amorphous phase to a crystalline phase and back) in the region laser action in thin films of amorphous silicon and CGS. A comprehensive study of the structural, optical, and electrophysical properties of the samples under the study is planned with varying polarization, wavelengths, scanning strategies, time and energy parameters of laser irradiation. Special attention will be paid to practical and theoretical aspects of creating, using the developed technology, polarizers and phase plates for the infrared range based on CGS, photovoltaic elements based on a-Si, optical coding of information due to phase transitions, including reversible ones. Additionally, it is planned to study the problem of creating heterojunctions in amorphous silicon due to controlled partial crystallization of its layers under femtosecond laser irradiation.

В результате выполнения проекта планируется в качестве основных научных результатов получить: 1) Основные закономерности формирования решеток волнового (~1 мкм) и субволнового (~100 нм) периодов на поверхностях тонких пленок a-Si и ХСП (As2S3, As2Se3 и As50Se50) с помощью технологии прямой фемтосекундной лазерной записи в зависимости от параметров облучения (плотности энергии, длины волны, длительности и поляризации лазерных импульсов; стратегии сканирования и фокусировки луча). 2) Значения электрофизической анизотропии, двулучепреломления и дихроизма, обеспечивающее перспективы дальнейшего использования облученных образцов a-Si в качестве поляризационно-чувствительных элементов тонкопленочной солнечной энергетики и ХСП в качестве поляризаторов света видимого и ближнего инфракрасного диапазонов спектра. Предиктивное моделирование электрофизической и оптической анизотропии облученных образцов с использованием подходов модели эффективной среды. 3) Анализ модификации рельефа и фазовых переходов в облучаемых фемтосекундными лазерными импульсами пленок a-Si и ХСП при варьировании плотности энергии и числа лазерных импульсов, воздействующих на структурируемую область. Определение перспектив использования метода прямой фемтосекундной лазерной записи в технологиях оптического кодирования информации, включая случаи перезаписи за счет обратимых фазовых переходов и уплотнения записи в ячейке информации фиксированного объема (вокселе размером не более 10 мкм) при дополнительном поляризационно-чувствительном кодировании в результате формирования ППС. 4) Объяснение особенностей формирования анизотропного рельефа и фазовых переходов в облучаемых ультракороткими импульсами образцах с использованием моделирования в рамках теории Сайпа, двухтемпературной модели, теории функционала плотности (DFT) и сопутствующих теоретических подходов. 5) Лабораторные прототипы поляризационно-чувствительных элементов солнечной энергетики на основе a-Si, включая планарные гетероструктуры, неоднородно модифицированные лазерным излучением по глубине. Лабораторные прототипы поляризаторов, полуволновых и четвертьволновых пластин для света видимого и ближнего инфракрасного диапазонов спектра (1 – 10 мкм) на основе ХСП. Масштабируемая технология оптического кодирования информации на поверхностях a-Si и ХСП путем прямой фемтосекундной лазерной записи анизотропного волнового и субволнового рельефа.

Научный коллектив проекта обладает обширным опытом изучения структурных, электрофизических и оптических характеристик тонких полупроводниковых пленок и халькогенидных стекол, модифицированных сверхкороткими лазерными импульсами. В том числе имеется практический опыт модификации сверхкороткими лазерными импульсами тонких пленок аморфного кремния (a-Si), аморфного германия (a-Ge) и сверхрешеток a-Si/a-Ge, а также аморфных халькогенидов, таких как Ge2Sb2Te5, в режимах нанокристаллизации объема пленок и формирования ППС на их поверхности. Для пленок a-Si участниками проекта отработаны технологии контроля ориентации формируемых на их поверхности ППС в зависимости от числа воздействующих фемтосекундных лазерных импульсов. Помимо этого, имеется опыт измерения и интерпретации оптических и фотоэлектрических характеристик тонких полупроводниковых плёнок, в том числе спектральных зависимостей фотопроводимости и коэффициента поглощения пленок a-Si. Существенным вкладом для данного проекта является выполненная членами коллектива работа по анализу процессов лазерного возбуждения, электрон-фононной релаксации и оценке коэффициентов амбиполярно-диффузионного транспорта плазмы в пленках a-Si по порогам повреждения и размерам абляционных кратеров при широко варьируемой длительности лазерных импульсов (0.3 – 10 пс). Коллектив проекта также имеет опыт в области физико-химии халькогенидных стеклообразных полупроводников (ХСП), в том числе исследования их структурных свойств методом атомно-силовой микроскопии и анализа фазовых переходов в данных материалах.

Полученные в ходе выполнения проекта результаты должны стать очередной ступенью развития метода прямой фемтосекундной лазерной записи элементов фотовольтаики, инфракрасной поляризационной оптики и оптического кодирования информации в технологиях интегральной фотоники и лазерно-информационных технологиях. Планируется показать возможность масштабирования технологии модификации поверхностей тонких пленок аморфного кремния и халькогенидных стеклообразных полупроводников с помощью мощных ультракоротких лазерных импульсов до размеров не менее 1 см в плоскости образца. Ожидаемый уровень технологической готовности заявленных разработок к окончанию проекта – TRL-6 – демонстрация работоспособности технологии на полномасштабном полнофункциональном прототипе в условиях, соответствующих реальности.