Лаборатория нейроморфных оптических систем

Мегагрант	Коллектив	Исследования	Чистое помещение	Оборудование

Методом вакуумного термического напыления были получены тонкие (50 и 100 нм) пленки GeTe и Ge₂Sb₂Te₅ на SiO₂, p-Si (100) и ZnSe подложках. Проведены комплексные исследования структурных, оптических и транспортных свойств тонких пленок GeTe в аморфным и кристаллическом фазовых состояниях, индуцированных как резистивным нагревом, так и быстрым (15-20 нс) импульсным лазерным излучением с распределением интенсивности близким к цилиндрическому. Схема эксперимента по исследованию лазерно-индуцированных фазовых переходов в тонких пленках ФИМ представлена на рис.1.

Рис.1. Схема эксперимента по исследованию лазерно-индуцированных фазовых переходов в тонких пленках ФИМ: 1 – лазер, 2 – гомогенизатор, 3 – ирисовая диафрагма, 4 – светоделительная пластина, 5 – фотодиод, 6 – поворотное зеркало, 7 – исследуемый образец, 8 – двухкоординатный столик, 9 – профиль распределения интенсивности лазерного импульса после гомогенизатора, 10 – осциллограмма лазерного импульса, 11 – цилиндрический профиль распределения интенсивности лазерного импульса после диафрагмы, 12 – опорный резистор, 13 – осциллограф Rigol MSO5354, 14 – источник питания, 15 – двухканальный вольтметр Keithley 2612.

В спектральном диапазоне от 1 мкм до 22 мкм продемонстрирован высокий (более 50 %) оптический контраст в спектрах пропускания и отражения пленок GeTe на ZnSe подложках между аморфным и кристаллическим фазовыми состояниями (рис.2).

Рис. 2. Спектры пропускания и отражения тонких пленок GeTe на подложке ZnSe для аморфного и кристаллического фазового состояния.

Показано, что кристаллизация приповерхностного слоя аморфной тонкой пленки GeTe, полученной на подложках SiO₂, начинается при пороговой плотности энергии лазерного излучения E=7,5 мДж/см². Доля кристаллической фазы (преимущественно ромбоэдрической α-GeTe) растет вглубь пленки до подложки в диапазоне Е=18,6-32 мДж/см² с последующим переходом в кубическую фазу β-GeTe в диапазоне Е=32-47,6 мДж/см², достигая необходимых температур для соответствующих переходов. Обратный переход из кристаллического состояния в аморфное начинается при плотности энергии лазера 62 мДж/см², когда температура пленки достигает температуры плавления и наблюдается до значения 93 мДж/см² без абляционного повреждения.

*Рис. 3 — Рентгенограммы тонких пленок GeTe на подложке SiO*₂ (a-d) и на подложке из естественно окисленного p-Si (e-h) при различных плотностях энергии воздействующего лазерного излучения

Показано, что значения плотности энергии, необходимые для α-/β-фазовых переходов и реаморфизации пленок, полученных на естественно-окисленных подложках p-Si, по сравнению с величинами для тех же переходов в пленках на подложках SiO₂, больше примерно на 20-30% из-за значительно более высокой теплопроводности подложки p-Si (рис.3). Проведено численное моделирование нагрева тонкой пленки GeTe импульсным лазерным излучением и ее остывания за счет теплопроводности и ИК излучения поверхности. Показано, что экспериментально определенные диапазоны плотности лазерной энергии, необходимые для кристаллизации пленки в α-/β-фазах и реаморфизации (через расплав) хорошо согласуются с результатами численного моделирования, представленными на рис. 4.

*Рис. 4. Температурные кривые тонких пленок GeTe на SiO*₂ (а) и естественно-окисленной p-Si (б) подложках для различных плотностей энергии лазерного излучения: синие кривые – 22 мДж/см² *и 29 мДж/см*² *соответственно, зеленые кривые – 38.7 мДж/см2* *и 45 мДж/см*² *соответственно, красные кривые – 70 мДж/см*² *и 86 мДж/см*² *соответственно. Для примера представлена осциллограмма формы лазерного импульса.*

Исследование кинетики электрической проводимости тонких пленок GeTe показало, что при прямом фазовом переходе из аморфного состояния в кристаллическое время изменения проводимости тонких пленок GeTe составляет 20,2 нс и 52 нс при обратном фазовом переходе (рис.5). При этом проводимость образцов отличается более чем на два порядка между двумя фазовыми состояниями. Учитывая толщину пленок, оценочная скорость кристаллизации теллурида германия, индуцированная импульсным лазерным излучением, составляет 50 м/с, а скорость реаморфизации (стеклования) – 19,2 м/с. Впервые продемонстрировано, что, благодаря цилиндрическому распределению интенсивности импульсного лазерного излучения, полный фазовый переход из аморфного состояния в кристаллическое и обратно в тонких пленках GeTe может быть реализован как в моноимпульсном, так и в многоимпульсном режимах.

Рис. 5. Осциллограммы изменения проводимости тонкой пленки GeTe в зависимости от плотности энергии E лазерного излучения на поверхности образца.

Результаты опубликованы в следующих журналах: