7
Akademos 96 - nr. 3(22), septembrie 2011 REZONATOARE LASER ÎN NANOSTRUCTURI DE ZnO CU MODURI DE EMISIE CONTROLATE DE MORFOLOGIE Dr. Veaceslav URSACHI 1) Dr. Emil RUSU 2) Dr. Victor ZALAMAI 1) Alexandru BURLACU 2) M. cor. Ion TIGHINEANU 2,3 1 Institutul de Fizică Aplicată, AŞM 2 Institutul de Inginerie Electronică şi Nanoteh- nologii „D. Ghiţu”, AŞM 3 Centrul Naţional de Studiu şi Testare a Materi- alelor, Universitatea Tehnică a Moldovei LASER RESONATORS IN ZNO NANO- STRUCTURES WITH MORPHOLOGY CON- TROLLED EMISSION MODES The paper gives an overview of technological elaborations performed at the Institute of Applied Physics and the Institute of Electronic Engineering and Nanotechnologies “D. Giţu” of the Academy of Sciences of Moldova for the production of ZnO based nanostructures ensuring as high optical qua- lity of the produced nanostructures as to act as gain medium for stimulated emission in the ultraviolet spectral region and as relevant geometrical forms and morphologies as to act as high quality factor laser resonators. It is demonstrated that, due to the possibility of multiple and switchable growth directi- ons of the wurtzite structure and the high ionicity of its polar surfaces, ZnO provides conditions for the formation of a variety of micro/nanostructures whi- ch act as laser resonators sustaining guided modes, Fabry–Perot modes, whispering gallery modes, ran- dom lasing and a combination of them. The produced structures are expected to nd many applications in integrated nanoscale optoelectronics, photonics, and sensor technologies. Introducere 1. Datorită parametrilor avantajoşi, cum ar ban- da interzisă largă de 3.36 eV la temperatura camerei şi energia de legătură mare a excitonilor de 60 meV, oxidul de zinc este unul dintre cele mai promiţătoa- re materiale pentru dispozitivele optice cu funcţio- nare în regiunea undelor albastre şi ultraviolete, in- clusiv pentru microlasere [1]. Printre alte proprietăţi favorabile trebuie de menţionat legăturile puternice (energia coezivă de 1.89 eV), stabilitatea mecanică înaltă (temperatura de topire de 2200 K) şi posibili- tatea de schimbare multiplă a direcţiilor de creştere în structura de tip wurtzită, care în combinaţie cu caracterul ionic pronunţat al suprafeţelor polare asi- gură formarea unei diversităţi imense de microstruc- turi/nanostructuri [2,3]. Parametrii optici avantajoşi ai cristalelor de ZnO asigură posibilitatea emisiei stimulate la temperatura camerei datorită mai mul- tor mecanisme, cum ar recombinarea excitonilor liberi, interacţiunea exciton-exciton, formarea plas- mei electron-gol etc. [4,5]. Din altă perspectivă, po- sibilitatea producerii microstructurilor şi nanostruc- turilor de ZnO cu o varietate de morfologii asigură oportunitatea de a crea diferite rezonatoare laser şi de a dirija structura modurilor de emisie stimulată. Nanolaserele în bază de ZnO au o largă implemen- tare în circuitele optoelectronice şi fotonice integra- te, tehnologiile senzorilor, păstrarea şi procesarea informaţiei, microanaliză etc. [6]. În această lucrare sunt prezentate elaborările colaboratorilor Academiei de Ştiinţe a Moldovei în domeniul tehnologiilor de creştere a nanostructuri- lor de ZnO şi implementarea acestor tehnologii în crearea rezonatoarelor laser cu structura modurilor de emisie dirijată. Tehnologii de producere a structurilor 2. de ZnO Una dintre tehnologiile care asigură o calitate optică înaltă a materialului produs este depune- rea chimică din vapori cu folosirea precursorilor metalo-organici (MOCVD). Procesul de creştere MOCVD la presiunea atmosferică este efectuat într- un sistem orizontal dublu care constă dintr-o sobă sur- să şi o sobă principală, după cum este ilustrat în Figu- ra 1a. Acetilacetonatul monohidrat de zinc (Aldrich), încărcat într-o luntriţă de cuarţ, serveşte ca material sursă introdus în soba sursă. Vaporii sunt transpor- taţi către soba principală de către un ux de Ar, care este mixat cu un alt ux de Ar şi O 2 la intrarea în soba principală. Materialul sursă este menţinut la temperatura de 130 o C, iar temperatura suportului din soba principală este setată la 500 o C. Procesul de creştere durează o oră. În acest proces de creştere morfologia structurilor produse este determinată de raportul componentelor din uxurile de gaze. Cum tehnologia de creştere MOCVD este cos- tisitoare, au fost elaborate diferite procedee de de- punere a structurilor de ZnO printr-o metodă mai simplă şi mai efectivă de evaporare carbotermală. Într-o variantă a acestei tehnologii de depunere chi- mică din vapori, procesul de evaporare şi conden- sare se produce într-o sobă orizontală cu un ux de argon/oxigen, după cum este ilustrat în Figura 1b. Un amestec de pulbere de ZnO (99.999 %) şi grat

Rezonatoare Laser in Nanostructuri de AnO Cu Moduri de Emisie Controlate de Morfologie

Embed Size (px)

DESCRIPTION

Bun

Citation preview

  • Akademos

    96 - nr. 3(22), septembrie 2011

    REZONATOARE LASER N NANOSTRUCTURI DE ZnO CU MODURI

    DE EMISIE CONTROLATE DE MORFOLOGIE

    Dr. Veaceslav URSACHI1)Dr. Emil RUSU2)

    Dr. Victor ZALAMAI1)Alexandru BURLACU2)

    M. cor. Ion TIGHINEANU2,31Institutul de Fizic Aplicat, AM2Institutul de Inginerie Electronic i Nanoteh-

    nologii D. Ghiu, AM3Centrul Naional de Studiu i Testare a Materi-

    alelor, Universitatea Tehnic a Moldovei

    LASER RESONATORS IN ZNO NANO-STRUCTURES WITH MORPHOLOGY CON-TROLLED EMISSION MODES

    The paper gives an overview of technological elaborations performed at the Institute of Applied Physics and the Institute of Electronic Engineering and Nanotechnologies D. Giu of the Academy of Sciences of Moldova for the production of ZnO based nanostructures ensuring as high optical qua-lity of the produced nanostructures as to act as gain medium for stimulated emission in the ultraviolet spectral region and as relevant geometrical forms and morphologies as to act as high quality factor laser resonators. It is demonstrated that, due to the possibility of multiple and switchable growth directi-ons of the wurtzite structure and the high ionicity of its polar surfaces, ZnO provides conditions for the formation of a variety of micro/nanostructures whi-ch act as laser resonators sustaining guided modes, FabryPerot modes, whispering gallery modes, ran-dom lasing and a combination of them. The produced structures are expected to fi nd many applications in integrated nanoscale optoelectronics, photonics, and sensor technologies.

    Introducere1. Datorit parametrilor avantajoi, cum ar fi ban-

    da interzis larg de 3.36 eV la temperatura camerei i energia de legtur mare a excitonilor de 60 meV, oxidul de zinc este unul dintre cele mai promitoa-re materiale pentru dispozitivele optice cu funcio-nare n regiunea undelor albastre i ultraviolete, in-clusiv pentru microlasere [1]. Printre alte proprieti favorabile trebuie de menionat legturile puternice (energia coeziv de 1.89 eV), stabilitatea mecanic

    nalt (temperatura de topire de 2200 K) i posibili-tatea de schimbare multipl a direciilor de cretere n structura de tip wurtzit, care n combinaie cu caracterul ionic pronunat al suprafeelor polare asi-gur formarea unei diversiti imense de microstruc-turi/nanostructuri [2,3]. Parametrii optici avantajoi ai cristalelor de ZnO asigur posibilitatea emisiei stimulate la temperatura camerei datorit mai mul-tor mecanisme, cum ar fi recombinarea excitonilor liberi, interaciunea exciton-exciton, formarea plas-mei electron-gol etc. [4,5]. Din alt perspectiv, po-sibilitatea producerii microstructurilor i nanostruc-turilor de ZnO cu o varietate de morfologii asigur oportunitatea de a crea diferite rezonatoare laser i de a dirija structura modurilor de emisie stimulat. Nanolaserele n baz de ZnO au o larg implemen-tare n circuitele optoelectronice i fotonice integra-te, tehnologiile senzorilor, pstrarea i procesarea informaiei, microanaliz etc. [6].

    n aceast lucrare sunt prezentate elaborrile colaboratorilor Academiei de tiine a Moldovei n domeniul tehnologiilor de cretere a nanostructuri-lor de ZnO i implementarea acestor tehnologii n crearea rezonatoarelor laser cu structura modurilor de emisie dirijat.

    Tehnologii de producere a structurilor 2. de ZnO

    Una dintre tehnologiile care asigur o calitate optic nalt a materialului produs este depune-rea chimic din vapori cu folosirea precursorilor metalo-organici (MOCVD). Procesul de cretere MOCVD la presiunea atmosferic este efectuat ntr-un sistem orizontal dublu care const dintr-o sob sur-s i o sob principal, dup cum este ilustrat n Figu-ra 1a. Acetilacetonatul monohidrat de zinc (Aldrich), ncrcat ntr-o luntri de cuar, servete ca material surs introdus n soba surs. Vaporii sunt transpor-tai ctre soba principal de ctre un fl ux de Ar, care este mixat cu un alt fl ux de Ar i O2 la intrarea n soba principal. Materialul surs este meninut la temperatura de 130 oC, iar temperatura suportului din soba principal este setat la 500 oC. Procesul de cretere dureaz o or. n acest proces de cretere morfologia structurilor produse este determinat de raportul componentelor din fl uxurile de gaze.

    Cum tehnologia de cretere MOCVD este cos-tisitoare, au fost elaborate diferite procedee de de-punere a structurilor de ZnO printr-o metod mai simpl i mai efectiv de evaporare carbotermal. ntr-o variant a acestei tehnologii de depunere chi-mic din vapori, procesul de evaporare i conden-sare se produce ntr-o sob orizontal cu un fl ux de argon/oxigen, dup cum este ilustrat n Figura 1b. Un amestec de pulbere de ZnO (99.999 %) i grafi t

  • 3(22), septembrie 2011 - 97

    Nanotehnologii

    cu raportul molar de 1:1 este plasat ntr-un tub de cuar interior cu un suport plasat aval sau amonte. n sob este setat un profi l de temperatur cu ma-ximul de 1050 oC n locul de plasare a sursei i de 1000 oC la suport. Durata procesului, ca i n cazul creterii MOCVD, este de o or. ntr-o alt modi-fi care a acestei tehnologii, creterea structurilor de ZnO se produce ntr-o sob vertical, ilustrat sche-matic n Figura 1c. Acelai amestec de ZnO i grafi t n calitate de material surs este plasat la captul su-dat al unui reactor de cuar. Sistemul este nclzit cu o vitez de 40 oCmin-1 pn la atingerea temperatu-rii de 1000 oC a materialului surs. Materialul surs evaporat este ulterior transportat prin faza de vapori ctre suportul plasat deasupra unui cilindru interior de cuar, unde el este oxidat. Temperatura suportu-lui este controlat de ctre regimurile de temperaturi din sob i de ctre nlimea cilindrului de cuar interior. Temperatura la suport este cu 60 oC mai joas dect temperatura sursei datorit gradientului de temperaturi din sob. Vaporii de Zn sunt iniial generai prin reacia de reducere carbotermal a pul-berii de ZnO n zona de temperatur nalt a sobei. Ulterior, ei sunt transportai prin difuziune termic ctre zona de temperatur mai joas i sunt depui pe suprafaa suportului, unde zincul este oxidat prin reacia cu CO/CO2 i oxigenul din aerul ambiant din camera de cretere.

    n calitate de suport pot fi folosite plachete de Si sau cuar.

    Figura 1. Prezentarea schematic a instalaiei MOCVD (a), a sobei orizontale (b) i verticale (c) de cretere a structurilor de ZnO prin evaporarea carbotermal. n (a) 1 soba surs, 2 luntri de

    cuar, 3 soba principal, 4 cilindru de protecie din cuar, 5 cilindru din cuar pentru depunere, 6 suport de Si sau cuar. n (b) 1 sob

    orizontal, 2 reactor din cuar, 3 cilindru din cuar, 4 material surs, 5 suport. n (c) 1 sob vertical, 2 tub ceramic din Al2O3, 3 nclzitor, 4 reactor din cuar, 5 material surs, 6 suport,

    7 cilindru din cuar

    Tehnologiile de cretere carbotermale sunt mai puin costisitoare, deoarece nu sunt necesare sub-stane precursoare scumpe, fi ind folosite doar pul-bere de ZnO i grafi t. Deosebit de efi ciente sunt metodele cu sob vertical care nu necesit sisteme de vidare i nici fl uxuri de gaze. Morfologia struc-turilor produse este controlat att de parametrii tehnologici, ct i de cantitatea de material surs introdus n sob, care se epuizeaz la diferite etape de cretere a structurilor, producnd nanostructuri i microstructuri de diferite forme geometrice.

    Morfologii ale structurilor de ZnO3. Prin variaia condiiilor tehnologice n procesul

    de cretere carbotermal pot fi obinute nanostruc-turi de ZnO de diferite forme geometrice aa ca na-noprisme, nanotuburi, nanotetrapoduri sau structuri mai complexe cum ar fi microtore etc., dup cum este artat n rndul de sus al Figurii 2. Structuri n form de microtore (artate n imaginea de la mijlocul rndului de sus din Figura 2), de exemplu, se produc ntr-o sob vertical, procesul de cretere fi ind constituit din cteva etape.

    Figura 2. Nanostructuri i microstructuri de ZnO produse prin tehnologia MOCVD sau prin

    evaporarea carbotermal

    n prima etap, pe suport are loc depunerea unui fi lm subire de nucleaie. n faza a doua, care coinci-de cu faza de cretere a temperaturii n sob, are loc creterea bazei microtorei. Datorit creterii trepta-te a temperaturii n aceast faz, are loc creterea diametrului bazei de-a lungul direciei de cretere a torei. Faza a treia de cretere const n formarea platformei hexagonale, de pe care ulterior ncepe creterea nanofi relor n ultima faz de cretere, care formeaz fl acra torei. Platforma hexagonal se produce n condiiile de temperatur constant se-

  • Akademos

    98 - nr. 3(22), septembrie 2011

    tat la 1000 oC. Nanofi rele care formeaz fl acra cresc din platforma hexagonal n condiii de des-cretere a temperaturii dup stingerea sobei. Dup stingerea sobei, concentraia vaporilor n reactor descrete rapid i creterea de mai departe a plat-formei hexagonale devine nefavorabil. n acelai timp, concentraia vaporilor depete nc nivelul de suprasaturaie a vaporilor favoriznd formarea punctelor noi de nucleaie pe platforma hexagonal, din care ulterior cresc nanofi rele de ZnO.

    Prin limitarea cantitii de material surs, ast-fel ca ea s fi e epuizat nainte de stingerea sobei, se creeaz condiii n care nu are loc creterea na-nofi relor i se produce o nanostructur n form de bit de beisbol, dup cum este artat n imaginea din dreapta a rndului de sus din Figura 2. Dac cre-terea nanostructurii se produce n condiiile tempe-raturii constante, are loc formarea unei nanoprisme hexagonale, precum este artat n imaginea din stnga a rndului de sus din Figura 2.

    Aceste nanostructuri reprezint nite elemen-te convenabile pentru nanofabricare. O proprietate fascinant a tehnologiilor date este posibilitatea de autoasamblare a nanostructurilor n microstructuri de form cilindric, sferic sau planare, dup cum este ilustrat n rndul de mijloc al Figurii 2. Prin plasarea suportului aval fat de materialul surs, ntr-o sob orizontal pot fi produse microstructuri cilindrice asamblate din nanoprisme de ZnO, dup cum este artat n imaginea din stnga a rndului de mijloc din Figura 2. Plasarea suportului amonte fa de materialul surs n soba orizontal are ca rezultat creterea unei structuri planare asamblate din nano-tetrapoduri, dup cum este artat n imaginea din dreapta a rndului de mijloc din Figura 2. Structuri emisferice asamblate din nanostructuri n form de

    bit de beisbol (artate n imaginea de mijloc a rn-dului de mijloc din Figura 2) au fost crescute ntr-o sob vertical. Pentru iniierea creterii emisferice, pe suport a fost mai nti depus un fi lm de nucleaie de ZnO, din care s-a format un microdisc folosind fotolitografi a standard.

    Structuri potrivite pentru explorarea efectului laser aleatoriu sub form de straturi de nanodoturi, nanoroduri sau structuri mpletite au fost produse folosind tehnologia MOCVD, dup cum este ilus-trat n rndul de jos al Figurii 2. Producerea aces-tor morfologii diferite este dirijat de ctre raportul componentelor n fl uxurile de gaze n procedeele tehnologice. Nanoroduri cu morfologia ilustrat n imaginea de mijloc a rndului de jos din Figura 2 sunt produse atunci cnd raportul componentelor n fl uxul de gaze Ar/O2 este aproape de 1:1. Dac com-ponenta de Ar n acest fl ux de gaze este redus, se produce un strat de nanodoturi ilustrate n imaginea din stnga a rndului de jos din Figura 2.

    Calitatea optic nalt a materialului produs, ne-cesar pentru realizarea efectului laser, este demon-strat de analiza spectrelor de luminescen artat n Figura 3. Att n materialul produs prin evapora-rea carbotermal (a), ct i n cel obinut prin teh-nologia MOCVD (b), spectrul de luminescen este dominat de emisia datorit recombinrii excitonilor legai pe donorii neutri (D0X) i replicile fononice LO. Liniile I1, I4 i I8 sunt cele mai intense linii ale excitonilor legai pe donori n nanostructurile produ-se prin tehnologia MOCVD, iar n materialul produs prin evaporare carbotermal predomin liniile I4, I8 i I9 [7]. Un alt indiciu al calitii nalte a materia-lului produs este prezena liniilor de recombinare a excitonilor liberi FX n spectrele de luminescen.

    Figura 3. Spectrele tipice de luminescen msurate la temperatura de 10 K la excitare continu a nanostructurilor de ZnO crescute prin evaporarea carbotermal (a) i prin tehnologia MOCVD (b)

  • 3(22), septembrie 2011 - 99

    Nanotehnologii

    Rezonatoare Laser4. O mare parte din nanostructurile i microstruc-

    turile produse reprezint rezonatoare laser cu fac-tor de calitate nalt care suport diferite tipuri de moduri de emisie stimulat n funcie de morfo-logia i geometria structurii. Caracteristicile laser ale structurilor de ZnO produse au fost investigate la excitare optic cu armonica a treia a unui laser Nd:YAG cu comutarea factorului de calitate Q (355 nm, 10 ns, 10 Hz). Pentru investigarea emisiei de la un singur nanorod sau nanoterapod, radiaia de la prob este colectat cu un obiectiv de microscop cu apertura numeric de 0.4 i este transmis ctre fanta de intrare a spectrometrului printr-o diafragm care selecteaz semnalul de la nanostructura dat. Imaginea nanorodului sau a nanotetrapodului n di-afragm este colectat de ctre o camer CCD. n Figura 4 este artat emisia radiaiei n regim de excitare laser de la capetele unui nanorod i a unui tetrapod de ZnO nregistrat cu camera CCD. Spec-trele de emisie ale acestor nanostructuri la creterea densitii de excitare de la 0.1 mW/cm2 pn la 1.1 mW/cm2 sunt artate n partea dreapt a Figurii 4.

    Apariia liniilor nguste de emisie la un anumit prag al densitii de excitare, precum i limea foarte redus a liniilor (2 meV) semnaleaz apariia mo-durilor de emisie laser. Lungimile de und ale li-niilor de emisie de la nanorodul de ZnO, precum i numrul lor n spectrul de emisie sunt determinate de ctre modurile ghidate n nanorod, care depind de geometria nanorodului i pot fi calculate prin re-zolvarea numeric a ecuaiei Helmholtz innd cont de anisotropia indicelui de refracie i dispersia ma-terial [8-11].

    n microtetrapoduri sunt posibile dou tipuri de moduri de emisie [12,13]. n tetrapodurile de di-mensiuni mici (cu lungimea picioarelor mai mic de 1 2 m), precum i n tetrapodurile fr faete bine conturate de tipul celor ilustrate n Figura 5a, este posibil doar formarea modurilor ghidate n pe-rechi de picioare, dup cum este ilustrat n insertul din Figura 5a, care sunt similare modurilor ghidate din nanoroduri artate n Figura 4 (rndul de sus). n tetrapodurile mai mari cu faetele hexagonale de la captul picioarelor bine formate de tipul celor ar-tate n Figura 5b i 4 (rndul de jos) este posibil

    Figura 4. Imaginea de la microscopul electronic de scanare (SEM) (stnga), imaginea colectat cu camera CCD n regim de emisie laser (mijloc) i spectrul de emisie (dreapta) de la un nanorod (rndul de sus)

    i un nanotetrapod (rndul de jos)

    Figura 5. Tipuri de moduri de emisie laser n nanostructuri de ZnO: moduri ghidate (a); moduri FabryPerot (b); moduri de tipul galeriei optitoare (c)

  • Akademos

    100 - nr. 3(22), septembrie 2011

    formarea modurilor FabryPerot. Aranjamentul re-gulat al liniilor de emisie n spectrul de emisie din Figura 4 (rndul de jos) demonstreaz originea Fa-bryPerot a modurilor, distana dintre modurile de emisie fi ind determinat de expresia

    =(1/L)[(2/2)(n-dn/d)-1], unde L este lun-gimea cavitii rezonatorului, n este indicele de re-fracie, iar este lungimea de und a radiaiei.

    Un alt tip de moduri laser este posibil n micro-discuri sau n structuri n form de bit de beisbol cu o prism hexagonal la captul ei dup cum este ilustrat n Figura 5c, i anume moduri de tipul ga-leriei optitoare (whispering gallery modes WGM) [14]. Efectul laser n microdiscuri nu poate fi atri-buit modurilor FabryPerot, formate n urma refl ec-iilor de la faetele hexagonale (modurile FP1 din Figura 5c). Pentru caviti cu lungimea de 100 nm (grosimea discurilor de ZnO), cu indicele de refrac-ie de 2.4, la lungimea de und de emisie =390 nm distana dintre modurile FP1 ar trebui sa fi e = 2/2nL=320 nm. Cu alte cuvinte, n astfel de condiii trebuie s existe doar un singur mod de emisie Fa-bryPerot n intervalul spectral 3.13.2 eV, pe cnd au fost observate cteva moduri de emisie n mi-crodiscuri de ZnO n acest interval spectral. Modu-rile de emisie de tipul FabryPerot n microdiscuri sunt puin probabile i din cauza amplifi crii optice

    insufi ciente n rezonatoare cu lungimea cavitii de 100 nm. Factorul de calitate al modurilor de emisie calculat ca Q = /, unde i sunt frecvena i limea liniei de emisie, pentru microdiscuri de ZnO cu grosimea de 100 nm i diametrul de 1.8 m s-a dovedit a fi Q = 640.

    Factorul de calitate pentru modurile de tipul FP1 calculat conform ecuaiei

    )1(2

    21RRnLQ c OS ,

    unde R1 i R2 sunt coefi cienii de refl ecie de la fa-ete, iar Lc este lungimea cavitii, ar trebui s fi e egal cu 4.6.

    Pentru modurile FabryPerot, formate prin re-fl ecii de la faetele laterale ale microdiscului (mo-durile FP2 din Figura 5c), factorul de calitate ar tre-bui s fi e Q = 80, valoare mult mai joas dect cea observat experimental (Q = 640). Structurile de tip hexagonal pot suporta moduri de tipul galeriei op-titoare WGM sau cvasi q-WGM ( Figura 5c).

    Factorul de calitate pentru o cavitate de forma unui poligon regulat poate fi calculat ca

    mRnmDRQ m

    m SOS 2sin

    )1(2 2/4/

    ,

    Figura 6. (a) Spectrele de emisie ale unei structuri emisferice ilustrate n mijlocul Figurii 2 la excitare n partea central cu un fascicul de diametrul 60 m (a) i la excitare integral a structurii (b). Curbele 1 i 2 au fost msurate la excitare cu dou impulsuri consecutive cu durata de 10 nsec i densitatea de excitare

    de 2.2 mW/cm2. (c) dependena intensitii emisiei de densitatea de excitare la o structur cu morfologia ilustrat n imaginea de mijloc din rndul de jos al Figurii 2. (d) dependena pragului de emisie laser n

    funcie de aria suprafeei excitate n aceeai structur

  • 3(22), septembrie 2011 - 101

    Nanotehnologii

    unde m este numrul faetelor, D este diametrul poligonului, iar R este coefi cientul de refl ecie de la faete. n acest caz, att modurile WGM, ct i q-WGM pot asigura un factor de calitate de 640, dar pierderile de radiaie n cazul modurilor q-WGM sunt mai mari dect n cazul modurilor WGM.

    Rezonatoare laser combinate au fost realiza-te n structuri emisferice de tipul celor ilustrate n mijlocul Figurii 2. Spectrul de emisie de la aceast structur depinde de aria excitat din microstructu-r. Spectrul de emisie de la partea central a mi-crostructurii, excitat cu un fascicul de diametrul 60 m la densiti de excitare mai mari dect pragul laser, const din cteva linii de emisie care nu se schimb de la un impuls de excitare la altul, dup cum se vede din Figura 6a. Aceste moduri de emisie sunt de tipul WGM, formate n prisma hexagonal ilustrat n imaginea de jos a Figurii 5c.

    La excitarea integral a structurii emisferice cu un fascicul de lumin mai larg, n spectrul de emisie apar nite linii noi marcate cu stelue n Figura 6b n plus la liniile observate n Figura 6a. Din Figura 6b putem observa c liniile marcate cu stelue difer de la un impuls de excitare la altul, ceea ce este carac-teristic pentru efectul laser aleatoriu. Efectul laser aleatoriu este realizat n aceast structur datorit mprtierii puternice a luminii n stratul de la baza structurii emisferice.

    Rezonatoare de tipul laserului aleatoriu se for-meaz i n structuri produse prin metoda MOCVD cu morfologia ilustrat n rndul de jos al Figurii 2 [9]. Emisia laser din aceste structuri a fost obser-vat sub forma multiplelor linii foarte nguste care apar n spectrul de emisie la excitare cu densiti mai mari dect pragul laser, iar numrul i poziia spectral a lor difer de la un impuls de excitare la altul. Pragul de emisie laser n aceste structuri, determinat din schimbarea pantei din dependena ilustrat n Figura 6c, este de 1.5 W/cm2. Formarea modurilor de tipul FabryPerot sau WGM nu este posibil n aceste structuri din cauza formei nere-gulate a nanostructurilor, a pierderilor optice mari i a amplifi crii insufi ciente n nanostructuri indi-viduale. Pe de alt parte, efectul laser aleatoriu nu necesit caviti regulate, dar depinde n schimb de puterea de mprtiere a luminii n material. Efec-tul laser aleatoriu este demonstrat i de analiza de-pendenei pragului de emisie laser n raport cu aria suprafeei excitate Ap. n cazul rezonatoarelor de tipul FabryPerot, WGM, sau a modurilor ghidate, pragul de emisie laser nu depinde de aria suprafeei excitate, spre deosebire de rezonatoarele laser alea-toriu. O analiz cantitativ a efectului laser aleatoriu n polimeri dopai cu molecule de colorani, dar i n straturi policristaline de ZnO, a artat c performan-

    a laserului aleatoriu depinde n mod critic de aria suprafeei excitate, precum i de dimensionalitatea mediului laser aleatoriu [15,16]. S-a demonstrat c pragul de emisie laser este proporional cu Ap-0.5 n cazul unui mediu laser aleatoriu bi-dimensional (2D) i este proporional cu Ap-0.75 n cazul unui me-diu tri-dimensional (3D).

    Analiza dependenei pragului de emisie laser n funcie de aria suprafeei excitate n structuri produse prin metoda MOCVD cu morfologia ilustrat n imaginea de mijloc din rndul de jos al Figurii 2 demonstreaz o dependen Ith = (3.5 0.4)Ap-(0.53 0.03), care este n bun concordan cu mediul laser aleatoriu 2D. Aceste structuri pot fi , ntr-adevr, considerate bi-dimensionale, de-oarece lumina este mprtiat n planul stratului de ZnO, iar confi narea optic n direcia perpen-dicular stratului se produce prin refl exie intern total datorit diferenei indicilor de refracie a stratului de ZnO i a suportului de cuar, pe de o parte, i a mediului ambiant, pe de alt parte.

    5. ConcluziiAcest studiu confi rm posibilitatea de produ-

    cere cu ajutorul tehnologiilor cost-efective a mate-rialului ZnO cu proprieti optice necesare pentru amplifi carea radiaiei optice n domeniul ultraviolet al spectrului care, de rnd cu varietatea de nano-structuri i microstructuri cu proprieti excelente de rezonatoare laser, poziioneaz oxidul de zinc ca un material cu o perspectiv larg de aplicare n nanolasere i microlasere pentru circuitele optoelec-tronice i fotonice integrate.

    Rezultatele expuse n aceast lucrare au fost ob-inute n colaborare cu colegii de la Institutul de Fi-zic Aplicat al Universitii Karlsruhe (TH), Ger-mania; Laboratorul de Fizic H H Wills al Universi-tii Bristol, Marea Britanie, Laboratorul de Crista-lizare din Soluii la Temperaturi nalte a Institutului de Fizic a Corpului Solid, Chernogolovka, Rusia i alte centre de cercetare i au fost publicate n peste 20 de lucrri n reviste de circulaie internaional cu nalt factor de impact. Elaborrile principale au fost prezentate la expoziii i saloane naionale i internaionale, iar prioritatea lor este protejat de 5 brevete de invenii.

    Lucrarea a fost efectuat cu suportul Centrului tiinifi co-Tehnologic din Ucraina (STCU) (proiec-tul # 4034). Dr. Victor Zalamai apreciaz suportul fi nanciar al Fundaiei Alexander von Humboldt i DFG KC 354/23.

  • Akademos

    102 - nr. 3(22), septembrie 2011

    Bibliografi e 1. U. Ozgur, Ya.I. Aliliv, C. Liu, A. Teke, M.A.

    Reshchikov, S. Dogan, V. Avrutin, S-J Cho, M. Morkoc, A comprehensive review of ZnO materials and devices, J. Appl. Phys. 98 (2005) 041301.

    2. C. Klingshirn, ZnO: From basics towards applica-tions, Phys. Stat. Sol. (b) 244 (2007) 3027-3073.a

    M.C. Newton, P.A. Warburton, 3. ZnO tetrapod na-nocrystals, Materials Today 10(5) (2007) 50-54.

    C. Klingshirn, Semiconductor Optics, 3rd ed. 4. Springer-Verlag, Berlin, (2007), 809 p.

    C. Klingshirn, R. Hauschild, J. Fallert, H. Kalt H, 5. Room-temperature stimulated emission of ZnO: Alterna-tives to excitonic lasing, Phys. Rev. B 75 (2007) 115203.

    M.H. Huang, S. Mao, H. Feick, H. Yan, Y. Wu, H. 6. Kind, E. Weber, R. Russo, P. Yang, Room-Temperature Ultraviolet Nanowire Nanolasers, Science 292 (2001) 1897-1899.

    Meyer B K et al., Bound exciton and donorac-7. ceptor pair recombinations in ZnO, Phys. Stat. Sol. (b) 241 (2004) 231-260.

    R. Hauschild, H. Kalt H, Guided modes in ZnO 8. nanorods, Appl. Phys. Lett. 89 (2006) 123107.

    V.V. Ursaki, V.V. Zalamai, A. Burlacu, J. Fallert, 9. C. Klingshirn, H. Kalt, G.A. Emelchenko, A.N. Redkin, A.N. Gruzintsev, E.V. Rusu, I.M. Tiginyanu, A compa-rative study of guided modes and random lasing in ZnO

    nanorod structures, J. Phys. D: Appl. Phys. 42 (2009) 095106.

    V.V. Ursaki, V.V. Zalamai, A. Burlacu , J. Fallert 10. , C. Klingshirn, H. Kalt , G.A. Emelchenko, A.N. Re-dkin, A.N. Gruzintsev, E.V. Rusu, I.M. Tiginyanu, Gui-ded mode lasing in ZnO nanorod structures, Superlattices and Microstructures 46 (2009) 513-522.

    V.V. Zalamai, V.V. Ursaki, C. Klingshirn, H. 11. Kalt, G.A. Emelchenko, A.N. Redkin, Lasing with gui-ded modes in ZnO nanorods and nanowires, Appl Phys B 97 (2009) 817823.

    V.V. Ursaki, 12. V.V. Zalamai, I.M. Tiginyanu, A. Burlacu, E.V. Rusu, and C. Klingshirn, Refractive index dispersion deduced from lasing modes in ZnO microte-trapods, Appl. Phys. Lett. 95 (2009) 171101.

    V.V. Zalamai, V.V. Ursaki, I.M. Tiginyanu, A. 13. Burlacu, E.V. Rusu, C. Klingshirn, J. Fallert, J. Sartor, H. Kalt, Impact of size upon lasing in ZnO microtetrapods, Appl. Phys. B 99 (2010) 215222.

    V.V. Ursaki, A. Burlacu, E.V. Rusu, V. Postola-14. ke, I.M. Tiginyanu, Whispering gallery modes and ran-dom lasing in ZnO microstructures, J. Opt. A: Pure Appl. Opt. 11 (2009) 075001.

    Cao H 2005 15. J. Phys. A: Math. Gen. 38 10497.Ling Y, Cao H, Burin A L, Ratner M A, Liu X 16.

    and Chang R P H 2001 Phys. Rev. A 64 063808.

    Nina Arbore. Pisici. 1935. Acvaforte i acvatinta n ton sepia. 18 x 22