Развитие физической модели оптически управляемого переключателя на основе тонкопленочной структуры Ge2Sb2Te5 тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.10, кандидат наук Толкач Никита Михайлович

• Толкач Никита Михайлович
• кандидат наук
• 2019

Оглавление диссертации кандидат наук Толкач Никита Михайлович

Введение

Глава 1 Оптические вычислительные устройства

1.1 Электрооптические устройства

1.1.1 Оптические компьютеры

1.1.2 Электрооптический модулятор на основе интерферометра Маха-Цендера

1.1.3 Электрооптический полимерный переключающий элемент

1.2 Оптически управляемые устройства

1.2.1 Оптический модулятор на основе интерферометра Фабри-Перо

1.2.2 Оптические устройства на плазмонном эффекте

1.2.3 Оптический элемент на кремниевой наночастице

1.2.4 Оптический элемент на металлической наночастице золота

1.3 Эффект фазового переключения в ХСП и оптические устройства на его основе

1.3.1 История открытия материалов ХСП и эффекта фазового переключения в них

1.3.2Эффект фазового переключения

1.3.3 Современные устройства на эффекте фазового переключения

1.3.4 Оптические диски

1.3.5 Энергонезависимая фазовая память Intel 3D XPoint

1.3.6 Оптически управляемые устройства на эффекте фазового переключения в GST

1.3.6.1 Управляющие углом отражения элементы

1.3.6.2 Управляющие интенсивностью прохождения оптического сигнала элементы

1.3.6.3 Элемент на эффекте плазмонного резонанса

1.3.6.4 Нанофотонный пространственный модулятор света

Выводы

Глава 2 Моделирование процессов влияния низкоэнергетических электромагнитных воздействий на свойства наноразмерных тонкопленочных структур GST

2.1 Концепция оптически управляемого переключателя

2.2 Физико-математическая модель оптически управляемого переключателя на пленках GST

2.2.1 Интерференция в тонкой поглощающей пленке

2.2.2 Интенсивности отраженных и прошедших волн при интерференции

2.2.3 Отражательная и пропускательная способности тонкой пленки

2.2.4 Коэффициенты отражения и пропускания на границах раздела сред

2.2.5 Критерии оптимизации оптически управляемого переключателя

2.3 Моделирование работы оптически управляемого переключателя

Выводы

Глава 3 Методы экспериментальных исследований оптических и морфологических свойств наноразмерных тонкопленочных структур GST

3.1 Методы локального исследования процесса обратимого изменения фазового состояния в тонкопленочной структуре GST

3.2 Метод расчета комплексного показателя преломления

3.3 Методика локального измерения комплексного показателя преломления тонкопленочной структуры с фазовыми переходами

3.4 Методика коррекции траектории температурного дрейфа

3.4.1 Описание проблемы

3.4.2Модель и программа для коррекции дрейфа

Выводы

Глава 4 Исследование тонкопленочных структур GST для оптимизации параметров оптически управляемых переключателей

4.1 Изготовление экспериментальных образцов

4.2 Измерение толщины пленок

4.3 Измерение комплексного показателя преломления материала пленок

4.3.1 Результаты эллипсометрии

4.3.2 Результаты спектрофотометрии

4.3.3 Результаты расчета комплексного показателя преломления по данным об отражательной и пропускательной способностях

4.4 Исследование процесса обратимого изменения фазового состояния материала пленки

4.5 Исследование спектров комбинационного рассеяния локальных участков пленки

4.6 Исследование температурного дрейфа

4.6.1 Температурный дрейф при лазерном нагреве пленки

4.6.2 Влияние температурного дрейфа на спектры комбинационного рассеяния

4.7 Исследование отражательной и пропускательной способностей в локальных участках пленки

Выводы

Заключение

Список литературы

Приложение А Акт об использовании результатов диссертационной работы... 142 Приложение Б Свидетельство о государственной регистрации программы

для ЭВМ

Приложение В Исходный код программы для скорректированного перемещения исследуемой области при коррекции траектории температурного дрейфа

Введение

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Развитие физической модели оптически управляемого переключателя на основе тонкопленочной структуры Ge2Sb2Te5»

Актуальность работы

Темпы развития современных вычислительных средств обуславливают рост требований к вычислительным ресурсам электронной техники. До недавнего времени их увеличение происходило по закону Мура (рисунок 1), в соответствии с которым число активных вычислительных элементов на чипе удваивается каждые 2 года при стабильной цене изготовления такого чипа [1].

Рисунок 1 - Прогноз закона Мура для активных вычислительных элементов [1]

В настоящее время данный закон в том виде, в котором он был сформулирован Г. Муром, перестает действовать. Увеличение вычислительных мощностей приближается к пределу возможностей электронной техники и в ближайшем будущем станет возможным только за счет увеличения количества активных вычислительных элементов (транзисторов), что непременно создаст проблемы эффективного теплоотвода, роста энергопотребления и размеров, а также приведет к усложнению процесса изготовления и, как следствие, к удорожанию элементной базы. Именно поэтому актуальным на сегодняшний день является развитие альтернативных электронным вариантов вычислительных технологий. Одним из таких вариантов являются оптические технологии обработки информации.

Оптические технологии обладают рядом достоинств, из которых следует выделить следующие: распространение информации со скоростью близкой к скорости света; отсутствие у фотонов электрического заряда и способности влиять друг на друга, и, как следствие, высокая спектральная плотность и нечувствительность оптических сигналов к электромагнитным помехам; отсутствие распространения излучения за пределами оптического канала, что обеспечивает защищенность от перехвата информации; низкие энергопотери; отсутствие присущих электронике паразитных емкостей.

Достигнутый на данный момент минимальный топологический размер активного вычислительного элемента (транзистора) у промышленных лидеров составляет - 5 нм (Intel, IBM [2]), в России - 65 нм (ПАО «Микрон» [3]). Объем рынка полупроводниковой электроники в мире в 2017 году составил около 378 миллиардов долларов и в дальнейшем прогноз предполагает его рост [4]. Доля России в данном рынке составляет всего 2,6 миллиарда, что меньше 1 % [5]. С учетом неопределенности передовых лидеров в решении проблемы альтернативных вычислительных технологий, развитие оптических технологий является крайне актуальным направлением, как для российской, так и мировой микроэлектронной промышленности.

На данный момент времени применение оптических технологий хорошо развито для построения волоконно-оптических систем передачи (ВОСП) [6] и основанных на них активных и пассивных оптических сетей (англ. Active and Passive Optical Network - AON, PON). В ближайшем будущем принципы построения ВОСП могут лечь в основу компактных вычислительных устройств. Сейчас же ВОСП имеют достаточно крупные размеры и в большей степени подходят для передачи информации, нежели для ее обработки при коммутации оптических каналов.

Неотъемлемой частью ВОСП являются активные компоненты, выполняющие функции переключения - модуляторы, мультиплексоры, демультиплексоры (далее - оптические переключатели). Основными недостатками, применяемых в ВОСП оптических переключателей, являются их

скорость переключения (от 1 мкс), габаритные размеры (от 5 мм), управляющие электромагнитные поля высокой интенсивности (от 1 ГВт/см2), а также двойное преобразование информации из оптических сигналов в электронные или наоборот. Поэтому актуальным на данный момент времени является создание оптических переключателей, в которых решены эти проблем.

Большое количество отечественных и зарубежных исследовательских работ посвящено изучению свойств халькогенидных стеклообразных полупроводниковых (ХСП) структур на основе системы соединений Ge2Sb2Tes (аббревиатура GST225, GST). Главной особенностью данных материалов является их способность находиться в двух устойчивых фазовых состояниях кристаллической решетки: аморфном и кристаллическом, изменять которые можно, например, низкоэнергетическими электромагнитными воздействиями. Структурное отличие аморфной и кристаллической фазы приводит к значительным различиям в оптических свойствах, что можно использовать на практике для бинаризации оптического сигнала.

Современные устройства, использующие материал GST, совмещают в себе быстродействие, стабильность, энергоэффективность, устойчивость к помехам и радиации. Их применение до настоящего времени ограничено областью электронных запоминающих устройств - твердотельной энергонезависимой памятью 3D XPoint (Intel, Micron, c 2015 г.), оптических - дисковых CD, DVD, BD накопителей информации. Область применения материала GST для оптических переключателей в системах ВОСП до сих пор недостаточно исследована и нуждается в совершенствовании физических моделей и разработке новых принципов управления оптическими сигналами.

Степень разработанности темы

Научные исследования эффекта фазового переключения и памяти в халькогенидных стеклообразных материалах ведутся с 1955 года. В 90-х годах данная тема получила развитие на фоне предложения использовать ХСП материалы GST в перезаписываемых оптических дисках. Новый импульс к исследованию этих материалов был дан в 2015 году с выходом коммерчески успешных твердотельных энергозависимых запоминающих устройств 3D XPoint [7-13].

На данном этапе развития технологий стоит отметить различные варианты оптических переключателей. Электрооптические переключатели на основе микроэлектромеханических систем (англ. Micro-Electro-Mechanical System -MEMS), жидких кристаллов на кремнии (англ. Liquid Crystal on Silicon - LCOS) имеют много входных и выходных портов для передачи данных, активно применяются в ВОСП с многочисленными перекрестными соединениями [14, 15]. Однако время переключения одного активного элемента в системах MEMS и LCOS составляет микросекунды, это ограничивает их применение для быстрой оптической коммутации пакетов данных в ВОСП [16].

Оптические переключатели на основе нелинейной оптики, эффектов Керра, Поккельса, квантово-размерного эффекта Штарка имеют быстрое время переключения в диапазоне от наносекунд до пикосекунд. Существенными недостатками применения этих устройств в ВОСП являются их большие размеры (~ 5 мм) и управляющие электромагнитные поля высокой интенсивности (~ ГВт/см2), необходимые для выполнения переключения [17-27].

В работах [28-37] предложены оптически переключатели, не использующие электронные компоненты и управляемые только оптическими сигналами (далее -оптически управляемые переключатели). Значительное количество этих разработок посвящено исследованию применений материала GST в качестве активного элемента оптически управляемых устройств для ВОСП. Основной интерес исследователей в данных работах направлен на изучение процессов распространения оптических сигналов в структурах, состоящих из тонких пленок

GST, совершенствование физических моделей для определения оптимальных конструкционных параметров таких структур.

Существующие физические модели оптически управляемых переключателей на основе тонкопленочных структур GST, рассмотренные в работах [33-37], опираются на изменение пропускательной и отражательной способностей активного материала в результате модификации его фазового состояния под воздействием кратковременных интенсивных лазерных импульсов, но не учитывают ряд оптических эффектов, способных улучшить или ухудшить работу этих устройств. Так, например, при пропускании либо отражении электромагнитных волн в тонкой пленке часть их из-за интерференции поглощается, отражается и пропускается в разных соотношениях, что приводит к высоким потерям. В устройствах обработки и передачи данных высокие потери сигнала являются наиболее вероятной причиной искажения информации, их низкой энергоэффективности.

Цель и задачи

Цель данной работы - развитие физической модели оптически управляемого переключателя на основе тонкопленочной структуры с изменяемым фазовым состоянием материала Ge2Sb2Te5, позволяющее сформировать рекомендации для достижения необходимых оптических параметров тонкоплёночной структуры. Для решения данной цели были поставлены следующие задачи:

1. Анализ современного состояния проблемы оптически управляемых переключателей по данным патентных источников и научных статей.

2. Разработка физико-математической модели оптически управляемого переключателя на основе тонкопленочной структуры Ge2Sb2Te5, учитывающая эффекты фазового переключения и интерференции электромагнитных волн.

3. Разработка требований к структуре оптически управляемого переключателя с размерами активной области не более 2 мкм, скоростью переключения не более 1 мкс, интенсивностью управляющего оптического излучения не более

1 Вт/мкм2 = 0,1 ГВт/см2, потерь информационного сигнала не более 50 %.

4. Разработка алгоритма для оптимизации параметров тонкопленочной структуры Ge2Sb2Te5 (показатель преломления, коэффициент экстинкции, толщина слоя, длины волн и углы распространения оптических сигналов) для достижения необходимых оптических параметров (отражательная и пропускательная способности).

5. Разработка методики исследования параметров тонкопленочной структуры Ge2Sb2Te5, позволяющей оценить достоверность результатов, получаемых с помощью разработанной физико-математической модели оптически управляемого переключателя на основе тонкопленочной структуры Ge2Sb2Te5.

6. Сравнение модельных и экспериментальных результатов исследования параметров тонкопленочной структуры Ge2Sb2Te5.

Предмет и объект исследования

Объектом исследования являются наноразмерные тонкопленочные структуры на основе соединения Ge2Sb2Te5.

Предметом исследования являются эффекты фазового переключения и интерференции электромагнитных волн, индуцированные оптическим воздействием, и связанные с ними изменения оптических свойств (пропускательной и отражательной способностей) объекта исследования.

Методология и методы исследования

Для исследования оптических свойств тонкопленочных структур в работе использовались методы оптической фотометрии, спектрофотометрии, микроскопии, эллипсометрии, спектроскопии, в том числе метод спектроскопии комбинационного рассеяния света. Для изучения морфологических параметров поверхности использовались методы атомно-силовой микроскопии.

Для моделирования распространения оптического излучения в тонкопленочных структурах использовались методы расчета геометрической и волновой оптики. С помощью закона Снелла рассчитывались углы преломления оптического излучения. Формулы Френеля и соотношения Эйри использовались для расчета отражательной и пропускательной способностей. На основе модели Френеля-Эйри для многослойных сред рассчитывались комплексные показатели преломления тонкопленочных структур.

Для обработки экспериментальных и теоретических данных использовались методы нелинейной регрессии, численные методы градиентного спуска, методы минимизации и нелинейной оптимизации функций.

Научная новизна полученных результатов

1. Усовершенствована физико-математическая модель оптически управляемого переключателя на основе тонкопленочной структуры Ge2Sb2Te5. Учтены эффект изменения фазового состояния материала Ge2Sb2Te5 и условия максимума и минимума пропускательной и отражательной способностей пленки Ge2Sb2Te5 в аморфном и кристаллическом состояниях при интерференции электромагнитных волн. Благодаря этому потери информационного оптического сигнала в тонкопленочной структуре Ge2Sb2Te5 составили не более 46 %.

2. Предложена методика коррекции траектории температурного дрейфа для достижения необходимой локальности при измерении комплексного показателя преломления тонкопленочной структуры с фазовыми переходами. Методика основана на учете влияния температуры на траекторию перемещения перетяжки воздействующего лазерного излучения относительно исследуемой области.

3. Разработана методика локального измерения в области с диаметром от 350 до 900 нм комплексного показателя преломления тонкопленочной структуры с фазовыми переходами. Методика основана на использовании фотометрических данных об отражательной и пропускательной

способностях ограниченной диаметром перетяжки лазерного пучка области пленки при ее фазовых превращениях.

4. Установлено экспериментально значение энергетической экспозиции 3,2 нДж/мкм2 управляющего излучения с длиной волны 403 нм, при котором наблюдается изменение фазового состояния с кристаллического на аморфное материала пленки Ge2Sb2Te5 толщиной 22 нм, не приводящее к ее разрушению.

Теоретическая и практическая значимость работы

1. Разработанную физико-математическая модель оптически управляемого переключателя на основе тонкопленочной структуры Ge2Sb2Te5 целесообразно использовать при формировании рекомендаций для достижения необходимых оптических параметров тонкоплёночных структур оптически управляемых переключателей.

2. Разработанную методику коррекции траектории температурного дрейфа целесообразно использовать в технике сканирующей зондовой микроскопии для термостабилизации исследуемой области.

3. Разработанный метод локального измерения комплексного показателя преломления тонкопленочной структуры с фазовыми переходами целесообразно использовать для контроля параметров (толщина слоя, комплексный показатель преломления) оптических устройств в процессе их производства.

4. Разработанный макет для проведения локальных исследований оптических параметров тонкопленочной структуры целесообразно использовать для измерения пропускательной и отражательной способностей тонкопленочной структуры в диапазоне длин волн от 400 нм до 1700 нм при облучении оптическими источниками излучения, в частности лазерными источниками излучения с длительностью импульса от 10 нс до 1 мс и потреблением электрической мощности до 500 мВт.

Научные результаты и положения, выносимые на защиту

1. Усовершенствованная физико-математическая модель оптически управляемого переключателя на основе тонкопленочной структуры Ge2Sb2Te5. Модель учитывает эффекты фазового переключения и интерференции электромагнитных волн и позволяет уменьшить в тонкопленочной структуре Ge2Sb2Te5 потери информационного оптического сигнала с 74 % до 46 %.

2. Методика коррекции траектории температурного дрейфа, вызванного колебаниями температуры измерительной установки и исследуемого образца. Методика позволяет стабилизировать положение перетяжки лазерного излучения в локальной области исследуемого образца и уменьшить температурный дрейф с 500 нм до 50 нм при локальных измерениях оптических параметров тонкопленочных структур.

3. Теоретически и экспериментально установленное значение энергетической экспозиции 3,2 нДж/мкм2 управляющего импульса лазерного излучения с длиной волны 403 нм и длительностью 10 нс. При этом значении наблюдается изменение фазового состояния с кристаллического на аморфное материала пленки Ge2Sb2Te5 толщиной 22 нм в структуре стекло Corning Glass 1737F - пленка Ge2Sb2Te5, не приводящее к разрушению пленки.

Степень достоверности и апробация результатов

Достоверность результатов исследования обеспечена использованием современного высокоточного научного оборудования Регионального центра зондовой микроскопии коллективного пользования РГРТУ, лаборатории химии координационных полиядерных соединений Института общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова РАН, лабораторий Института перспективных материалов и технологий НИУ МИЭТ, применением известных аналитических методов исследования (атомно-силовой микроскопии, спектроскопии комбинационного рассеяния света, спектрофотометрии, оптической микроскопии и спектроскопии) и численных математических (метод градиентного спуска,

методы минимизации и нелинейной оптимизации функций, метод нелинейной регрессии) методов.

Результаты исследования обсуждались на всероссийских и международных конференциях и опубликованы в рецензируемых научных изданиях.

Соответствие диссертации паспорту научной специальности

Диссертация содержит результаты экспериментальных и теоретических исследований эффектов фазового переключения и интерференции электромагнитных волн в тонких пленках GST, индуцированных оптическим воздействием, и связанных с ним изменений в распространении оптического излучения. Уделено внимание изучению условий минимальной и максимальной пропускательной и отражательной способностей в результате интерференции электромагнитных волн в аморфных и кристаллических пленках GST.

Приведены физические модели, результаты моделирования и оптимизации параметров оптически управляемого переключателя на основе тонкопленочной структуры GST. Для подтверждения теоретических выводов проведены экспериментальные исследования тонкопленочных структур GST в аморфном и кристаллическом состояниях. Результаты, полученные в работе, раскрывают особенности оптических эффектов, происходящих в полупроводниковых материалах с фазовыми переходами, что может быть использовано при разработке оптически управляемых переключателей.

Личный вклад автора

Автор диссертации принимал участие в постановке экспериментов и их проведении, обработке и интерпретации экспериментальных результатов, создании теоретических моделей, написании научных статей в составе авторского коллектива и подготовке их к публикации, представлял доклады по теме диссертации на конференциях. Результаты, выносимые на защиту и составляющие научную новизну диссертационной работы, получены автором лично.

Апробация и реализация результатов диссертации

Основные результаты работы представлялись на следующих конференциях: VI форум проектов программ союзного государства - VI форум вузов инженерно-технологического профиля (2017, Минск), 7-я, 8-я, 9-я и 10-я всероссийские школы-семинары студентов, аспирантов и молодых ученых по направлению «Диагностика наноматериалов и наноструктур» (2014, 2015, 2017, 2018, Рязань), 5-я и 6-я средиземноморские конференции по встраиваемым вычислительным ресурсам «Mediterranean Embedded Computing Resources» (2016, 2017, Черногория), I и II международные научно-технические и научно-методические конференции «Современные технологии в науке и образовании» (2016, 2017, Рязань), международная научно-практическая конференция «Интеллектуальный и научный потенциал XXI века» (2016, Казань), международная научно-практическая конференция «Современные проблемы и перспективные направления инновационного развития науки» (2016, Екатеринбург), 9-я, 10-я и 11-я международные конференции «Аморфные и микрокристаллические полупроводники» (2014, 2016, 2018, Санкт-Петербург), международная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых по фундаментальным наукам «Ломоносов» (2016, Москва), 3-я научно-техническая конференция «Наука настоящего и будущего» (2015, Санкт-Петербург), XXVIII международная научная конференция «Математические методы в технике и технологиях» (2015, Рязань).

Результаты работы использованы при выполнении НИР в рамках: гранта УМНИК № 5837ГУ/2015, стипендии Президента РФ молодым ученым и аспирантам № СП-1724.2015.5, государственных контрактов с Минобрнауки РФ №14.513.11.0138, №16.522.11.7033, №16.552.11.7086 и №14.B37.21.1102. Акт об использовании материалов диссертации приведен в Приложении А.

Полученные в диссертации теоретические и практические результаты реализованы в виде программного продукта, имеющего 1 свидетельство о регистрации программы для ЭВМ (Приложение Б).

Публикации

Основные научные результаты диссертации опубликованы в 25 научных работах [38-62], включая 4 публикации в изданиях, рекомендуемых ВАК, 2 публикации в изданиях, индексируемых в базе данных Scopus, 18 публикаций в материалах всероссийских и международных конференций и 1 свидетельство о регистрации программы для ЭВМ.

Структура диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложений. Текст диссертации изложен на 149 страницах текста, включает 58 рисунков, 6 таблиц, 3 приложения, список цитируемых источников из 152 наименований.

Глава 1 Оптические вычислительные устройства

1.1 Электрооптические устройства

1.1.1 Оптические компьютеры

Несмотря на то, что идея создания оптических компьютеров до сих пор актуальна, еще в 1991 году компанией «Bell Labs» был разработан «DOC-II» (англ. Digital Optical Computer — цифровой оптический компьютер) [17]. Он состоял из 64 лазерных излучателей, 128 фотодетекторов и матричного пространственного модулятора 64x128 (элементы матрицы - ячейки Брэгга на GaP). Оптическая схема DOC-II выполняла векторно-матричное умножение над булевыми значениями. Устройство выполняло поиск слова со скоростью до 80 000 страниц текста в секунду.

В 2003 году фирмой «Lenslet» был выпущен оптический DSP-процессор EnLight256 [63]. Его архитектура состояла из процессорного ядра, основанного на аналоговых оптических технологиях, при этом все входы, выходы и управляющие схемы, управлялись электроникой. Производительность процессора составляла 8*1012 элементарных операций в секунду. В его схеме использовались 256 лазеров, управляемый электроникой пространственно-световой модулятор с матрицей 256x256 ячеек (рисунок 1.1) и 256 фотодатчиков.

Применение подобных систем не получило массового распространения, так как они имели большие размеры и немало стоили, а их интеграция с электронными компонентами вызывала проблемы. Такие системы также нельзя назвать полностью оптическими т.к. управление элементами оптической матрицы осуществлялось электроникой.

Рисунок 1.1 - Пространственно-световой модулятор 256x256 ячеек [63]

1.1.2 Электрооптический модулятор на основе интерферометра Маха-Цендера

Простейшие системы модуляции оптического сигнала реализуются по принципу интерферометра Маха-Цендера (рисунок 1.2) [18, 19]. Свет, распространяясь по оптическому волноводу, делится пополам на два равных луча. Попадая в фазосдвигающие секции, выполненные из ниобата-лития, свет замедляется и при выходе из них распространяется в противофазе, в результате чего, сигналы аннигилируют. Состоянием фазосмещения можно управлять подачей напряжения на секции.

Рисунок 1.2 - Система модуляции оптического сигнала, реализованная по принципу интерферометра Маха-Цендера [18]

Данные системы на основе ниобат-литиевых (^МЮз) модуляторов позволяют достичь хорошего быстродействия, около 40 ГГц и пропускать оптические сигналы с высокой мощностью излучения. Однако имеются ограничения:

- для обеспечения необходимого набега фаз оптической волны размеры модуляторов ограничены снизу ~ 5 мм;

- на больших частотах с порядком в несколько гигагерц модулятор нельзя считать сосредоточенной системой т.к. наряду с оптической волной с меньшей скоростью бежит волна напряжения (не выполняется условие синхронизации).

1.1.3 Электрооптический полимерный переключающий элемент

В работе [20] предложен переключающий элемент, образованный двумя пересекающимися каналами оптического волновода (рисунок 1.3). В области контакта волноводных путей формируется коммутационный элемент из полимера (полиакрилат).

Рисунок 1.3 - Электрооптический полимерный переключающий элемент [20]

Волноводы

В штатном состоянии показатель преломления полимера соответствует показателю преломления волноводных путей. Распространяющийся оптический сигнал при этом проникает из одного волновода в соседний.

Состояние оптического переключения между волноводами достигается путем изменения показателя преломления полимера за счет его термического нагрева. Нагрев осуществляется тонкопленочным нагревателем, сформированным поверх полимерного переключающего элемента на пересечении волноводов, и вызывает изменение показателя преломления полимера. В определенный момент достигаются условия выполнения полного внутреннего отражения света на границе между волноводом и полимером. В этом состоянии распространяющийся оптический сигнал не проникает в соседний волновод.

Стоит отметить, что это не единственная работа, где модуляцию/ переключение сигнала выполняют с помощью изменения показателя преломления. В работах [21-24] предложены различные вариации данного способа.

1.2 Оптически управляемые устройства

1.2.1 Оптический модулятор на основе интерферометра Фабри-Перо

Для реализации полностью оптической модуляции в работе [28] предложен вариант устройства на интерферометре Фабри-Перо (рисунок 1.4). Активным элементом модулятора служит резонатор, между полупрозрачными зеркалами которого расположен материал с нелинейной зависимостью показателя преломления от интенсивности входного оптического излучения. К резонатору по волноводам подводится два оптических луча, выполняющих функцию управления и передачи информации. Длина волны управляющего луча подобрана так, что материал внутри резонатора чувствителен к ней и меняет коэффициент преломления среды распространения лучей. При прохождении информационного луча по такой среде можно управлять положением максимума напряженности электромагнитной волны. Если максимум совпадает с положением выходного зеркала, то волна полностью выходит из резонатора, если совпадет с минимумом, то отражается.

Рисунок 1.4 - Система реализации полностью оптического модулятора по принципу интерферометра Фабри-Перо: 1 - входное зеркало ИФП, 2 - выходное зеркало, а) информационное излучение проходит в выходной световодный канал,

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Толкач Никита Михайлович, 2019 год

Список литературы

1. Моррис К. Пробудят ли МЭМС закон Мура? // РадиоЛоцман. 2014. № 43. С. 24-27.

2. IBM unveils world's first 5nm chip [Электронный ресурс] // Ars Technica UK. 2017. URL: https://arstechnica.co.uk/gadgets/2017/06/ibm-5nm-chip/ (дата обращения: 10.10.2017).

3. О компании Микрон [Электронный ресурс] // Сайт компании Микрон. 2017. URL: http://mikron.ru/company/ (дата обращения: 10.10.2017).

4. Semiconductor industry sales worldwide 1987-2019 [Электронный ресурс] // The Statistics Portal. 2017. URL: https://www.statista.com/statistics/266973/global-semiconductor-sales-since-1988/ (дата обращения: 10.10.2017).

5. Состояние и перспективы мирового и российского рынков микроэлектроники [Электронный ресурс] // Frost & Sullivan: International Data Corporation. 2017. URL: https://ww2.frost.com/news/press-releases/sostoyanie-i-perspektivy-mirovogo-i-rossijskogo-rynkov-mikroelektroniki/ (дата обращения: 10.10.2017).

6. ГОСТ Р 54417-2011. Компоненты волоконно-оптических систем передачи. Термины и определения. // Введ. 2012-07-01. М.: Стандартинформ. 2012. 12 с.

7. Научное открытие "Полупроводниковые свойства халькогенидных стекол" [Электронный ресурс] // Научные открытия России. Государственный реестр открытий СССР. 1955. URL: http://ross-nauka.narod.ru/06/06-098.html

8. Богословский Н.А., Цэндин К.Д. Физика эффектов переключения и памяти в халькогенидных стеклообразных полупроводниках // Физика и техника полупроводников. 2012. Т. 46. № 5. С. 577-608.

9. Коломиец Б.Т., Горюнова Н.А. Свойства и структура тройных полупроводниковых систем // ЖТФ. 1955. Т. 25. № 6. С. 984-994.

10. Korczynski E. XPoint NVM Array Process Engineering [Электронный ресурс] // Semiconductor Manufacturing and Design. 2017. URL: http://semimd.com/blog/ 2017/10/18/xpoint-nvm-array-process-engineering/ (дата обращения: 01.08.2018).

11. Intel® Optane™ SSD 905P Series [Электронный ресурс] // Intel. 2018. URL: https://ark.intel.com/products/129834/Intel-0ptane-SSD-905P-Series-960GB-12-Height-PCIe-x4-20nm-3D-XPoint (дата обращения: 01.08.2018).

12. Choe J. Intel 3D XPoint Memory Die Removed from Intel Optane PCM (Phase Change Memory) [Электронный ресурс] // TechInsights. 2017. URL: http:// www.techinsights.com/about-techinsights/overview/blog/intel-3D-xpoint-memory-die-removed-from-intel-optane-pcm/ (дата обращения: 01.08.2018).

13. Malventano A. How 3D XPoint Phase-Change Memory Works // PC Perspective. 2017. URL: https://www.pcper.com/reviews/Editorial/How-3D-XPoint-Phase-Change-Memory-Works (дата обращения: 01.08.2018).

14. Mizukami M., Yamaguchi J., Nemoto N., Kawajiri Y., Hirata H., Uchiyama S., Makihara M., Sakata T., Shimoyama N., Oda K. 128x128 three-dimensional MEMS optical switch module with simultaneous optical path connection for optical cross-connect systems // Appl. Opt. 2011. № 50(21). Pp. 4037-4041.

15. Sakurai Y., Kawasugi M., Hotta Y., Saad Khan M.D., Oguri H., Takeuchi K., Michihata S., Uehara N. LCOS-based wavelength blocker array with channel-by-channel variable center wavelength and bandwidth // IEEE Photon. Technol. Lett. 2011. № 23(14). Pp. 989-991.

16. Tanaka D., Shoji Y., Kuwahara M., Wang X., Kintaka K., Kawashima H., Toyosaki T., Ikuma Y., Tsuda H. Ultra-small, self-holding, optical gate switch using Ge2Sb2Te5 with a multi-mode Si waveguide // Opt. Express. 2012. № 20 (9). Pp. 10283-10294.

17. Stone R.V., Zeise F.F., Guilfoyle P.S. DOC II - 32 Bit Digital Optical Computer: Opto-Electronic Hardware & Software // Optical Enhancements to Computing Technology. 1991. Vol. 1563. Pp. 267 - 278.

18. Щербаков В.В., Солодков А.Ф., Задерновский А.А. Передача сигналов модуляции интенсивности света в аналоговых волоконно-оптических линиях связи // РЭНСИТ. 2016. Т. 8. № 1. С. 9-24.

19. Tsuda H., Saiki T. Optical switch, patent № US20060140535A1, 27.12.2004.

20. Williams Q., Williams G. Optical switch device having an integrated polymer switching element, patent № US20020034352A1, 25.08.2000.

21. Kim Y.S., Shin J.U., Moon H.M., Kim J.B. Total reflection type optical switch using polymer insertion type silica optical waveguide and manufacturing method thereof, patent № US20130223793A1, 01.11.2010.

22. Sun C.K., Chen D. Vertical electro-optically coupled switch, patent № US20170038659A1, 15.04.2015.

23. Park H.H., Kim J.H., Han Y.T. Optical Modulator Using Waveguides, patent № US20140301693A1, 11.11.2011.

24. Han Y.T., Shin J.U., Park S.H., Han S.P. Optical switch device and method of manufacturing the same, patent № US20120020614A1, 21.07.2010.

25. Alferness R.C. Waveguide electrooptic switch arrays // IEEE J. Sel. Areas Comm. 1988. № 6(7). Pp. 1117-1130.

26. Suzuki K., Yamada T., Moriwaki O., Takahashi H., Okuno M. Polarization-insensitive operation of lithium niobate Mach-Zehnder interferometer with silica PLC-based polarization diversity circuit // IEEE Photon. Technol. Lett. 2008. № 20(10). Pp. 773-775.

27. Ito J., Yasumoto M., Nashimoto K., Tsuda H. High-speed photonic functional circuits using electrically controllable PLZT waveguides // IEICE Trans. Electron, 2009. № 92-C. Pp. 713-718.

28. Султанов А.Х., Виноградова И.Л., Салихов А.И. Подход к комплексному моделированию профилированного интерферометра типа Фабри Перо, обеспечивающего переключение оптических сигналов // Вестник УГАТУ. 2009. Т. 12. № 1. С. 172-179.

29. Этуотер Г.А. Плазмоника // В мире науки: под ред. С. П. Капица. 2007. № 8. С. 28-32.

30. Atwater H.A. The Promise of Plasmonics // Scientific American. 2007. No. 294. Pp. 56-62.

31. Makarov S., Kudryashov S., Mukhin I., Mozharov A., Milichko V., Krasnok A., Belov P. Tuning of Magnetic Optical Response in a Dielectric Nanoparticle by Ultrafast Photoexcitation of Dense Electron-Hole Plasma // Nano Letters. 2015. Vol. 9. No. 15. Pp. 6187-6192.

32. Zuev D.A., Makarov S.V., Mukhin I.S., Milichko V.A., Starikov S.V., Morozov I.A., Shishkin I.I., Krasnok A.E, Belov P.A. Fabrication of Hybrid Nanostructures via Nanoscale Laser-Induced Reshaping for Advanced Light Manipulation // Adv. Mater. 2016. No. 28. Pp. 3087-3093.

33. Zou L., Cryan M., Klemm M. Phase change material based tunable reflectarray for free-space optical inter/intra chip interconnects // Opt Express. 2014. Vol. 20. No. 22. Pp. 24142-8.

34. Rios C., Stegmaier M., Hosseini P., Wang D., Scherer T., Wright C.D., Bhaskaran H., Pernice W.H.P. Integrated all-photonic non-volatile multi-level memory // Nature photonics. 2015. No. 9. Pp. 725-732.

35. Gholipour B., Zhang J., MacDonald K.F., Hewak D.W., Zheludev N.I. An All-Optical, Non-volatile, Bidirectional, Phase-Change Meta-Switch // Adv. Mater. 2013. No. 25. Pp. 3050-3054.

36. Takashi H., Takayuki U., Kenta K., Yuya K., Tasuku Y. and Toshiharu S. Switching the Localized Surface Plasmon Resonance of Single Gold Nanorods with a Phase-Change Material and the Implementation of a Cellular Automata Algorithm Using a Plasmon Particle Array // Advances in Optical Technologies. 2015. Vol. 2015. Pp. 1-5 (article ID 150791).

37. Pernice W., Bhaskaran H. Nanophotonic spatial light modulator, patent № US9470955B2, 18.06.2014.

38. Вишняков Н.В., Толкач Н.М., Провоторов П.С. Оптимизация параметров тонкопленочной структуры на основе Ge2Sb2Te5 для оптических переключателей // Вестник Рязанского государственного радиотехнического университета. 2018. № 4-2 (66). С. 2-8.

39. Толкач Н.М., Вишняков Н.В., Маслов А.Д., Провоторов П.С. Метод расчета комплексного показателя преломления тонких пленок Ge2Sb2Te5 // Сборник трудов международной конференции «Аморфные и микрокристаллические полупроводники». Санкт-Петербург. 2018. С. 128-129.

40. Толкач Н.М., Вишняков Н.В., Маслов А.Д., Провоторов П.С. Модель распространения света в тонкопленочной структуре Ge2Sb2Te5 на прозрачной подложке. // Труды X Всероссийской школы - семинара студентов, аспирантов и молодых ученых по направлению "Диагностика наноматериалов и наноструктур" (1 - 6 октября 2018 г., г. Рязань). Т. 3. С. 39-44.

41. Tolkach N., Vishnyakov N., Vorobyov Y., Avachev A., Rybina N. Optical computing device architecture based on Ge2Sb2Te5 // 6th Mediterranean Conference on Embedded, Computing - MECO 2017. Bar. Montenegro. 2017. Pp. 67-69.

42. Толкач Н.М., Вишняков Н.В. Методы построения оптических вычислительных устройств на основе материала Ge2Sb2Te5 // Сборник трудов II Международной научно технической и научно - методической конференции «Современные технологии в науке и образовании». Рязань. 2017. Т. 4. С. 212-217.

43. Толкач Н.М. Применение халькогенидных стеклообразных полупроводниковых наноструктур для построения оптических вычислительных устройств // Труды IX Всероссийской школы - семинара студентов, аспирантов и молодых ученых по направлению "Диагностика наноматериалов и наноструктур". Рязань. 2017. Т. 2. С. 144-150.

44. Толкач Н.М., Вишняков Н.В., Провоторов П.С. Энергоэффективные оптические вычислительные устройства на основе халькогенидных-полупроводниковых структур // Сборник материалов форума проектов программ союзного государства - VI форум вузов инженерно-технологического профиля. Республика Беларусь, г. Минск. 2017.

45. Tolkach N.M., Vishnyakov N.V., Vorobyov Y.V., Maslov A.D. Modeling of the Drift of Atomic-Force Microscope Probe for Local Chemical Nanodiagnostics // 5th Mediterranean Conference on Embedded Computing (MECO'2016). Bar. 2016. Pp. 87-89.

46. Толкач Н.М., Вишняков Н.В. Влияние температуры на резонансную частоту кантилевера атомно силового микроскопа // Интеллектуальный и научный потенциал XXI века: сборник статей Международной науно- практической конференции. Казань. 2016. Т. 4. С. 165-169.

47. Вишняков Н.В., Воробьев Ю.В., Вихров С.П., Толкач Н.М., Козюхин С.А. Влияние висмута на параметры оптической записи в структурах на основе тонких пленок (Ge2Sb2Tes)100-x Bix // Сборник статей международной научной конференции «Аморфные и микрокристаллические полупроводники». 2016. С. 136-137.

48. Толкач Н.М., Козюхин С.А., Вишняков Н.В., Воробьев Ю.В., Ермачихин А.В., Вихров С.П. Модель изотермической кристаллизации наноразмерных пленок материалов фазовой памяти // Аморфные и микрокристаллические полупроводники: сборник трудов Международной конференции. СПб. 2016. С. 169-171.

49. Толкач Н.М., Вишняков Н.В. Метод для коррекции траектории перемещения зонда сканирующего зондового микроскопа с учетом влияния термодрейфа // Труды международной научной конференции «Современные проблемы и перспективные направления инновационного развития науки. Екатеринбург. 2016. С. 185-189.

50. Толкач Н.М. Дрейф зонда атомно силового микроскопа при реализации TERS эффекта // XXIII Международная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых по фундаментальным наукам "Ломоносов 2016". Секция "Физика". Сборник тезисов. Москва. 2016. Т. 2. С. 153-154.

51. Толкач Н.М., Вишняков Н.В. Моделирование дрейфа зонда атомно - силового микроскопа для локальной химической нанодиагностки // Труды XXVIII Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях». Рязань. 2015. Т. 10. С. 253-259.

52. Воробьев Ю.В., Вишняков Н.В., Маслов А.Д., Толкач Н.М. Применение метода комбинационного рассеяния света для исследования фазовых переходов в пленках структуры Ge - Sb - Te // Сборник материалов конференции: III научно техническая конференция с международным участием "Наука настоящего и будущего" для студентов, аспирантов и молодых ученых. СПб. 2015. С. 236-237.

53. Толкач Н.М., Вишняков Н.В., Воробьев Ю.В., Рыбин Н.Б. Программа для коррекции перемещения зонда сканирующего зондового микроскопа с учетом искажений, вызванных термодрейфом, свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2015663675, 03.11.2015.

54. Воробьев Ю.В., Рыбин Н.Б., Маслов А.Д., Толкач Н.М. Компенсация дрейфа зонда атомно - силового микроскопа // Труды VIII Всероссийской школы семинара студентов, аспирантов и молодых ученых по направлению "Диагностика наноматериалов и наноструктур". Рязань. 2015. Т. 3. С. 207-210.

55. Трегулов В.В., Скопцова Г.Н., Балаганский С.С., Толкач Н.М. Исследование особенностей поверхности пленки CdS, изготовленной гидрохимическим осаждением на текстурированной кремниевой подложке // Вестник Балтийского федерального университета им. И. Канта. Серия: Физико математические и технические науки. 2014. № 10. С. 91-96.

56. Воробьев Ю.В., Рыбин Н.Б., Толкач Н.М. Повышение точности методов атомно силовой микроскопии // Труды VII Всероссийской школы семинара студентов, аспирантов и молодых ученых по направлению "Диагностика наноматериалов и наноструктур". Рязань. 2014. С. 39-42.

57. Вихров С.П., Авачев А. П., Вишняков Н.В., Толкач Н.М., Мальцев М. В. Исследование фазового состояния пленок Ge2Sb2Te5 методом комбинационного рассеяния света // Аморфные и микрокристаллические полупроводники. Сборник трудов IX Международной конференции. СПб. 2014. С. 245-246.

58. Воробьев Ю.В., Вишняков Н.В., Гудзев В. В., Толкач Н.М., Трегулов В.В. Структура поверхности пленок пористого кремния, сформированных в электролите на основе HF с добавкой KMnO4 // Нано - и микросистемная техника. 2014. № 11. С. 16-19.

59. Вихров С.П., Авачев А.П., Вишняков Н.В.,Толкач Н.М., Анкудинов А.В., Мальцев М.В. Исследование различий фазовых состояний пленки Ge2Sb2Te5 в области воздействия лазерного луча // Аморфные и микрокристаллические полупроводники. Сборник трудов IX Международной конференции. СПб. 2014. С. 255-256.

60. Толкач Н.М., Мальцев М. В. Исследование фазовых переходов в пленках халькогенидов Ge2Sb2Te5 методом комбинационного рассеяния света // Труды VII Всероссийской школы семинара студентов, аспирантов и молодых ученых по направлению "Диагностика наноматериалов и наноструктур". Рязань. 2014. С. 194-196.

61. Трегулов В.В., Афонин М.В., Воробьев Ю.В., Толкач Н.М. Особенности свойств пленок пористого кремния, сформированных на текстурированной подложке // Вестник Рязанского государственного радиотехнического университета. 2013. № 4-1 (46). С. 103-107.

62. Толкач Н.М., Вишняков Н.В. Коррекция СЗМ изображений с учетом термодрейфа // Инновации в науке, производстве и образовании. Сборник трудов Международной конференции. Рязань. 2013. С. 66-69.

63. Li X., Shao Z., Zhu M., Yang J. MQW's Dpatial Ligth Modulator // In: Fundamentals of Optical Computing Technology: Forward the Next Generation Supercomputer. Springer. 2018. Pp. 61-64.

64. Amiri I.S., Ahmad H., Afroozeh A. Calculation of nonlinear refractive index // In: Integrated Micro-Ring Photonics: Principles and Applications as Slow Light Devices, Soliton Generation and Optical Transmission. CRC Press. 2016. Pp. 34-35.

65. Otto A., Mrozek I., Grabhorn H., Akemann W. Surface-enhanced Raman scattering // J. Phys. Condens. 1992. Vol. 4. Pp. 1143-1212.

66. Перлин Е.Ю., Вартанян Т.А., Федоров А.В. Физика твердого тела. Оптика полупроводников, диэлектриков, металлов: Учебное пособие. СПб.: СПбГУ ИТМО. 216 с.

67. Kolomiets B.T. Vitreous Semiconductors (I) // Phys. status solidi. 1964. Vol. 7. No. 2. Pp. 359-372.

68. Kolomiets B.T. Vitreous semiconductors (II) // Phys. stat. sol. 1964. Vol. 7. Pp. 713-731.

69. Tanaka K. Photoinduced structural changes in amorphous semiconductors // Semiconductors. 1988. Vol. 32. No. 8. Pp. 964-969.

70. Kolobov A.V. Photo-Induced Metastability in Amorphous Semiconductors. Weinheim: Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA. 2003.

71. Wong S.H. et al. Highly Selective Wet Etch for High-Resolution Three-Dimensional Nanostructures in Arsenic Sulfide All-Inorganic Photoresist // Chem. Mater. 2007. Vol. 19. No. 17. Pp. 4213-4221.

72. Фельц А. Аморфные и стеклообразные неорганические твердые тела. Москва: Мир. 1986. 558 с.

73. Pearson A.D., Dewald J.F., Northover W.R. Advances in Glass Technology. New York: Plenum Press, 1962. 357 Pp.

74. Коломиец Б.Т., Лебедев Э.А. Вольтамперная характеристика точечного контакта со стеклообразными полупроводниками // Радиотехника и электроника. 1963. № 8. С. 2097-2098.

75. Попов А.И. Физика и технология неупорядоченных полупроводников. Москва: Издательский дом МЭИ. 2008. 272 с.

76. Pearson A.D. Memory and switching in semiconducting glasses // J. Non. Cryst. Solids. 1970. Vol. 2. Pp. 1-15.

77. Raoux S., Wuttig M. Phase Change Materials. Boston, MA: Springer US, 2009. 430 Pp.

78. Fritzsche H., Ovshinsky S.R. Calorimetric and dilatometric studies on chalcogenide alloy glasses // J. Non. Cryst. Solids. 1970. Vol. 2. No. 5. Pp. 148-154.

79. Popescu M. Structural modeling of Ovonic materials // J. Ovonic Res. 2006. Vol. 2. No. 4. Pp. 45-52.

80. Hudgens S., Johnson B. Overview of Phase-Change Chalcogenide Nonvolatile Memory Technology // MRS Bulletin. 2004. Vol. 29. No. 11. Pp. 829-832.

81. Ovshinsky S.R. Reversible electrical switching phenomena in disordered structures // Phys. Rew. Lett. 1968. Vol. 21. No. 20. Pp. 1450-1453.

82. Козюхин С.А., Шерченков А.А., Новоторцев В.М. Материалы фазовой памяти на основе сложных халькогенидов и их применение в устройствах оперативной памяти // Российские нанотехнологии. 2011. Т. 6. С. 73-74.

83. Таненбаум Э.С. Архитектура компьютера. СПб.: 5-е изд. 2007. 844 с.

84. Спиридонов В.В. Организация и проектирование подсистем хранения информации в автоматизированных системах переработки данных. Учебное пособие для вузов. - Л.: СЗПИ. 1984. 80 с.

85. Lacaita A.L. Phase change memories: State-of the-art, challenges and perspectives // Solid-State Electronics. 2006. Vol. 50. No. 24-31.

86. Narahara T., Kobayashi S., Hattori M., Shimpuku Y. et al. Optical disc system for digital video recording // Japanese journal of applied physics. 2000. Vol. 39. No. 1 (2B). Pp. 912-919.

87. Bennett H. The Authoritative Blu-ray Disc (BD) FAQ. Disc Capacity [Электронный ресурс] // Hugh's News. 2016. URL: http://www.hughsnews.ca/ faqs/authoritative-blu-ray-disc-bd-faq/9-disc-capacity (дата обращения: 01.08.2018).

88. Meinders E.R., Mijiritskii A.V., Pieterson L. et al. Optical Data Storage Phase-Change Media and Recording. Vol 4. // In: Philips Research Book Series. Berlin: Springer-Verlag. 2006. P. 172.

89. Schuller D., Hafner A. Recording principle // In: Handling and Storage of Audio and Video Carriers (IASA-TC 05). IASAA. 2014. Pp. 24-29.

90. 3D ReRAM, a promising candidate for high density high speed non-volatile memory (NVM) [Электронный ресурс] // MSE Supplies LLC. 2017. URL: https:/ /www.msesupplies.com/blogs/news/3d-reram-a-promising-candidate-for-high-density-high-speed-non-volatile-memory-nvm (дата обращения: 01.08.2018).

91. Velea A., Opsomer K., Devulder W., Dumortier J., Fan J., Detavernier C., Jurczak M. & Govoreanu B. Te-based chalcogenide materials for selector applications // Scientific Reports. 2017. Vol. 7. P. 8103.

92. Chen S., Gibbons P.B., Nath S. CIDR'11: 5th Biennial Conference on Innovative Data Systems Research // Rethinking Database Algorithms for Phase Change Memory. 2011. Pp. 22-31.

93. Wang X., Kuwahara M., Awazu K., Fons P.,Tominaga J., Ohki Y. Proposal of a Grating-Based Optical Reflection Switch using Phase Change Materials // OPTICS EXPRESS. Aug 2009. Vol. 17. No. 19. Pp. 16947-16956.

94. Orava J., Wagner T., Sik J., Prikryl J., Benes L., Frumar M. Optical properties and phase-change transition in Ge2Sb2Te5 flash evaporated thin films studied by temperature dependent spectroscopic ellipsometry // Journal of Applied Physics. 2008. Vol. 104. Pp. 043523 - 043553.

95. Ellipso Technology. Special Application of Polarized Light Based Analysis - A Few Examples. The Complex Refractive Index of GST(Ge2Sb2Te5) [Электронный ресурс] // Ellipso Technology. URL: http://www.ellipsotech.com/ AT_special.html?ckattempt=1 (дата обращения: 01.08.2018).

96. Born M., Wolf E. The reflactivity and transmissivity; polarization and refraction // In: Principles of optics. 7th ed. Cambridge: Cambridge University Press. 2003. Pp. 43-49.

97. Русин С.П. Изменение оптических свойств системы "оксидная пленка-металл" в процессе роста пленки: компьютерное моделирование // Теплофизика и аэромеханика. 2012. Т. 19. № 5. С. 643-654.

98. Airy G.B. // Phil. Mag. 1833. No. 2. Pp. 20-30.

99. Born M., Wolf E. A homogeneous film // In: Principles of optics. 7th ed. Cambridge: Cambridge University Press. 2003. P. 65.

100. Борн М., Вольф Э. Основы оптики. 2-е изд. Москва: Наука. 1973. 720 с.

101. Modest M.F. Reflection and Transmission by a Thin Film or Slab // In: Radiative heat transfer. 3th ed. Oxford: Elsevier, 2013. Pp. 53-57.

102. Zhang Z.M. Thin Films // In: Nano/Microscale heat transfer / Ed. by Zhang Z.M. Atlanta: McGraw-Hill, 2007. Pp. 335-340.

103. Born M., Wolf E. An absorbing film on a transparent substrate // In: Principles of optics. 7th ed. Cambridge : Cambridge University Press. 2003. Pp. 753-754.

104. Born M., Wolf E. Freshnel formulae // In: Principles of optics. 7th ed. Cambridge : Cambridge University Press. 2003. P. 42.

105. Родионов С.А., Гутман Е.И. Оптимизация нелинейных систем // В кн.: Расчет и конструирование механизмов и деталей приборов. Л.: Машиностроение. 1975. С. 5-37.

106. Вержбицкий В.М. О решении нелинейных систем методами спуска // В кн.: Основы численных методов: Учебник для вузов / ред. В.М. В. М.: Высшая школа. 2002. С. 306-311.

107. Mathar R.J. Refractive index of humid air in the infrared: model fits // Journal of Optics A: Pure and Applied Optics. Apr 2007. Vol. 9. No. 5. Pp. 470-476.

108. Malitson I.H. Interspecimen comparison of the refractive index of fused silica // Journal of the Optical Society of America. 1965. Vol. 55. No. 10. Pp. 1205-1209.

109. Lazarenko P. et al. Influence of Bi doping on electrical and optical properties of phase change material Ge2Sb2Te5 // J. Optoelectron. Adv. Mater. 2011. Vol. 13. No. 11-12. Pp. 1400-1404.

110. Yee K. Numerical solution of initial boundary value problems involving maxwell's equations in isotropic media // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 1966. Vol. 14. No. 3. Pp. 302-307.

111. Taflove A. Brodwin M.E. Numerical solution of steady-state electromagnetic scattering problems using the time-dependent Maxwell's equations // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 1975. Vol. 23. No. 8. Pp. 623-630.

112. OptiFDTD Overview [Электронный рессурс] // Optiwave Photonic Software. 2019. URL: https://optiwave.com/optifdtd-overview/ (дата обращения: 02.02.2019).

113. Kozyukhin S.A., Lazarenko P.I., Vorobyov Y.V., Savelyev M.S., Polokhin A.A., Glukhenkaya V.B., Sherchenkov A.A., Gerasimenko A.Y. Laser-induced modification of amorphous GST225 phase change materials // Matériaux & Techniques. 2018. Vol. 180070. Pp. 1-6.

114. Siegel J., Gawelda W., Puerto D., Dorronsoro C., Solis J., Afonso C.N., De Sande J.C.G., Bez R., Pirovano A., Wiemer C. Amorphization dynamics of Ge2Sb2Te5 films upon nano- and femtosecond laser pulse irradiation // Journal of Applied Physics. 2008. T. 103. № 023516. Pp. 1-7.

115. Fuxi G, Yang W. Laser Pulse-Induced Amorpization Process // In: Data Storage at the Nanoscale: Advances and Applications. Taylor & Francis Group. 2015. Pp. 190-194.

116. Самарин Ю.Н. Лазеры в допечатных процессах // Мир этикетки. М: КомпьютерПресс. 2006. № 3. [Электронный ресурс] // Сайт журнала "Мир этикетки". URL: http://labelworld.ru/ (дата обращения: 01.08.2018)

117. Radiant exposure [Электронный рессурс] // IUPAC Gold Book. URL: http://goldbook.iupac.org/html/R7R05042.html (дата обращения: 01.09.2018г.).

118. ГОСТ 26148-84. Фотометрия. Термины и определения (с Изменением N 1) // Введ. 1985-07-01. М.: Издательство стандартов. 1984. 122 с.

119. Брус В.В., Ковалюк З.Д., Марьянчук П.Д. Оптические свойства тонких пленок TiO2-MnO2, изготовленных по методу электронно-лучевого испарения // Журнал технические науки. 2012. Т. 82. Вып. 8. С. 110-113.

120. Swanepoel R. Determination of the thickness and optical // J. Phps. E: Sci. Instrum. Vol. 16. 1983. Pp. 1214-1222.

121. Белов М.Л., Городничев В.А., Козинцев В.И., Федотов Ю.В. Лазерный метод измерения толщины и показателя преломления нанопленок на подложке, основанный на определении первой производной коэффициента отражения [Электронный ресурс] // Научное издание МГТУ им. Н.Э. Баумана: Наука и образование. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана. 2011. URL: http://www.technomag.edu.ru/doc/233673.html (дата обращения: 01.08.2018г.).

122. Цепулин В.Г., Толстогузов В.Л. Метод определения параметров тонких пленок по анализу спектрального коэффициента отражения [Электронный ресурс] // Молодежный научно-технический вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. URL: http://sntbul.bmstu.ru/doc/577208.html (дата обращения: 08.09.2018).

123. Ларионов А.И. Нанометрология: Спектроскопия комбинационного рассеяния [электронный источник] // Нанометр. 2009. URL: www.nanometer.ru/2009/06/ 09/internet_olimpiada_155836.html (дата обращения: 25.10.2015).

124. Litvinov V., Kozlovsky V., Sannikov D., Sviridov D., Milovanova O., Rybin N. Local measurement of con-duction band offset for ZnCdS/ZnSSe nanostructure by Laplace current DLTS cooperated with AFM tech-nique // Phys. Status Solidi. 2010. Vol. 7. No. 6. Pp. 1536-1538.

125. Быков В. А., Кузнецов Е. В. Уменьшение влияния температурного дрейфа в сканирующих зондовых микроскопах // Известия вузов, Электроника. 2010. Т. 5. № 85. С. 58-63.

126. Korayem M.H., Sadeghzadeh S. A. Comprehensive Micro-Nanomechanical Drift Modeling and Compensation for Nanorobots // Scientia iranica (Transaction F: Nanotechnology). 2010. Vol. 17. No. 2. Pp. 133-147.

127. Ricci D., Braga P.C. Recognizing and Avoiding Artifacts in AFM Imaging // Atomic Force Microscopy: Biomedical Methods and Applications (Methods in Molecular Biology). 2003. Vol. 242. Pp. 25-37.

128. Миронов В.Л. Основы сканирующей зондовой микроскопии. М.: Техносфера, 2005. 144 с.

129. Croft D., Shed G., Devasia S. Creep, hysteresis, and vibration compensation for piezoactuators: atomic force microscopy application // ASME J. Dyn. Syst. Control. 2001. Vol. 123. Pp. 35-43.

130. Толкач Н.М., Вишняков Н.В. Метод спиралевидного сканирования для зондовой микроскопии // Интеллектуальный и научный потенциал XXI века: сборник статей Международной научно- практической конференции. Казань. 2016. Т. 4. С. 199-202.

131. Справочник по языку VBScript (Microsoft Visual Basic Scripting Edition) [Электронный ресурс] // URL: http://www.vbsbook.ru/ (Дата обращения: 20.05.2017).

132. Руководство пользователя для работы с СЗМ «NTEGRA AURA» - Макроязык Nova PowerScript // М.: NT-MDT, Гос. НИИ Физ. проблем. 2010. 37 с.

133. Козюхин С.А., Шерченков А.А. Перспективы применения халькогенидных сплавов в элементах фазовой памяти // Приложение к журналу "Вестник РГРТУ". 2009. № 4.

134. Авачев А.П., Вихров С.П., Вишняков Н.В., Козюхин С.А., Митрофанов К.В., Теруков Е.И. Фазовые переходы в тонких пленках халькогенидов Ge2Sb2Te5 по данным комбинационного рассеяния света // Физика и техника полупроводников. 2012. Т. 46. № 5. С. 609-612.

135. Горшкова Е.В. Термические характеристики и стабильность тонких пленок на основе a-Si:H и его сплавов и халькогенидных полупроводников системы Ge-Sb-Te: автореф. дис. канд. тех. наук: 05.27.06. Москва. 2008. 28 с.

136. Kolobov A.V., Tomibaga J. Chalcogenides: Metastability and phase change phenomena. Berlin: Springer. 2012. 284 Pp.

137. Kolobov A.V, Tominaga J., Fons P., Uruga T. Local structure of cristallized GeTe films // Appl. Phys. Lett. 2003. Vol. 82. Pp. 382-384.

138. Петров И.И., Имамов Р.М., Пинскер З.Г. Электронографическое определение структур Ge2Sb2Te5 и GeSb4Te7 // Кристаллография. 1968. Т. 13. № 3. С. 417-421.

139. Kozyuhin S., Veres M., Ngen H.P., Ingram A., Kudoyarova V. Structural changes in doped Ge2Sb2Te5 thin films studied by Raman spectroscopy // Physics Procedia. 2013. Vol. 44. Pp. 82-90.

140. Kolobov A.V., Fons P., Tominaga J., Frenkel A.I., Ankudinov A.L., Yannopoulos S.N., Andrikopoulos K.S. and Uruga T. Why Phase-Change Media Are Fast and Stable: A New Approach to an Old Problem // Japanese Journal of Applied Physics. 2005. Vol. 44. No. 5B. Pp. 3345-3349.

141. Cho E., Yoon S, Yoon H.R., Jo W. Micro-Raman Scattering Studies of Ge-Sb-Te Bulk Crystals and Nanoparticles // Journal of the Korean Physical Society. 2006. Vol. 48. No. 6. Pp. 1616-1619.

142. Nemec P., Nazabal V., Moreac A., Gutwirth J., Benes L., Frumar M. Amorphous and crystallized Ge-Sb-Te thin films deposited by pulsed laser: Local structure using Raman scattering spectroscopy // Materials Chemistry and Physics. 2012. Vol. 136 (2-3). Pp. 935-941.

143. Carria E., Mio A., Arrigo G.D., Bongiorno C., Spinella C., Bastian R.D., Grimaldi M.G. and Rimini E. Investigation of the structural order in amorphous GeTe-based alloys // Phys. Lett. 2008. Vol. 92. Pp. 157-164.

144. Nakamoto K. Infrared and Raman Spectra of Inorganic and Coordination Compounds. New York: John Wiley and Sons. 2006.

145. Sosso G.C., Caravati S., and Bernasconi M. First-principles study of crystalline and amorphous Ge2Sb2Te5 and the effects of stoichiometric defects // J. Phys.: Condens. Matter.. 2009. Vol. 21. P. 255501.

146. Abrikosov N.K., Danilova-Dobryakova G.T. An investigation of the structural diagram of Sb2Te3-GeTe // Neorg. Mater.. 1965. Vol. 1. No. 2. Pp. 204-207.

147. Forouhi A.R., Bloomer I. Optical properties of crystalline semiconductors and dielectrics // Phys. Rev. B. 1988. Vol. 38. P. 1865.

148. Kolobov A.V., Tominaga J., Fons P., Uruga T. Local structure of crystallized GeTe films // Applied Physics Letters. 2003. Vol. 82. No. 3. Pp. 382-384.

149. Козюхин С.А., Шерченков А.А., Новоторцев В.М., Тимошенков С.П. Материалы фазовой памяти на основе сложных халькогенидов и их применение в устройствах оперативной памяти // Российские нанотехнологии. 2011. Т. 6. № 3. C. 50-58.

150. Xia M., Ding K., Rao F., Li X., Wu L., Song Z. Aluminum-Centered Tetrahedron-Octahedron Transition in Advancing Al-Sb-Te Phase Change Properties // Scientific Reports. 2015. Vol. 5. Pp. 8548-8553.

151. Kolobov A.V., Fons P., Frenkel A.I., Ankudinov A.L., Tominaga J., Uruga T. Understanding the phase-change mechanism of rewritable optical media // Nature Mater. 2004. Vol. 3. Pp. 703-708.

152. Измерение распределения интенсивности излучения [Электронный ресурс] // Сайт ООО "ЛАМЕТ". URL: http://www.lamet.ru/551607657 (дата обращения: 01.08.2018).

Приложение А Акт об использовании результатов диссертационной работы

УТВЕРЖДАЮ

Проректор но научной работе и инновациям ФГБОУВО «РГРТУ»

ММУ

Те а

5 а а в

%7/

АКТ

-

об использовании материалов диссертационной работы Толкача Никиты Михайловича в Региональном центре зондовой микроскопии коллективного пользования (РЦЗМкп РГРТУ)

Настоящим подтверждается, что материалы кандидатской диссертации Н.М. Толкача на тему «Развитие физической модели оптически управляемого переключателя на основе тонкопленочной структуры Ое7&Ь-Тсо> использовались в РЦЗМкп РГРТУ при выполнении следующих НИР:

1) НИР 35-12Г «Развитие диагностических методов комплексных исследований материалов микро- и наноструктур электроники» (Соглашение № 14.В37.21.1102), результаты экспериментальных исследований тонкопленочных структур Ое2ЯЬ2Теч методами спектроскопии комбинационного рассеяния света;

2) НИР 40-13 «Проведение поисковых исследований в области технологии синтеза и методологии измерений электрофизических параметров неупорядоченных полупроводниковых материалов и структур для разработки наноразмериых элементов энергонезависимой фазовой памяти» (Госконтракт № 14.513.11,0138), результаты экспериментальных исследований тонкопленочных структур Ое28Ь2Те5 методами атомно-силовой микроскопии;

3) НИР 19-12 «Обеспечение комплексных исследований наноматериалов и наноструктур для создания элементов фазовой памяти и светоизлучающих систем Региональным центром зондовой микроскопии коллективного пользования научным оборудованием Рязанского государственного радиотехнического университета в рамках приоритетных направлений развития науки, технологии и техники в Российской Федерации» {Госконтракт № 16.552.11.7086), результаты экспериментальных исследований процессов кристаллизации и аморфизации тонкопленочных структур Ое28Ь2Те5;

4) НИР 17-12Г «Проведение поисковых исследований наноструктурированных и неупорядоченных материалов для создания энергонезависимой памяти и альтернативных источников энергии Региональным центром зондовой микроскопии коллективного пользования научным оборудованием по основным направлениям реализации федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 годы» (Госконтракт № 16.522.11.7033), результаты анализа научно-технических литературных и патентных источников, посвященных оптическим устройствам на основе тонкопленочных структур Ое28Ь2Те5;

5) НИР 17-14Г «Разработка методов комплексной диагностики полупроводниковых материалов, микро- и наноструктур для солнечной энергетики» (Соглашение № 14.574.21.0006), результаты экспериментальных исследований явления температурного дрейфа в технике зондовой микроскопии при диагностике тонкопленочных структур пористого кремния, халькогенидных стеклообразных полупроводников.

Приложение Б Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ

Приложение В Исходный код программы для скорректированного перемещения исследуемой области при коррекции траектории температурного дрейфа

'--- Очистка всех окон RemoveAllViewers

'--- Отладочный путь

Path=NovaPath&"VBScripts\Config\Scanim"

'--- Исходные данные по умолчанию

pi = 3.14159265

N=256

£=20

dLnx=-15

dLny=30

1х=10

1у=5

ts=20

'--- Ввод исходных данных

Мику1приВох 2, "Количество точек", Nn, "Частота", £

'--- Считываем параметры сканирования XSize = GetParam("Scan.ScanSizeX") YSize = GetParam("Scan.ScanSizeY") XOrigin = GetParam("Scan.ScanOriginX") YOrigin = GetParam("Scan.ScanOriginY")

MaxSizeX = GetParam("Smena.Calibration_X_Scale")*(2Л22)/10000

MaxSizeY = GetParam("Smena.Calibration_Y_Scale")*(2A22)/10000

'--- Рассчитываем масштаб ScaleX= XSize/(N-1)*10000 ScaleY= YSize/(N-1)*10000

'---Приращение сигнала ЦАП на 1 пиксель if XSize>MaxSize/30 then '---Для 2-го ЦАП deltaX=XSize*65536/MaxSizeX/N deltaY=YSize*65536/MaxSizeY/N else

'---Для 1-го ЦАП

deltaX=XSize*65536*30/MaxSizeX/N deltaY=YSize*65536*30/MaxSizeY/N end if

'--- Координаты начального пикселя If round(N/2)-N/2=0 Then mx=(N)/2-0.25 my=(N+1)/2-0.25 else

mx=(N+1)/2-0.25 my=(N)/2-0.25 End If

'--- Объявление массивов ReDim x(Nn-1) ReDim y(Nn-1) ReDim x1(Nn-1)

ReDim y1(Nn-1)

ReDim dx(Nn-1)

ReDim dy(Nn-1)

ReDim dz(Nn-1)

ReDim ScanArray1(N-1,N-1)

ReDim ScanArray2(N-1,N-1)

'--- Заполнение массивов x,y For j=0 to N-1 For i=0 to N-1 x(i+j*2*N)=i

x1(i+j*2*N)=-dLnx*(1-exp(-(ts/tx)*(i+j*2*N)/(Nn-1))) y(i+j*2*N)=j

y1(i+j*2*N)=dLny*(1-exp(-(ts/ty)*(i+j*2*N)/(Nn-1))) x(j*2*N+N+i)=N-1-i

x1(j*2*N+N+i)=-dLnx*(1-exp(-(ts/tx)*(j*2*N+N+i)/(Nn-1))) y(j*2*N+N+i)=j

y1(j*2*N+N+i)=dLny*(1-exp(-(ts/ty)*(j*2*N+N+i)/(Nn-1)))

Next Next

'--- Перемещение исследуемой области в начало области сканирования ProbeMoveXY X0rigin+ScaleX*(x(0)), Y0rigin+ScaleY*(y(0))

'---Смещение точки старта

dx(Nn-1)=0

dy(Nn-1)=0

sx=0 sy=0

'— Расчёт приращений dx, dy For i=0 to Nn-2

sx=sx+(x1(i+1)-x1(i))*deltaX sy=sy+(y1(i+1)-y1(i))*deltaY dx(i)=(x(i+ 1)-x(i))*deltaX dy(i)=(y(i+ 1)-y(i))*deltaY if abs(sx)>=1 then dx(i)=dx(i)+sx sx=0 end if

if abs(sy)>=1 then

dy(i)=dy(i)+sy

sy=0 end if Next

'--- Параметры спектроcкопии if XSize>MaxSize/30 then

'---2 ЦАП в режиме управления, 1 в режиме регистрации NumDac1 = 1 NumDac2 = 3 ADC1SnID = 0 ADC2SnID = 32 else

'--- 1 ЦАП в режиме управления, 2 в режиме регистрации NumDac1 = 0 NumDac2 = 2 ADC1SnID = 0 ADC2SnID = 32 end if

NumDac3 = -1 Buf1 = dx Buf2 = dy Buf3 = dz APointCount = Nn Average = 0 ATickPerPoint = f ADC1LimEnable =0 ADC2LimEnable =0 ADC1MinVal = -32767 ADC1MaxVal = 32767 ADC2MinVal = -32767 ADC2MaxVal = 32767

'--- Запуск спектроскопии

Curve3DRun NumDac1, Buf1, NumDac2, Buf2, NumDac3, Buf3, APointCount, Average, ATickPerPoint, ADC1SnID, ADC2SnID, ADC1LimEnable, ADC2LimEnable, ADC1MinVal, ADC1MaxVal, ADC2MinVal, ADC2MaxVal idle

'--- Ожидаем окончания спектроскопии

do while Curve3DRoutine=0

idle

Loop

'— Загрузка данных из буфера ЦАП Curve3DReadData ADC1Buf, ADC2Buf, Nn, Nn

'--- Сохранение отладочной информации Array1DToASCIITable Path, " ", dx, dy

'--- Преобразование массивов x, y в целые значения For i=0 to Nn-1 x(i)=int(x(i)) y(i)=int(y(i)) Next

'--- Заполнение массива данными с ЦАП for j=0 to N-1 for i=0 to N-1

ScanArray1(y(i+j*2*N),x(i+j*2*N))=-ADC2Buf(i+j*2*N) ScanArray2(y(j*2*N+N+i),x(j*2*N+N+i))=-ADC2Buf(j*2*N+N+i)

Next Next

'— Добавление фрейма frame1 = AddViewer(1) frame2 = AddViewer(1)

'— Обновление фрейма

DataID = Add2DDataItem(frame1, ScanArray1, ScaleX, XOrigin, 0, ScaleY, YOrigin, 0, 1, 0, 0, FrameName)

DataID = Add2DDataItem(frame2, ScanArray2, ScaleX, XOrigin, 0, ScaleY, YOrigin, 0, 1, 0, 0, FrameName)

'--- Перемещение исследуемой облати в начало области сканирования ProbeMoveXY X0rigin+ScaleX*(x(0)), Y0rigin+ScaleY*(y(0))