Towards photonic crystal-based spectroscopic gas sensors [Elektronische Ressource] / von Torsten M. Geppert

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• Physik

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• Publié par: martin-luther-universitat_halle-wittenberg
• Publié le: 01 janvier 2006
• Nombre de lectures: 43
• Langue: English
• Poids de l'ouvrage: 10 Mo

Extrait

Towards Photonic Crystal-Based Spectroscopic Gas Sensors
Dissertation
zur Erlangung des akademischen Grades
doctor rerum naturalium (Dr. rer. nat.)
vorgelegt der
Mathematisch-Naturwissenschaftlich-Technischen Fakult˜at
(mathematisch-naturwissenschaftlicher Bereich)
der Martin-Luther-Universit˜at Halle-Wittenberg
von
Herrn Dipl. Phys. Torsten M. Geppert
(geboren am 10.03.1975 in Ofienburg)
angefertigt am
Max-Planck-Institut fur˜ Mikrostrukturphysik
Weinberg 2, 06120 Halle (Saale), Germany
und
Universit˜at Paderborn, Dept. Physik,
Warburgerstr. 100, 33098 Paderborn, Germany
Gutachter:
Prof. Dr. R.B. Wehrspohn, Univ. Paderborn, Germany
Prof. Dr. Ph. Fauchet, Univ. Rochester, NY, USA
PD Dr. G. Seifert, Univ. Halle, Germany
Eingereicht: September 2005
Verteidigung: 10.04.2006
urn:nbn:de:gbv:3-000010074
[http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn=nbn%3Ade%3Agbv%3A3-000010074]Contents
1 Introduction and motivation 1
1.1 Electronic and photonic semiconductors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 ’Classical’ PhC research . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.3 PhC-based sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.3.1 Working principle of PhC-based gas sensors . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.3.2 PhC-based gas sensors: connection to the outside world . . . . . . . . . 6
1.3.3 Fabrication of PhCs for gas sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.4 Organization of the thesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2 Goals of this work 8
2.1 Theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.2 Experiment. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
3 State-of-the-art gas sensors 10
3.1 Conventional gas sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
3.1.1 Optical gas sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
3.2 Alternative concepts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
3.2.1 Ionization gas sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
3.2.2 Frequency selective IR emitter/detector . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
3.2.3 PhC flber-based spectroscopic gas sensor . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
4 Methods used in this thesis 17
4.1 Theoretical methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
4.1.1 Analytical treatment of photonic crystals . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
4.1.1.1 Maxwell’s equations in periodic dielectric media . . . . . . . . . 17
4.1.2 Numerical treatment of photonic crystals . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
4.1.2.1 Plane wave expansion (PWE) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
4.1.2.2 Finite-difierence time-domain (FDTD) . . . . . . . . . . . . . . 21
4.1.2.3 Finite element method (FEM) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
4.2 Experimental methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
4.2.1 Macroporous Si fabrication process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
4.2.1.1 Electrochemical dissolution of Si: the HF/n-Si contact . . . . . 24
4.2.1.2 Formation of ordered macropores in n-type Si . . . . . . . . . . 25
4.2.2 Characterization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
4.2.2.1 Optical Characterization by FTIR spectroscopy . . . . . . . . . 27
4.2.2.2 Cha using a QCL . . . . . . . . . . . . . . 28
4.2.2.3 Surface cha by AFM . . . . . . . . . . . . . . . . . 29ii CONTENTS
5 Design of photonic crystal gas sensors 31
5.1 Software used in this work: overview and rating . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
5.2 Basic requirements for a PhC gas sensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
5.2.1 Working principle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
5.3 Design of the photonic band structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
5.3.1 Spectral range . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
5.3.2 Resonance and interaction condition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
5.3.3 Coupling condition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
5.3.4 PhC interaction volume design: tuning and robustness . . . . . . . . . . 37
5.3.4.1 Tuning of PhC gas sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
5.3.4.2 Robustness of PhC gas sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
5.3.5 PhC interaction volume design: results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
5.4 Transmission through a PhC gas sensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
5.4.1 Semi-classical approach: adiabatic taper . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
5.4.1.1 Adiabatic PhC taper: conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . 43
5.4.2 Novel concept: Anti-Re ection-Layer (ARL) . . . . . . . . . . . . . . . . 44
5.4.2.1 ARL concept: robustness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
5.4.2.2 ARL working principle . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
5.4.2.3 ARL concept: conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
5.4.3 PhC gas sensor: absorption enhancement . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
5.4.4 PhC gas sensor: design results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
6 Fabrication of PhC gas sensor structures 54
6.1 Why macroporous Si ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
6.2 Macroporous Si for PhCs: state-of-the-art in 2002 . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
6.3 PECE of deep pore arrays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
6.4 Realization of PhC tapers in the macroporous Si material system . . . . . . . . . 59
6.4.1 Adiabatic PhC Taper . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
6.4.2 Anti-Re ection-Layer: PECE of deep trenches . . . . . . . . . . . . . . . 60
6.5 Fabrication of macroporous Si membranes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
7 Characterization of photonic crystal gas sensor structures 66
7.1 Cha of the PECE ARL surface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
7.2 Optical characterization of PhC gas sensor structures . . . . . . . . . . . . . . . 69
7.2.1 Intrinsic macroporous Si absorption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
7.2.2 PhC structures without taper . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
7.2.3 Adiabatic PhC Taper . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
7.2.4 Optical properties of ARL PhC structures . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
7.2.4.1 PhC with ARL: IR re ectance . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
7.2.4.2 PhC with ARL: QCL transmission . . . . . . . . . . . . . . . . 74
7.2.4.3 PhC with ARL: IR . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
8 PhC gas sensor: device integration 80
8.1 Choice of the IR light source . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
8.2 Coupling of radiation to and from the PhC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
8.3 Device dicing: realization of optically high grade interfaces . . . . . . . . . . . . 81
8.3.1 Cleaving . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
8.3.2 Sawing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82CONTENTS iii
8.3.3 Laser cutting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
8.3.4 RIE etching . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
8.3.5 PECE of the ARL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
9 Summary 85
10 Conclusion and outlook 87
Appendix I
A Miscellaneous I
A.1 Lattices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . I
A.1.1 The hexagonal lattice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . I
A.1.2 The distorted hexagonal lattice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . I
A.2 Bragg difiraction at PhC interfaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . II
B Publications and presentations III
B.1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . III
B.1.1 Publications primarily related to this thesis . . . . . . . . . . . . . . . . . III
B.1.2 Further publications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . IV
B.2 Selected Talks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . IV
B.2.1 Invited . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . IV
B.2.2 Contributed . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . V
B.3 Posters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . V
B.4 Patents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . V
C VI
C.1 Eidesstattliche Erkl˜arung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . VI
C.2 Declaration in lieu of oath . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . VI
D Curriculum Vitae VII
E Acknowledgements VIII
F Abbreviations and symbols X
Literature XVList of Figures
1 Macroporous Si . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . viii
1.1 Electronic and photonic semiconductors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Photonic crystals: periodic arrangements of dielectric materials . . . . . . . . . . 2
1.3 Conventional vs. PhC-based spectroscopic gas sensor . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.4 Application flelds for