Generación de segundo armónico modificado ópticamente en películas delgadas de oxinitruro de silicio a través de calentamiento de capa local

Scientific Reports volumen 13, Número de artículo: 8658 (2023) Citar este artículo

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La generación de segundo armónico fuerte (SHG) en nitruro de silicio se ha estudiado ampliamente, entre otros, en términos de mejora de SHG inducida por láser en guías de onda Si3N4. Esta mejora se ha atribuido a la polarización totalmente óptica inducida por el efecto fotogalvánico coherente. Sin embargo, no se ha informado de un proceso análogo para películas delgadas de Si3N4. Nuestro artículo informa sobre la observación de la mejora SHG triple inducida por láser en películas delgadas de Si3N4. La mejora observada tiene muchas características similares a la polarización totalmente óptica, como una dependencia de potencia altamente no lineal, efecto acumulativo o conexión a la interfaz Si3N4-Si. Sin embargo, experimentos idénticos para películas delgadas de oxinitruro de silicio con bajo contenido de oxígeno conducen a un comportamiento complejo, incluida la reducción de SHG inducida por láser. Después de un estudio experimental exhaustivo, incluidos los efectos de la tasa de repetición o la duración del pulso, los resultados observados se atribuyeron a la variación de SHG inducida por el calor. Además de revelar un nuevo mecanismo de variación de SHG inducida por láser, nuestros resultados también proporcionan un medio para identificar este mecanismo.

El nitruro de silicio (Si3N4), así como los oxinitruros de silicio (SiOxNy), han atraído la atención de muchas posibles aplicaciones en óptica. Estos materiales se utilizan para revestimientos ópticos como medio para crear capas con un índice de refracción graduado1. Sin embargo, recientemente la investigación sobre el nitruro de silicio ha estado motivada predominantemente por sus propiedades ópticas no lineales, incluida la fuerte generación de segundo armónico (SHG)2. Estas propiedades se pueden utilizar en estructuras de guía de ondas, nanocavidades de cristal fotónico, estructuras plasmónicas o moduladores ópticos3,4,5.

Muchos estudios han investigado las características ópticas no lineales de Si3N4, centrándose en particular en la fuente de SHG4,5,6,7,8,9,10,11,12,13 efectivo. Los estudios revelan dos posibles fuentes de SHG: (i) generación de SHG en la interfaz Si3N4-Si6,11, y (ii) SHG similar a la masa, que presenta un carácter dipolar4,6,13. El SHG a granel con carácter dipolar se ha asignado a la ruptura de la simetría del material a través de deformación o falta de homogeneidad local en estos artículos11,14.

En los últimos años, varios grupos de trabajo informaron sobre la fuerte mejora inducida por láser de SHG en guías de ondas de nitruro de silicio15,16,17 y microrresonadores18,19. Esta mejora se ha atribuido al efecto de polos totalmente ópticos, donde el mecanismo impulsor fue el llamado efecto fotogalvánico coherente. Este efecto induce campos eléctricos locales internos en el material y, por lo tanto, permite una duplicación eficiente de la frecuencia en materiales centrosimétricos a través de la no linealidad de tercer orden (EFISH)15,16. El efecto fotogalvánico ocurre cuando una muestra se expone al rayo láser fundamental y su segundo armónico, que puede provenir de una fuente externa o generarse en la muestra misma.

La variación SHG inducida ópticamente también ha sido reportada para superficies de Si oxidado. La variación se ha atribuido a la inyección multifotónica de electrones y huecos a través de la interfaz Si-SiO2. Sin embargo, este SHG dependiente del tiempo está restringido solo a capas de óxido de menos de 10 nm y desaparece para capas más gruesas20.

Para películas delgadas ópticas de SiOxNy que superan los 10 nm de espesor, se ha aceptado que la eficiencia SHG está determinada por el proceso de deposición y la estructuración de la película delgada. Por ejemplo, se ha demostrado que la intensidad de SHG es promovida por una estequiometría de Si3N47, una deposición dirigida de estructuras Si3N4 y SiOxNy con tensión residual mejorada21, o cargas fijas acumuladas en las interfaces de capa21. A diferencia de las guías de ondas y los microrresonadores, no se ha informado previamente sobre la mejora de SHG inducida ópticamente en películas delgadas ópticas.

En este artículo, informamos sobre nuestras observaciones de la variación de SHG inducida ópticamente en películas delgadas de nitruro y oxinitruro de silicio sobre un sustrato de silicio. En particular, observamos una fuerte mejora triple de SHG en las capas de Si3N4. Algunas características de la mejora se asemejan mucho al efecto fotogalvánico coherente, incluida la dependencia de potencia altamente no lineal o el carácter acumulativo de la mejora SHG15,16. Nuestras mediciones también revelaron que la variación de SHG no está vinculada a ningún cambio notable en el índice de refracción de la capa o la composición química.

Sin embargo, como nuestro estudio se extendió a las capas de oxinitruro de silicio, notamos un comportamiento más complejo dependiendo de la estequiometría de la capa. En algunos casos, la iluminación por pulsos de femtosegundos IR en realidad redujo la intensidad de SHG. El comportamiento observado fue incompatible con el efecto fotogalvánico coherente.

Por lo tanto, llevamos a cabo una serie de experimentos para probar la presencia de cambios inducidos por el calor en la muestra, como el efecto de la tasa de repetición del láser de irradiación, la variación de la longitud del pulso o el recocido de la muestra ex situ. Los resultados experimentales adquiridos confirmaron completamente nuestra hipótesis. Nuestros resultados muestran que la mejora SHG totalmente óptica en nitruro y oxinitruro de silicio puede originarse no solo a partir de polos ópticos sino también a cambios de material inducidos por calor. La variación SHG puede, por lo tanto, ser un proceso complejo que se origina de una interacción de múltiples fenómenos.

Como primer paso, estudiamos la mejora de SHG inducida por láser en películas delgadas de Si3N4 depositadas mediante pulverización catódica de haz iónico dual sobre el sustrato de Si22. A lo largo del estudio, utilizamos pulsos IR polarizados p a 1028 nm tanto para la irradiación de la muestra como para la medición de SHG; el ángulo de incidencia del haz de infrarrojos fue de 70 grados y medimos SHG p-polarizado; consulte "Métodos" para obtener más información6.

Las mediciones de variación de SHG inducidas por láser se implementaron colocando una muestra en una etapa XY, lo que nos permitió irradiar la muestra punto por punto y también mapear la intensidad de SHG, así como la reflectividad IR. La variación de intensidad de SH inducida por láser se midió iluminando varios segmentos rectangulares de la muestra, utilizando una intensidad de láser IR diferente para cada segmento; consulte la Fig. 1A. Posteriormente, realizamos un escaneo XY general a una intensidad de láser baja, que se utilizó para registrar el SHG y la intensidad IR reflejada; consulte la Fig. 1A.

Mejora de SHG inducida por láser (A) Exploración espacial XY de una muestra: SHG medido e intensidades de IR reflejadas en la capa de Si3N4 previamente iluminada en segmentos con una intensidad de láser que aumenta de izquierda a derecha. (B) SHG medio (cuadrados verdes) e intensidad IR reflejada (círculos rojos) después de la iluminación anterior para un conjunto de intensidades de irradiación (potencias máximas). Datos medidos para la capa de Si3N4 (0 sccm, sustrato de Si, espesor de 1500 nm). La intensidad de irradiación "cero" corresponde a una capa no expuesta. (C) Mejora de SHG medida en la capa de SiOxNy (1 sccm, sustrato de Si, 1200 nm): cuadrados sólidos. En comparación con la intensidad de SHG en el sustrato de Si adyacente: cuadrados abiertos. (D) Dependencia de mejora de SHG en el número de escaneos de iluminación sobre el mismo segmento. Medido en la capa de SiOxNy (1 sccm, sustrato de Si, 1200 nm): cuadrados sólidos. En comparación con la intensidad de SHG en el sustrato de Si adyacente: cuadrados abiertos.

Observamos SHG significativamente mejorado en las regiones previamente iluminadas por pulsos IR de alta intensidad; consulte la Fig. 1A. La dependencia de la mejora de SHG en la potencia de irradiación en la Fig. 1B siguió el I6, que también se informó anteriormente para polos ópticos a través del efecto fotogalvánico coherente15,16. El realce de SHG fue homogéneo en toda el área iluminada, lo que implica que no estaba relacionado con ninguna contaminación local de la muestra. La mejora tampoco alteró la dependencia del SHG de la polarización del haz de entrada; consulte la Fig. 5 complementaria en Información complementaria.

Paralelamente a la medición de SHG, también medimos la reflectividad IR del área iluminada (ver Fig. 1A, B), que permaneció constante dentro del error estadístico relativo de 0.5%. Dado que medimos la reflectancia de polarización p en la proximidad del ángulo de Brewster, podemos inferir que no puede haber ningún cambio importante en el índice de refracción de la capa o sustrato. También se observó una mejora de SHG análoga para películas delgadas de oxinitruro depositadas sobre un sustrato de silicio con un flujo de oxígeno de 1 sccm; consulte la Fig. 1C. Denotamos capas de oxinitruro de silicio por el flujo de oxígeno utilizado durante la deposición de la capa. Mientras que ϕ(O2) = 0 sccm corresponde al Si3N4 puro, el flujo de ϕ(O2) = 3 sccm conduce a la formación de casi capas de SiO223. La estimación de los factores estequiométricos para cada muestra se proporciona en Información complementaria, Secc. 1.

También estudiamos el caso en el que un segmento de una muestra se irradia varias veces; consulte la Fig. 1D. Nos dimos cuenta de que el efecto es acumulativo, es decir, la mejora de SHG crece con un mayor número de exploraciones, pero muestra signos de saturación después de algunas repeticiones. También se pudo observar un efecto similar para la irradiación del mismo nivel de intensidad durante intervalos de tiempo que oscilan entre 0,5 y 10 s. Observamos que una irradiación de 10 s conduce a un aumento del 10% al 20% en la mejora de SHG en comparación con una irradiación de 0,5 s (consulte la información complementaria para obtener más detalles). Sin embargo, el efecto acumulativo de múltiples escaneos es mucho más pronunciado.

Curiosamente, observamos la variación de SHG inducida por láser solo para las capas en el sustrato de Si, mientras que las mismas capas depositadas en el sustrato BK7 no mostraron ningún signo de mejora; consulte la Fig. 2A. Confirmamos este comportamiento para una variedad de películas delgadas de SiOxNy depositadas dentro del mismo lote, que diferían solo por su sustrato. Por lo tanto, en el siguiente texto, nos limitamos a las capas depositadas sobre el sustrato de Si. Discutimos las implicaciones de la diferencia entre los sustratos en la sección "Discusión".

(A) Comparación entre la mejora SHG de la capa delgada de SiOxNy (1 sccm, 1200 nm) depositada sobre sustrato de Si (cuadrados sólidos) y la misma capa depositada sobre sustrato BK7 (triángulos abiertos). Parte inferior: mapa de intensidad SHG: escaneo XY de la capa iluminada en BK7. (B) Intensidad SHG (cuadrados verdes) e intensidad IR reflejada (círculos rojos) después de la iluminación láser en la capa de SiOxNy (0,5 sccm, 1200 nm, sustrato de Si): dependencia de la potencia de iluminación. Parte inferior: mapa de intensidad SHG: escaneo XY de la capa iluminada. El área prístina (de referencia) no estaba iluminada antes de la medición.

Para excluir la posibilidad de que los cambios inducidos por láser ocurrieran solo en el sustrato, llevamos a cabo mediciones cerca del borde de la capa, donde irradiamos la capa y el sustrato desnudo en un solo experimento. El sustrato de Si sin una capa mostró solo cambios SHG menores dentro del error estadístico de la medición; consulte la Fig. 1C, D. También verificamos que la amplitud del campo eléctrico del láser IR era comparable para el sustrato desnudo y el sustrato debajo de la capa. Por lo tanto, la ausencia de mejora de SHG en el sustrato desnudo muestra que la variación de SHG se originó en la capa y requiere la presencia de la interfaz de la capa de Si.

Las propiedades observadas de la mejora de SHG presentadas en las Figs. 1 y 2A se parecen mucho al efecto fotogalvánico coherente informado anteriormente en las guías de onda Si3N4. Las similitudes incluyen el comportamiento no lineal I6, la mejora SHG acumulativa, la mejora SHG sin cambios aparentes en la respuesta óptica lineal de la capa y la conexión a la interfaz Si-SiOxNy.

La variación de SHG fotoinducida se volvió más compleja para las muestras de película delgada de oxinitruro con bajo contenido de oxígeno. Observamos que para las capas de SiOxNy con un flujo de oxígeno de 0,25 a 0,5 sccm, la intensidad de SH disminuyó con el aumento de la intensidad de iluminación IR; consulte la Fig. 2B. Este comportamiento fue persistente para diferentes muestras depositadas.

La reducción de SHG en las películas delgadas de oxinitruro con bajo contenido de oxígeno en la Fig. 2B contradijo la interpretación a través de polarización óptica. El efecto fotogalvánico coherente está inherentemente sincronizado en fase y siempre conduce a una mejora de SHG15. Además, se ha demostrado que los métodos informados anteriormente para borrar el campo eléctrico interno incorporado al iluminar la muestra con una luz SH generada externamente no afectan los cambios observados en nuestras muestras15.

Proponemos un fenómeno diferente consistente con los datos experimentales presentados como la fuente de la variación SHG: cambios inducidos por calor. Al medir la energía del pulso transmitida y reflejada, verificamos que la gran mayoría de la energía del pulso fue absorbida dentro de la capa y el sustrato de Si. La absorción lineal estuvo dominada por el sustrato de Si de 1 mm de espesor, mientras que las pérdidas dentro de la capa son insignificantes; consulte Información complementaria, Secc. 7. Sin embargo, las intensidades de excitación utilizadas excedieron considerablemente el régimen lineal24.

Para evaluar la posibilidad de una transformación de muestra inducida por calor, llevamos a cabo un cálculo simple, que nos proporcionó una estimación bruta del cambio de temperatura inducido por un solo pulso; consulte Información complementaria, Secc. 4 para más detalles. Dependiendo de la profundidad de absorción, podemos estimar que un solo pulso puede aumentar la temperatura local en decenas de Kelvin como máximo, pero no puede por sí mismo proporcionar suficiente calor para la reestructuración de la capa. Esto implica que el efecto potencial inducido por el calor debe ser acumulativo.

Por lo tanto, llevamos a cabo conjuntos de mediciones donde variamos la tasa de repetición del láser. Si un efecto fotogalvánico coherente o un proceso no lineal análogo es responsable de la mejora de SHG, deberíamos observar la misma mejora de SHG cuando mantenemos un pico de potencia de irradiación constante y el mismo número de pulsos incidentes en el lugar. Esto se mantendría independientemente de la tasa de repetición del láser. Por el contrario, los cambios inducidos por el calor en una muestra deberían depender en gran medida de la tasa de repetición del láser, incluso si el número total de pulsos incidentes es el mismo. Esto se debe a que el largo retraso entre los pulsos permite una mejor disipación de calor entre los pulsos.

Al realizar la medición de mejora de SHG para tasas de repetición de 100 kHz y 10 kHz donde mantuvimos la misma cantidad de pulsos incidentes, pudimos ver que la mejora depende en gran medida de la tasa de repetición del láser; consulte la Fig. 3A,B. Este resultado indica que observamos cambios inducidos por el calor en la interfaz Si-SiOxNy.

(A) Exploración XY de la intensidad SHG de la capa de Si3N4 (0 sccm, 1500 nm, sustrato de Si) irradiada por dos velocidades de repetición láser: 100 kHz durante 2 s (área rectangular superior) y 10 kHz durante 20 s (área rectangular inferior), intensidad de irradiación láser 230 GW/cm2. (B) Exploración XY de la intensidad IR reflejada: las mismas condiciones y muestra que en el panel (A). (C) Mejora térmica de SHG para la capa de Si3N4 mediante recocido ex situ: escaneo XY sobre dos segmentos de la misma muestra: LHS: sin tratamiento térmico; RHS: 400 °C recocido. (D) Mejora térmica de SHG para SiOxNy con sccm 0,5 mediante recocido ex situ (LHS sin tratamiento térmico, RHS recocido a 400 °C). Las barras de escala rojas corresponden a 0,5 mm para todos los paneles.

Para confirmar esta conclusión, llevamos a cabo un experimento con recocido de muestras ex situ. Cortamos un sustrato de Si con una capa de Si3N4 en dos partes. Una de esas partes se calentó uniformemente a 400 °C durante 30 min y luego se dejó enfriar a temperatura ambiente. Luego, ambas partes de la muestra se colocaron en la configuración y se escanearon como una sola medición. Los resultados se pueden ver en la Fig. 3C, donde se muestra del lado derecho la parte recocida de la muestra, mientras que del lado izquierdo se muestra la parte sin tratamiento térmico. La intensidad media medida del SH de la pieza recocida es aproximadamente un 20% superior a la de la pieza no recocida. Al mismo tiempo, los cambios en la intensidad IR reflejada son sutiles.

Además, realizamos el mismo experimento en la muestra de SiOxNy (0,5 sccm) para la que habíamos observado previamente una disminución en SHG debido a la irradiación con un rayo láser; consulte la Fig. 2B. De acuerdo con nuestras expectativas, aquí, el recocido condujo a la reducción de la intensidad promedio de SHG en la parte recocida en aproximadamente un 30 % en comparación con la parte que no había sido tratada térmicamente (ver Fig. 3D).

Para dilucidar el mecanismo de absorción de luz no lineal, estudiamos el efecto de la potencia máxima del láser en la variación de SHG. Es decir, ajustamos la longitud del pulso incidente entre 225 fs y 4 ps y medimos la mejora de SHG en Si3N4, mientras que todas las demás propiedades, incluida la energía por pulso y la tasa de repetición, se mantuvieron constantes. Observamos que la mejora relativa de SHG aumentó en un 50% al prolongar la duración del pulso desde 225 fs hasta 2 ps; consulte la Fig. 4A. Aunque discutimos estos resultados en la siguiente sección, se debe señalar aquí que esta observación proporciona una fuerte evidencia en contra de que los polos ópticos sean responsables de la mejora de SHG en nuestras muestras. La corriente fotogalvánica asimétrica inducida durante la polarización óptica es impulsada por una interacción no lineal de los portadores de carga con el campo eléctrico, que es proporcional a la potencia pico del pulso15. La potencia máxima se redujo casi nueve veces en los pulsos de 2 ps, pero la mejora de SHG aumentó.

(A) Mejora de la intensidad SHG relativa de la capa de Si3N4 (0 sccm, 1500 nm, sustrato de Si) irradiada por una longitud de pulso variable para una energía de pulso total constante (46 mJ/cm2). El valor 1 corresponde a la intensidad de SHG sin realce. La línea roja sirve solo como guía para el ojo. (B) Relajación de la mejora de SHG después de la irradiación IR para la capa de Si3N4. Símbolos rojos: capa de Si3N4 (0 sccm, 1500 nm, sustrato de Si). Símbolos negros: capa de Si3N4 (0 sccm, 600 nm, sustrato de Si); Las muestras se irradiaron con energía de pulso de 46 mJ/cm2 (potencia máxima de 200 GW/cm2) para condiciones estándar. El valor 1 corresponde a la intensidad SHG medida inicialmente inmediatamente después de la irradiación. Las líneas sirven solo como una guía para el ojo.

Finalmente, también estudiamos la relajación de la variación de SHG en el tiempo. En particular, medimos capas de Si3N4 en un sustrato de Si, que se sometió a una irradiación IR que condujo a una mejora de SHG. Utilizamos muestras con diferentes espesores de capa e intensidades de irradiación. La escala de mejora se midió inmediatamente después de la irradiación a través de múltiples escaneos para verificar que el escaneo en sí no alteró el valor medido. Posteriormente, las muestras se midieron repetidamente durante varios días; consulte la Fig. 4B. Dependiendo de las condiciones, es decir, el espesor de la capa y el poder de irradiación, observamos un grado diferente de relajación SHG. Para las muestras con un SHG débilmente mejorado, la relajación de SHG fue insignificante; vea los símbolos negros en la Fig. 4B (ejemplo para un 10 % de aumento de SHG). Por el contrario, para la SHG fuertemente mejorada, el factor de mejora disminuyó hasta un 75 % del valor original; consulte los símbolos rojos en la Fig. 4B (ejemplo para una mejora de SHG del 60 %). Curiosamente, tal relajación de la mejora en la escala de varios días es similar a la relajación de la mejora SHG observada para polarización óptica25.

A la luz de nuestros resultados, podemos atribuir con seguridad la mejora/reducción de SHG inducida por láser observada al calentamiento de la capa localizada. A partir de la ausencia observada de la mejora de SHG para el sustrato BK7, podemos concluir que el calor inducido debe generarse en la interfaz capa-Si o en el propio sustrato de Si adyacente. Esta interpretación también es consistente con otros experimentos realizados en las mismas muestras, como un estudio de sonda de bomba de la dinámica inicial en la escala de tiempo de picosegundos; consulte Información complementaria, Secc. 5 por los resultados. Sin embargo, en escalas de tiempo más largas, la conducción de calor conduciría a la uniformidad de la temperatura en toda la profundidad de la capa, lo que hemos verificado mediante una simulación simple del método de elementos finitos.

Se combinó un carácter altamente no lineal de la mejora de SHG (dependencia de I6) con una mejora de SHG más pronunciada para una mayor duración del pulso. Tal comportamiento es consistente con la observación de la absorción de portadores libres, es decir, la absorción inducida en portadores de carga excitados, que es seguida por ionización de impacto para intensidades láser altas, donde el exceso de energía de los portadores de carga excitados puede conducir a la excitación de otros nuevos. La absorción intrabanda de portadores libres de portadores excitados permite una rápida transformación del exceso de energía en calor a través de la interacción con fonones ópticos. Sin embargo, nuestros resultados experimentales no nos permiten discernir la absorción del portador libre en la interfaz capa-sustrato del mismo proceso en el sustrato adyacente.

Ahora podemos pasar a la identificación del mecanismo detrás de la mejora de SHG en sí. En la literatura publicada, SHG en estructuras Si3N4-Si se atribuye comúnmente a SHG de la interfaz Si-Si3N4 y la generación de dipolos a partir de la masa de Si3N4. Nuestros resultados por sí solos no pueden resolver la diferencia entre las fuentes y nos brindan evidencia directa sobre el mecanismo físico real de la mejora de SHG inducida por calor. Sin embargo, podemos discutir la consistencia de varios escenarios con los resultados experimentales.

Proponemos dos escenarios viables de variación de SHG: (i) formación de una nueva subcapa inducida por calor en la interfaz capa-sustrato que conduce al cambio en la interfaz SHG, (ii) reestructuración inducida por calor de la capa a granel alternando la eficiencia de el SHG a granel.

Anteriormente hemos observado que para las capas estudiadas de Si3N4 depositadas a través de IBS, la eficiencia de SHG escala con el grosor de la capa y, también, su dependencia angular sugiere que la SHG similar a la masa domina para capas con un grosor superior a 1 μm6. Si la mejora se originó a partir de SHG en la interfaz capa-Si, esperaríamos observar una mejora SHG más baja para un espesor de capa más alto de Si3N4 porque la SHG similar a la masa dominante permanecería sin cambios. Sin embargo, esto es contrario a los resultados, donde hemos observado niveles análogos de mejoras SHG para capas con espesores que varían más de tres veces.

También podemos analizar los resultados con respecto a la reflectancia IR de las muestras, que solo mostró cambios insignificantes después de la irradiación IR de alta intensidad. Para hacer esto, creamos un modelo óptico de la muestra; consulte Información complementaria, Secc. 5. El modelo óptico estudia la variación en la reflexión IR de la muestra inducida por un cambio en el índice de refracción de las películas delgadas. A partir del modelo, podemos concluir que los cambios sutiles observados en la reflectancia IR imponen restricciones a los dos escenarios mencionados anteriormente. El cambio en el índice de refracción puede ser muy alto (> 0,1) solo para la formación de una capa muy delgada (< 10 nm). Para la modificación del volumen de la capa (> 50 nm de espesor), se espera que el índice de refracción no varíe más de 0,01.

El calor puede, en principio, inducir la formación de una subcapa muy delgada en la interfaz capa-sustrato a través de la difusión de átomos a través de la interfaz. Sin embargo, los coeficientes de difusión de Si y N en Si3N4 y la longitud de difusión correspondiente durante el breve período de iluminación de 2 s alcanzarían un efecto notable solo cuando la temperatura local en la capa fuera significativamente superior a 1700 °C26, es decir, superando el punto de fusión. de Si y acercándose al punto de fusión de Si3N4. Este nivel de temperatura no es viable ya que hemos observado que la capa puede resistir un nivel de irradiación significativamente mayor y la temperatura relacionada sin destruirse. La difusión de átomos (p. ej., oxígeno) a través de la interfaz capa-aire no puede ser responsable de la mejora, ya que este proceso estaría activo tanto para los sustratos de Si como para los de BK7.

Por lo tanto, proponemos la reestructuración del volumen de la capa inducida por el calor como la explicación más factible. Podemos especular que la tensión mecánica en la capa podría ser responsable de la variación de SHG, ya que la tensión: (i) afecta en gran medida la eficiencia de SHG debido a la ruptura de la simetría21; (ii) conduce a un cambio de índice de refracción bajo27; (iii) su histéresis es muy diferente para las capas de Si3N4 y SiOxNy, ya que el carácter de la tensión cambia de compresión a tracción28. Nuestros experimentos con recocido de capas a 400 °C, que es suficiente para cambiar la tensión en la capa29, condujeron a la modificación de SHG en línea con los cambios inducidos por láser. Finalmente, la relajación parcial de la mejora de SHG podría explicarse por la relajación de la tensión residual en las capas en el rango de varios días, que se informó previamente en la literatura30.

Vale la pena enfatizar nuevamente que la discusión del origen físico de la mejora SHG se basa solo en evidencia indirecta, donde discutimos la consistencia de los mecanismos propuestos con los resultados observados. Si bien podemos asignar con seguridad la mejora de SHG al calor inducido en las muestras por el rayo láser enfocado, los mecanismos reales inducidos por el calor no pueden confirmarse ni excluirse con certeza.

En resumen, llevamos a cabo una investigación exhaustiva de la modificación SHG inducida por la luz, que observamos, a diferencia de otros informes, en muestras de película delgada. Si bien el comportamiento no lineal y otros aspectos podrían sugerir que fuimos testigos del efecto fotogalvánico coherente, llevamos a cabo un conjunto de mediciones que atribuyeron con seguridad la modificación SHG al calentamiento localizado de la capa. Proponemos que la reestructuración inducida por el calor de la capa a granel es la fuente más viable de la mejora SHG observada; sin embargo, no podemos excluir otras opciones.

En primer lugar, nuestros resultados proporcionan información sobre un nuevo mecanismo de variación de SHG inducida por láser en capas de película delgada de Si3N4 y SiOxNy sobre un sustrato de Si. Este mecanismo es completamente diferente del polo óptico informado anteriormente. Por lo tanto, es de gran interés distinguir los dos efectos en futuros experimentos y tener en cuenta la mejora de SHG en la caracterización de las capas.

En particular, proponemos mediciones de SHG bajo varias tasas de repetición de láser y longitud de pulso de láser variable como una forma sencilla de verificar la presencia de modificación inducida por calor. En general, para estudiar las capas de Si3N4, es muy beneficioso utilizar una tasa de repetición de láser reducida como un medio simple para minimizar la modificación de la capa inducida por el láser6.

La configuración de SHG utilizada en este estudio se describió en detalle en la Ref. 6. Los pulsos de Yb:YAG fs amplificados (4 µJ/pulso) a 1028 nm se dirigieron a la configuración de SHG, donde su intensidad se moduló al nivel deseado usando una placa de onda λ/2 y un divisor de haz de cubo polarizador. El nivel de intensidad IR en la muestra se calibró mediante un medidor de potencia térmica (termopila). Los pulsos de IR se enfocaron sobre la muestra en un punto de 20 µm de diámetro, que se determinó usando la técnica del filo de la navaja. El haz de IR enfocado se usó para generar SHG en la geometría reflectante.

A lo largo del artículo, utilizamos luz IR de polarización p, ángulo de incidencia de 70 grados, y detectamos radiación SHG de polarización p. Usando una serie de ópticas dicroicas y filtros de color, detectamos simultáneamente la intensidad de la luz IR reflejada y la radiación SH generada. A menos que se indique lo contrario, los experimentos se llevaron a cabo a una frecuencia de repetición de láser de 100 kHz.

A menos que se indique lo contrario, los pulsos IR se comprimieron en una longitud de pulso de 225 fs. Al usar el compresor de rejilla integrado en el láser, pudimos aumentar la duración del pulso hasta varios picosegundos al inducir un chirrido en los pulsos. La longitud del pulso de chirrido se determinó en función de la calibración proporcionada por el fabricante (conversión de luz). La compresión de pulsos se optimizó mediante la generación supercontinua en zafiro.

La preparación de la muestra se llevó a cabo utilizando la pulverización catódica de doble haz de iones descrita en detalle en la Ref.6. Un haz de iones de Ar+ (corriente de haz de 108 mA, voltaje de haz de 600 V) pulverizaba átomos de Si desde un objetivo sobre sustratos (silicio o BK7), donde los átomos depositados interactuaban con iones de nitrógeno y oxígeno generados por un haz de iones de asistencia (corriente de emisión de 0,6 A, tensión de descarga 70 V). Al cambiar la relación entre el flujo de iones de oxígeno y nitrógeno, pudimos variar la estequiometría de las capas desde el Si3N4 puro (ϕ(O2) = 0 sccm) a través de SiOxNy hasta casi las capas de SiO2 (ϕ(O2) = 3 sccm). La estimación de los factores estequiométricos se proporciona en Información complementaria (Sección 1). Realizamos un estudio detallado de las propiedades ópticas lineales de las capas en la Ref.23. El espesor de las capas varió entre 300 y 3500 nm.

Las capas depositadas, al dejarlas a temperatura ambiente, se observaron estables en cuanto a sus propiedades ópticas (transmitancia y reflectancia) en la escala de años.

Las medidas de variación de SHG inducidas por láser se implementaron colocando una muestra en una platina XY, lo que nos permitió escanear la muestra e irradiarla punto por punto. La variación de intensidad de SH inducida por láser se midió iluminando varios segmentos rectangulares de la muestra, utilizando una intensidad de láser IR diferente para cada segmento; consulte la Fig. 1A.

Durante la irradiación, el segmento fue escaneado punto por punto por el láser IR (1028 nm), irradiando cada punto durante 2 s a menos que se indique lo contrario. La intensidad de la irradiación osciló entre 170 y 430 GW/cm2, lo que corresponde a 35–100 mJ/cm2/pulso. Posteriormente, realizamos un escaneo XY general que registra el SH y la intensidad IR reflejada; consulte la Fig. 1A. El escaneo XY general cubrió todos los segmentos previamente irradiados y un área de referencia adyacente sin irradiación previa. Durante la exploración general, la intensidad del haz IR se mantuvo en un nivel bajo constante (170 GW/cm2, 35 mJ/cm2/pulso) para evitar cambios de muestra adicionales. Luego, los datos obtenidos del escaneo general se evaluaron de forma independiente para cada segmento mediante el cálculo de la intensidad promedio y la desviación estándar como una estimación de error; consulte la Fig. 1B.

La reproducibilidad a largo plazo de las mediciones se aseguró mediante el uso de un láser con una potencia de salida estabilizada. La estabilidad de la compresión del pulso se verificó mediante una generación supercontinua en una placa de zafiro.

Los datos subyacentes a los resultados presentados en este documento no están disponibles públicamente, pero se pueden obtener del autor correspondiente Karel Žídek previa solicitud razonable.

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Agradecemos el apoyo financiero del Ministerio de Educación, Juventud y Deportes (Proyecto No. CZ.02.1.01/0.0/0.0/16_026/0008390), la Agencia de Subvenciones de la República Checa (Proyecto No. 23-08020S) y el Concurso de Becas para Estudiantes en la Universidad Técnica de Liberec (bajo los proyectos No. SGS-2023-3334). Agradecemos a Martina Tauchmanová por la medición de la dinámica inicial de reflectividad en las muestras. También agradecemos a Hana Libenská y Gleb Pokatilov por su ayuda con la caracterización de muestras y las simulaciones de conducción de calor.

Centro de Investigación TOPTEC, Instituto de Física del Plasma de la Academia Checa de Ciencias, Za Slovankou 1782/3, 182 00, Praga, República Checa

Jakub Lukeš, Vít Kanclíř, Jan Václavík, Radek Melich y Karel Žídek

Universidad Técnica de Liberec, Facultad de Mecatrónica, Informática y Estudios Interdisciplinarios, Studentská 1402/2, 461 17, Liberec, República Checa

Jakub Lukeš y Vít Chancellor

Asphericon GmbH, calle Estocolmo. 9, 07747, Jena, Alemania

Ulrike Fuchs

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JL y KZ escribieron el texto principal del manuscrito, interpretaron los datos y prepararon las figuras. JL llevó a cabo experimentos y procesó los datos. VK y JV depositaron las películas delgadas. RM y UF caracterizaron las muestras. Todos los autores revisaron el manuscrito.

Correspondencia a Karel Žídek.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Lukeš, J., Kanclíř, V., Václavík, J. et al. Generación de segundo armónico modificado ópticamente en películas delgadas de oxinitruro de silicio mediante calentamiento de capa local. Informe científico 13, 8658 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-35593-8

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Recibido: 19 diciembre 2022

Aceptado: 20 de mayo de 2023

Publicado: 29 mayo 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-35593-8

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