Wide-band gap semiconductors with noble metals for photonic applications

Abstract

This thesis focuses in the growth and characterization of the structural, morphological and optical properties of nanocomposite films consisting of transparent, hard and inorganic matrices with metal inclusion which are suitable candidates in photonics for light manipulation, antireflection coatings, color patterning etc. Within PhD framework nanocomposite binary and ternary systems consisting of III-nitrides matrices (AlN, Al1-xInxN) with silver inclusions were carried out by means of two widespread PVD techniques, Pulsed Laser Deposition (PLD) and Reactive Magnetron Sputtering (RMS). In particular in case of binary systems three different approaches were considered:i)Nanocomposite films consisting of AlN matrix with silver nanoparticlesii)Co sputtered AlN:Ag where Ag was atomically dispersediii)Multilayers of alternative thin AlN and Ag layers On the contrary in case of ternary systems pure Al-rich Al1-xInxN and nanocomposite Al1-xInxN/Ag were grown respectively.The as grown films were subjected in both thermal annealing and UV-laser annealing, a new very promising technique, in an effort to understand their self-organization and optical properties due to the different mechanisms that occurs.The analysis of the experimental results show that we could manage to create photosensitive patterns through the enlargment of the pre-existing metal nanoparticles in case of the PLD samples with a simultaneous alteration of the reflactive index of the host or through the transformation of the metallic layers of the stratified structures to metal nanoparticles.

Βασικό αντικείμενο της συγκεκριμένης εργασίας είναι η ανάπτυξη και η μελέτη των δομικών και οπτικών ιδιοτήτων νανοσύνθετων υμενίων αποτελούμενων απο διαφανείς ανόργανες μήτρες με εγκλείσματα μετάλλων. Η συγκεκριμένη κατηγορία υλικών έχει προσελκύσει το ερευνητικό ενδιαφέρον εξαιτίας των εξαιρετικών οπτικών ιδιοτήτων που παρουσιάζουν οι οποίες στηρίζονται στον συντονισμό επιφανειακού πλασμονίου (SPR) ενώ η παρουσία μιας σκληρής ανόργανης μήτρας καθιστά τα υμένια αυτά ικανά να εφαρμοστούν ακόμη και στις πιο απαιτητηικες συνθηκες. Και μπορούν να βρούν άμεση εφαρμογή στην φωτονική για την χειραγωγηση του φωτός, για εξοικονόμηση και διαχείρηση ενέργειας, φωτονικούς αισθητήρες, αντιανακλαστικές επιστρώσεις, χρωματιστές επικαλύψεις κλπ. Στα πλαίσια της συγκεριμένης διδακτορικής διατριβής αναπτύχθηκαν και μελετήθηκαν ως προς τις οπτικές και δομικές τους ιδιότητες νανοσύνθετα υμένια μήτρας ΙΙΙ-νιτριδίων (AlN, AlxIn1-xN) με εγκλέισματα μετάλλων αργύρου με τις τεχνικές της Ιοντοβολής ( Sputtering) και της Εναπόθεσης με Παλμικό λέιζερ ( Pulsed Laser Deposition, PLD). Πιο συγκεκριμένα αναπτύχθηκαν δυαδικά συστήματα νιτριδίου του αλουμινίου με αργύρου σε τρεις διαφορετικές διαμορφώσεις:i)Νανοσύνθετα υμένια μήτρας νιτριδίου του αλουμινίου με μεταλλικά νανοσωματίδια μέσα στην μήτραii)Νανοσύνθετα υμένια με τον άργυρο ατομικά διεσπαρμένο εντός της μήτρα νιτριδίου του αλουμινίουiii)Πολυστρωματικά υμένια αποτελούμενα από εναλλασσόμενα λεπτά στρώματα νιτριδίου του αλουμινίου και άργυρο.Απο την ανάλυση των πειραματικών δεδομένων προέκυψε ότι είναι δυνατή η ανάπτυξη φωτοευαίσθητων patterns τα οποία μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε μιά πλιάδα τεχνολογικών εφαρμογών όπως η χειραγώγιση του φωτός, και η κρυπτογράφιση πληροφοριών. Η δημιουργία των φωτοευαίσθητων patterns μπορεί να επιτευχθείο είτε με την αύξηση του μεγέθους των νανοσωματιδίων με ταυτόχρονη μεταβολή του δείκτη διάθλασης της μήτρας στην περίπτωση των νανοσύνθετων υμενίων που αναπτύχθηκαν με την τεχνική PLD είτε με την μετατροπή των μεταλλικών στρωμάτων σε μεταλλικά νανοσωματίδια στην μερίπτωση των πολυστρωματικών υμενίων που αναπτύχθηκαν με την τεχνική του Sputtering μετά υποβολή τους σε ανόπτηση με παλμικό laser.