Nitride polariton lasers
Authors: Αμαργιανιτάκης Εμμανουήλ 
Published: September 2021

Ο κύριος σκοπός της διδακτορικής διατριβής πραγματεύεται την καινοτόμα ανάπτυξη μικροκοιλοτήτων βασισμένες σε Νιτρίδια του Γαλλίου ως ενεργό υλικό καθώς και τη χρήση διηλεκτρικών καθρεφτών εκατέρωθεν των δυο πλευρών τους για τη μείωση της πυκνότητας ενέργειας κατωφλίου σε λειτουργία σύμφωνης και μονοχρωματικής εκπομπής φωτός υπό οπτική άντληση σε θερμοκρασία δωματίου για τη θέσπιση τεχνολογικών θεμελίων και τη μεταγενέστερη κατασκευή ηλεκτρικά αντλούμενων δομών. Η διάταξη μιας μικροκοιλότητας μας προσφέρει τη δυνατότητα να γίνει μελέτη της ισχυρής αλλελεπίδρασης μεταξύ του φωτός και της ύλης με την ίδια ενέργεια και ορμή, και έτσι, μας επιτρέπει να εξερευνήσουμε τις δυνατότητες ενός μη τετριμένου φυσικού συστήματος καθώς και την αξιοποίηση του σε μελοντικές οπτοηλεκτρονικές συσκευές και εφαρμογές. Στην παρούσα εργασία, ως δομικά συστατικά της ύλης χρησιμοποιούνται τα ζεύγοι ηλεκτρονίου-οπής, γνωστά στη βιβλιογραφία ως εξιτόνια, όπου παρατηρούνται σε μη-οργανικά (όπως η παρούσα μελέτη) καθώς και σε οργανικά ημιαγωγικά υλικά. Εαν η αλληλεπίδραση φωτός-ύλης είναι αρκετά ισχυρή, όπου είναι εφικτό όταν οι συνολικές απώλειες του συστήματος είναι μειωμένες, η διάκριση των αρχικών καταστάσεων χάνεται και δημιουργούνται νέες οιονεί-καταστάσεις με τις ιδιότητες των εξιτονίων και των φωτονίων. Σε αυτή τη περίπτωση, το σύστημα λειτουργεί υπό το λεγόμενο “καθεστώς ισχυρής σύζευξης” και τα παραγόμενα σωματίδια ονομάζονται “πολαριτόνια”. Η αυθόρμητη συλλογική συμφωνία αυτών των σωματιδίων επιτρέπει τη συμπύκνωση τους στην θεμελιώδη κατάσταση, όπου αναφέρεται στη βιβλιογραφία ως πολαριτονικό λέϊζερ χωρίς να γίνεται αναστροφή των πληθυσμών, ενώ επιτρέπει τη παρατήρηση και άλλων φυσικών φαινομένων όπως η παραμετρική σκέδαση, η υπερρευστότητα κτλ. εξαιτίας των μη συνηθισμένων χαρακτηριστικών τους να είναι μισό-φως/μισό-εξιτόνιο σε συσχέτιση με την οιονεί-μποσονική τους φύση. Παρόλα αυτά, η παρατήρηση των φαινομένων αυτών παραμένει ένα απαιτητικό έργο όταν ανεβαίνει η θερμοκρασία, ενώ ο τελικός στόχος να είναι εφικτή η λειτουργία τους σε συνθήκες περιβάλλοντος έχει δυσκολέψει πολλά ερευνητικά εργαστήρια για πολλά χρόνια. Προοφανώς, ο κύριος λόγος είναι η γρήγορη αποδιέγερση των εξιτονικών οντοτήτων εξαιτίας της πεπερασμένης δεσμικής ενέργειας τους σε ανόργανους ημιαγωγούς, η οποία δεν τους επιτρέπει να “ζήσουν” παρά μόνο σε κρυογενικές συνθήκες. Η κβαντική μηχανική έχει δείξει ότι ο περιορισμός των φορέων μέσα σε κβαντικά πηηγάδια ενισχύει τη δεσμική ενέργεια ενός ζέυγους ηλεκτρονίου-οπής, όπως και τη δύναμη ταλάντωσης της οπτικής μετάβασης. Προηγούμενες εργασίες σε υλικά μεγάλου ενεργειακού χάσματος, όπως το Νιτρίδιο Γαλλίου, έχουν δείξει την ικανότητα να υπερνικήσουν, το λιγότερο εν μέρη, τους προηγούμενους περιορισμούς, εφόσον οι εξιτονικές καταστάσεις κατέχουν δεσμικές ενέργειες οι οποίες είναι συγκρίσιμες του kΒT σε θερμοκρασία δωματίου, ενώ μπορεί να είναι πολύ μεγαλύτερες όταν το υλικό χρησιμοποιείται σε λεπτά κβαντικά πηγάδια. ‘Οσον αφορά το φωτονικό περιορισμό, η κατασκευή περιλαμβάνει υψηλής ποιότητας ανακλαστικούς καθρέπτες οι οποίοι τις περισσότερες φορές είναι κατασκευασμένοι από κατανεμημένους ανακλαστήρες Μπράγκ σε επίπεδη διάταξη. Αυτοί οι καθρέπτες είναι βασικά μια στοίβα από εναλλασόμενα υλικά με μεγάλο και μικρό δείκτη διάθλασης που τοποθετούνται και από τις δύο μεριές του ενεργού υλικού. Μια σημαντική περίπτωση, ενδιαφέροντος στην επικείμενη εργασία, είναι όταν διηλεκτρικοί καθρέπτες χρησιμοποιηθούν σαν πάνω και κάτω κάτοπτρα, εξαιτίας του αυξημένου φωτονικού περιορισμού που προσφέρουν με με πολύ μικρότερο αριθμό εναλλασόμενων ζευγών. Οπότε ο κύριος στόχος είναι να βελτιωθούν προηγούμενες επίπεδες συσκευές μικροκοιλοτήτων, με το να κατασκευαστούν υπέρλεπτα φιλμ Νιτριδίου του Γαλλίου με μικρή επιφανειακή τραχύτητα, χρησιμοποιώντας την τεχνική της φωτο-ηλεκτροχημικής εγχάραξης όπου γίνεται επιλεκτική αφαίρεση ενός στρώματος Νιτριδίου Ινδίου Γαλλίου. Ο οπτικός σχεδιασμός και η προσομοίωση των διηλεκτρικών μικροκοιλοτήτων έγινε με τη χρήση λογισμικού σε υπολογιστή ώστε να επιτευχθεί ο επιθυμητός συντονισμός ανάμεσα στο οπτικό τρόπο ταλάντωσης και στην εξιτονική κατάσταση μέσα στην ενεργό περιοχή. Η ανάπτυξη έγινε με τη τεχνική μοριακής επίταξης υποβοηθούμενη με πλάσμα σε πολικά υποστρώματα Νιτριδίου Γαλλίου πάνω σε Σάπφειρο για τις πολικές δομές και πάνω σε μη-πολικά υποστρώματα Νιτριδίου Γαλλίου για τις μη-πολικές δομές από συνεργαζόμενο φορέα στη Γαλλία. ‘Ολα τα δείγματα μελετήθηκαν από ένα εύρος τεχνικών για να εκτιμηθεί η ποιότητα και τα χαρακτηριστικά τους. Συγκεκριμένα, στο κεφάλαιο 1, δίνεται το θεωρητικό υπόβαθρο των III-νιτριδίων υλικών και της πολαριτονικής φυσικής. Στο κεφάλαιο 2, η μελέτη εστιάζεται στο να κατασκευαστούν υπερ-λείες υπό του μήκους κύματος μεμβράνες Νιτριδίου του Γαλλίου με το να γίνει φωτο-ηλεκτροχημική εγχάραξη ενός στώματος Νιτριδίου Ινδίου Γαλλίου, διευκολύνοντας τη μελέτη του συντελεστής απορρόφησης των μεμβρανών με βάση μετρήσεων μικρο-διαπερατότητας και λαμβάνοντας υπ’όψη τα φαινόμενα στάσιμου κύματος. Το κεφάλιο 3 περιγράφει τη χρησιμοποιηθήσα μεθοδολογία για να κατασκευαστούν εξ-ολοκλήρου διηλεκτρικές μικροκοιλότητες κατασκευασμένες από τα οξείδια Πυριτίου και Ταντάλου, όπου παρουσιάζουν μια μεγάλη αντίθεση στο δείκτη διάθλασης, και πολικές μεμβράνες αποτελούμενες από νιτρίδια Γαλλίου και Αλουμινίου Γαλλίου, όπου επιτρέπουν την παρατήρηση καλά καθορισμένων πολαριτονικών καταστάσεων στον ανάστροφο χώρο με τη χαρακτηριστική αντι-τεμνόμενη συμπεριφορά, καθώς και,την αξιοσημείωτη σύμφωνη εκμπομπή φωτονίων από πολαριτόνια (πολαριτονικό λέϊζερ) σε θερμοκρασία δωματίου με τη χρήση μόνο τεσσάρων εναλλασσόμενων ζευγών στον πάνω καθρέπτη. Στο κεφάλαιο 4, η ίδια προσέγγιση εφαρμόστηκε και στην μη-πολική διεύθυνση για τη κατασκευή διηλεκτρικών μικροκοιλοτήτων από υψηλής ποιότητας μη-πολικές μεμβράνες νιτριδίων Γαλλίου και Αλουμινίου Γαλλίου για πρώτη φορά. Ο υπό διερέυνηση τελευταίας τεχνολογίας σχηματισμός μικροκοιλότητας επέδειξε ενδιαφέροντα πολαριτονικά χαρακτηριστικά εξαιτίας της επίπεδης ανισοτροπίας του υλικού, ενώ θέτει νέο ρεκόρ κατωφλίου ενός πολαριτονικού λέϊζερ εξαιτίας της εξάλειψης των εσωτερικών πεδίων. Τελικά, για να ξεπεραστούν περιορισμοί στην εναπόθεση των διηλεκτρικών καθρεφτών εξαιτίας της μεγάλης θερμικής τάσης που δρα σε λεπτά φίλμ όταν αυτά κρυώσουν από τη θερμοκρασία της εναπόθεσης, το κεφάλαιο 5 εισάγει μια νέα κατασκευή μικροκοιλοτήτων με τη χρήση μεταφερόμενων καθρεφτο-μεμβρανών από οξείδια για τη χρήση τους σαν πάνω καθρέπτες, των οποίων η λειτουργία επιτέυχθηκε σε λ/2 (μόνο οξείδια) και 3λ/2 (πολαριτονικές) κοιλότητες.