CC BY
33
УДК 620.1.72:532.783
ИОННАЯ АДСОРБЦИЯ И ОРИЕНТАЦИЯ НЕМАТИКА НА КАРБИДЕ КРЕМНИЯ В НЕМАТИЧЕСКОЙ ЯЧЕЙКЕ
B.C. Захвалинский, С.И. Кучеев, H.H. Межаков, Э.О. Перервенко, Е.А. Пилюк
Белгородский государственный университет, ул. Победы, 85, 308015, Россия, e-mail: [email protected]
Аннотация. В экспериментах исследовались пороги светочувствительности структур типа Si/SiC/нематик/1ТО и ориентация в этих структурах ысматичсского жидкого кристалла на наноразмерных пленках карбида кремния (SiC). Установлено, что (1) для нематика Д205, ис-пользуемохх) без дополнительной очистки, на пленке SiC формируется гомсотронная ориентация, и (2) пороги светочувствительности структур в окрестности пленки SiC превышают более чем на несколько вольт пороги над Si для свежеприготовленных структур. Особенности светочувствительности и ориентации нематика связываются с адсорбцией на развитой поверхности пленки соответственно ионной подсистемы и определенных компонент жидкокристаллического материала, эффективно формирующих гомсотронную ориентацию.
Ключевые слова: карбид кремния, нематик, ориентация, ион, светочувствительность.
Оптически адресуемые жидкокристаллические модуляторы света, базирующиеся па принципах функционирования МДП структур, являются важной частью приборов и систем амплитудной и/или фазовой обработки оптического волнового фронта |1,2|. К ориентации молекул жидкокристаллического материала |3|, как среды, которая непосредственно модулирует свет, предъявляются определенные требования. В приборах дифракционного тина, одним из важных требований является отсутствие или минимизация возникновения постоянных, электрически неуправляемых, дифракционных картин, обычно возникающих на микрорельефе системы электродов или периодически расположенных пленках, ориентирующих молекулы жидкого кристалла при освещении модулятора когерентным излучением. Требование планаризации достаточно жесткое. Дня контактных методов, в рамках которых в подавляющем большинство случаев используются механически натертые органические пленки до десятых микрометра толщиной, выполнение его достаточно сложное. Поэтому поиск неконтактных методов получения (изменения) требуемой ориентации молекул жидкого кристалла на определенных участках поверхности с микронным разрешением (в плоскости) и напоразмерным рельефом но высоте, гарантирующим отсутствие дифракции, остается актуальной задачей.
Другим важным направлением расширения функциональных возможностей оптически адресуемых модуляторов света является контролируемое варьирование поверх-
постной проводимости участков поверхности полупроводниковой части модулятора требуемой формы и размеров с разрешением в доли микрон. Существующие методы основаны па легировании поверхности полупроводника, что значительно усложняет, и соответственно, удорожает подобные структуры.
В данной работе экспериментально рассмотрена возможность использовать нано-размерные плёнки БЮ с долыо изменения ориентации молоку.;: нематического жидкого кристалла и варьирования пороговых напряжений светочувствительности структур 81/81С/иоматик/1ТО как прототипа оптически адресуемого жидкокристаллического модулятора света.
Рис. 1. Ориентация нематика в окрестности пленки SiC (Толщина 15-17 rim), а) структура Si/SiC/Д205/1ТО. Толщина жк слоя 5 мкм. Ь) . с) структура Si/SiC/Д205 (без покровного электрода ITO) в окрестности ввода жк материала и на дистанции ~ 1,5 см соответственно, d) схематичное представление ориентации нематика в структуре. Стрелка указывает направление ввода жк материала. Масштаб 170 мкм.
В качество подложки в структуре использовался образец монокристалличеекого кремния п - тина проводимости с удельным сопротивлением 7,5 Ом см. Пленки SiC нолучали магпетроппым методом в атмосфере Аг |3|, Толщина пленок SiC варьировалась временем напыления и но превышала пару десятков нанометров. Контроль толщины осуществлялся атомным силовым микроскопом |3|, Пленки SiC на поверхности Si напылялись в виде полосок, что давало возможность проводить сравнительный анализ
ориентации нематика и электрооптических характеристик структуры соответствующих поверхностям SiC и Si в одной и той же структуре. Другим электродом служила плёнка окиси индия (ITO) с натертой но.ниимидной плёнкой, которая обеспечивает референтную жесткую н.нанарную ориентацию молекул жидкого кристалла.
В работе использовался нематический жидкий кристалл 4'-иеитил-бифеиил-карбо-нитрил без дополнительной очистки, который заправлялся в структуру в изотропной фазе капиллярным образом в одной точке ввода.
Поляризационные исследования ориентации нематика в структурах показали, что над пленкой SiC в сравнении с поверхностью Si имеет место изменение ориентации нематика. Эти изменения оптически регистрируются как в самой жк структуре, так и после удаления из неё стеклянного электрода ITO, На рис. 1 представлены типичные поляризационные изображения фрагментов жк структур в окрестности пленки SiC. Хорошо видно (рис. 1а), что над пленкой SiC «оптическая» толщина жидкокристаллического слоя «тоньше», чем над поверхностью Si, что проявляется в более насыщенной цветами интерференционной картине. Удаление покровного стекла из структуры (рис. 1 б, с) подтверждает, что над пленкой SiC действительно имеет место изменение ориентации нематика и установившаяся ориентация является гомеотронной. Эта ориентация нематика более качественная в окрестности ввода жк в капилляр, но но мере удаления от точки ввода, гомеотронная ориентация ухудшается (рис. 1с).
Отметим, что на поверхности Si (рис. 1 Ь, с) ориентация нематика наклонная, и какой либо корреляции изменений ориентации с расстоянием от места ввода жк в капилляр не наблюдается.
Подчеркнем факт резкой границы (на дистанции менее 5 микрометров) перехода ориентации нематика от наклонной над Si к гомеотронной над SiC, что демонстрирует возможность использовать такие пленки в жидкокристаллических дифракционных приборах, принимая во внимание, что дифракция света на наноразмерных ступеньках пленок SiC отсутствует.
Формирование гомеотронной ориентации молекул жидкого кристалла на пленке SiC мы связываем с повышенной адсорбцией на её развитой поверхности |3| определённых компонент жидкокристаллического материала, природа которых пока не установлена, и которые эффективно ориентируют молекулы основного вещества.
Исследование порогов светочувствительности структур позволяет предположить, что определенная доля компонент жк материала, которые вызывают формирование гомеотронной ориентации нематика, возможно, являются ионами или имеют дшюльпый момент. Светочувствительность структуры, возникающая в случае обеднения поверхности Si, определялась по реакции ориентированного нематика при локальной засветке поверхности Si механически модулированным излучением Не-Хе (0,6 мкм) лазера. Генерация неравновесных носителей заряда постоянным тестирующим светом минимизировалась или интенсивностью последнего или развязкой спектральных диапазонов фоточувсвителыюсти полупроводника и тестирующего излучения, заданного соответствующими светофильтрами |2|,
На рис. 2 представлены типичные кривые (на примере двух структур, отмеченных как (1) и (2)) демонстрирующие зависимость порогового напряжения (постоянное смещение СМс относительно Б1 подложки) светочувствительности структуры от её времени жизни, при тестировании её переменным напряжением. Измерение порогов проводилось в окрестности ввода жк в капилляр. По результатам экспериментов (включая другие структуры) можно сделать вывод, что воспроизводимость пороговых напряжений СМс дня разных ячеек практически отсутствует. Однако можно выделить некоторые общие закономерности. Во-первых, пороги светочувствительности в одной и той же структуре в области БЮ и в области открытой поверхности Б1 различаются, причем в большинство случаев пороги над БЮ выше, чем над Б1 (отмечено стрелками, рис. 2). И второе, после нескольких дней непредсказуемых, часто имеющих разнонаправленное (в сторону увеличения или уменьшения) изменение, порог СМс в конечном итоге принимает некоторое постоянное значение.
time, days
Рис. 2. Зависимость порога светочувствительности структур ((1) и (2)) над пленкой БЮ и поверхностью соответственно от времени жизни структуры. Тестирующее напряжение 4В, частота 105 Гц. Толщина жк слоя 5 мкм.
Различие в порогах светочувствительности над БЮ и Бь которое в свежеприготовленных структурах может достигать нескольких вольт, мы связываем с эффектом ноля в Бь который индуцируется электрическим полом заряда, локализованным на пленке БЮ, Именно обеднение поверхности Б1 играет основную роль в появлении этой разницы в порогах. Это подтверждается в экспериментах, когда обедненный слой в Б1 практически не формируется в случаях (1) интенсивной генерации электронно-дырочных нар
(сильное внешнее освещение) или (2) значительного отрицательного смещения (~ -5В) (относительно кремния). В обоих этих случаях светочувствительность структур не регистрируется, но при этом пороги эффекта Фредерикса, как над Si так и над пленкой SiC одинаковы.
Наличие электрического заряда локализованного на плёнке SiC, с одной стороны, мы можем объяснить встроенным зарядом, который формируется при напылении пленки. С другой стороны, явная временная нестабильность порога светочувствительности, особенно в первые дни жизни свежесобранных структур, позволяет предположить, что в дополнении к встроенному заряду имеет место ионная адсорбция из жидкокристаллического материала или адсорбция молекул с дшюльиыми моментами, в результате чего суммарный электрический заряд на пленке «плавает» некоторый период времени.
Таким образом, на развитой поверхности пленки SiC имеет место адсорбция неустановленной природы компонент жидкокристаллического материала, которые вызывают формирование гомеотроиной ориентации молекул нематика. Динамика светочувствительности структуры Si/SiC/Д205/1ТО позволяет предположить факт адсорбции ионов на пленке SiC из жк материала.
Литература
1. Сихарулидзе Д.Г., Чилая Г.С. Преобразователи изображений тина МДП алектрооити-чеекий материал / М.: Радио и связь, 1986. 111 с.
2. Васильев А.А., Каеаеент Д., Компанец И.Н., Парфенов А.В. Пространственные модуляторы света / М.: Радио и связь, 1987. 320 с.
3. Blinov L.M., Chigrinov V.G. Electrooptic Effects in Liquid Crystal Materials / New York: Springer Science and Business Media, 1996. 464 c.
4. Zakhvalinskii V., Piliuk E., Goncharov I., Simashkevich A., Shcrban D., Bruc L., Curmei N., Rusu M. Silicon carbide nanolavers as a solar cell constituent /7 Phvs. Status Solidi A. 2015. 1. C.184-188.
ION ADSORPTION AND ALIGNMENT OF NEMATIC ON SILICON CARBIDE IN NEMATIC CELL
V. Zakhvalinskii, S.I. Kucheev, N.N. Mezhakov, E.O. Perervenko, E.A. Piliuk
Belgorod State University, Pobedy St., 85, Belgorod, 308015, Russia, e-mail: [email protected]
Abstract. It is proposed some experimental results on peculiarities of nematie (D205) alignment without additional purification on SiC films obtained by magnetron sputtering method on Si substrate and photosensitivity of Si/SiC/nematic/ITO structures through reorientation of nematie layer. Change of initial orientation of nematie on Si surface to the hometrop one on SiC film is explained by adsorption of specific components from liquid crystal material which have aligning properties on developed surface of SiC film. Threshold of photosensitivity over SiC film is more than over Si surface in freshmade structures. Ii is supposed that the difference between thresholds is due to field effect in Si substrate induced by charge on SiC originated from ion adsorption.
Key words: silicon carbide, nematie, alignment, ion, photosensitivity.
