Porous silicon photonic crystals: surface passivation and etch-stop effect on the optical response

• Autor(a) principal: VILLANUEVA, JacKelyne Lisset Medina
• Data de Publicação: 2022
• Tipo de documento: Dissertação
• Idioma: por
• Título da fonte: Repositório Institucional da UNIFEI (RIUNIFEI)
• Texto Completo: https://repositorio.unifei.edu.br/jspui/handle/123456789/3527
• topic: CNPQ::CIÊNCIAS EXATAS E DA TERRA::FÍSICA; Cristal fotônico de silício poroso; Passivação de superfícies porosas; Efeito do etch-stop

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.