Введение к работе
Актуальность проблемы
Линейные и нелинейные оптические свойства сред на основе металлических и полупроводниковых наноструктур представляют большой интерес с точки зрения приложений. Особый интерес представляют композитные среды, состоящие из мезоскопических включений, которые существенно изменяют оптические свойства материала. Оптические свойства композита сильно зависят от формы и концентрации частиц. В случае металлических наночастиц падающий свет может возбуждать локализованные плазмоны [1], что значительно меняет спектр поглощения материала, а также приводит к эффекту усиления комбинационного рассеяния света на поверхности частицы (SERS) [2], при этом положение резонанса сильно зависит от формы наночастиц [3]. Расчет эффективных характеристик материала полученного вытягиванием наночастиц с помощью фемтосекундных лазерных импульсов [4], позволяет определить аспектное отношение сфероида, концентрацию включений и толщину слоя с наночастицами на основе спектроскопических данных.
Нелинейные оптические свойства стеклометаллических нанокомпозитов [5] также представляют интерес как для фундаментальных, так и для прикладных исследований. На поверхности стекла могут быть выращены металлические наночастицы, имеющие форму полусферы. По причине отсутствия центра симметрии и из-за близости границы раздела стекло-металл такие частицы обладают ненулевой гиперполяризуемостью [6], которая определяет возможность генерации второй гармоники [7]. В случае полусферической наночастицы локальное электрическое поле световой волны максимально в области острого края полусферы вблизи подложки, в связи с этим оценка вклада острого края и определение области наибольшего выхода нелинейного сигнала представляются важными.
В работе также рассматриваются полупроводниковые кольцевые
микрорезонаторы [8] с активной средой на основе InAs/InGaAs квантовых точек. Такие структуры являются альтернативой структурам с квантовыми ямами благодаря температурной стабильности лазеров на их основе, которая обусловлена трехмерным ограничением носителей заряда в квантовой точке, и высокой добротности мод шепчущей галереи в кольцевых резонаторах. Кольцевые микрорезонаторы перспективны в качестве электрооптических модуляторов [9], а электрически накачиваемые кольцевые резонаторы в сочетании с оптическими волноводами могут
быть использованы как оптические модуляторы в интегральных схемах, в том числе для применений в межчиповой и внутричиповой передаче данных, а также в оптических фильтрах [10]. Разработка методики изготовления ультрамалых резонаторов, использующих моды шепчущей галереи - важная задача с точки зрения их интеграции в оптические схемы и минимизации энергопотребления. Использование электронной литографии дает возможность добиться высокого разрешения экспозиции, что позволяет в дальнейшем обеспечить более гладкую боковую поверхность, и значительно снизить порог генерации.
Благодаря синтезу новых материалов (нитриды, органические полупроводники), в которых дипольный момент перехода велик по сравнению с традиционно используемым арсенидом галлия, появилась возможность квазиконденсации экситон-поляритонов в микрорезонаторах при комнатной температуре [11]. Это делает исследование оптических свойств таких структур чрезвычайно важным с точки зрения приложений. Порог генерации поляритонного лазера на порядки ниже порога лазера на фотонах [12]. Полупроводниковые микрорезонаторы с некогерентной накачкой (электрической или оптической) могут иметь различные области применения, такие как оптические маршрутизаторы [13], источники терагерцового излучения [14], скоростные оптические поляризационные переключатели [15]. В этом контексте исследование микрорезонаторов с оптической накачкой является важной задачей.
Увеличение времени жизни экситон-поляритонов в области с высокой концентрацией поляритонов вследствие диссипативной нелинейности [16] - важный эффект, который может существенно влиять на работу поляритонных устройств. При включении в микрорезонатор насыщающегося поглотителя возможно образование диссипативных солитонов, что является следствием дополнительного нелинейного члена в уравнении Гросса-Питаевского. Исследование оптических солитонов при реальных температурах является важным шагом в понимании свойств поляритонного конденсата в присутствии насыщающегося поглотителя в микрорезонаторе.
Цель работы
1) Целью теоретической части работы является:
a. моделирование оптических свойств композитных сред на основе металлических нановключений эллипсоидальной формы,
b. получение и исследование выражений для гиперполяризуемости
наноразмерной металлической полусферы, покрытой диэлектрической оболочкой, и
оценка эффективности генерации второй гармоники такой структурой, учет влияния
острого края полусферы на интенсивность второй гармоники.
c. Описание эффекта образования диссипативных солитонов, обусловленного
появлением неустойчивости из-за областей с разным временем жизни в
микрорезонаторах с насыщающимся поглотителем.
d. Разработка теории электрически накачиваемого поляритонного лазера на
основе нитрида индия для случая, когда уравнения экситонного резервуара не
являются феноменологическими, а выводятся на основании микроскопической теории.
2) Целью технологической части работы является:
a. изготовление рекордно малых дисковых/кольцевых микрорезонаторов с
квантовыми точками и демонстрация лазерной генерации в таких структурах при
комнатной температуре.
b. Разработка методики по уменьшению механических напряжений путем
модификации подложки карбида кремния для выращивания на ней
высококачественных пленок нитридных полупроводников.
Научная новизна работы
Научная новизна работы состоит в решении следующих конкретных задач:
-
Разработке модели для описания экспериментального спектра поглощения нанокомпозита, содержащего эллипсоидальные металлические включения. Нанокомпозит получен с помощью модификации стекла со сферическими серебряными нановключениями фемтосекундным лазером.
-
Теоретическом исследовании эффективности генерации второй гармоники наноразмерной металлической полусферой, покрытой диэлектрической оболочкой. При этом получены выражения для гиперполяризуемости такой частицы и исследована зависимость гиперполяризуемости от материальных параметров. Рассчитано усиление генерации второй гармоники на частоте плазмонного резонанса. Оценено усиление локального поля на остром крае полусферы.
3. Разработке методики изготовления дисковых микрорезонаторов рекордно малого
размера по сравнению с микрорезонаторами с квантовыми точками, полученными
ранее с помощью оптической литографии, демонстрации лазерной генерации при
комнатной температуре в этих микрорезонаторах. Выборе режимов травления
гетероструктуры, а также выбор первичной и вторичной маски.
4. Разработке методики модифицикации поверхности пленки карбида кремния с
помощью электронной литографии для последующего выращивания на такой
подложке пленки нитрида алюминия (пендеоэпитаксия). Благодаря созданию
периодических отверстий в пленке карбида кремния, механические напряжения в
выращенной поверх карбида кремния пленке нитрида алюминия снижаются.
5. Описании образования солитонов в микрорезонаторах с насыщающимся
поглотителем на основе диссипативного уравнения Гросса-Питаевского.
6. Разработке теоретического описания поляритонного лазера с микроскопическими
уравнениями для резервуара и расчете концентраций экситонов и поляритонов, а также
порога конденсации для реальной структуры.
Практическая значимость работы
Практическая ценность работы заключается в том, что в диссертации
-
Представлен теоретический подход, пригодный для описания нанокомпозитов с эллипсоидальными нановключениями. Это представляет интерес для разработки пакетов прикладных программ для расчетов параметров таких композитов.
-
Исследованы эффективность генерации второй гармоники полусферической наночастицей в зависимости от толщины диэлектрического покрытия и влияние острого края полусферы на величину гиперполяризуемости. Это дает возможность прогнозирования характеристик подобных структур при их разработке.
-
Разработана и оптимизирована методика изготовления сверхмалых дисковых и кольцевых микрорезонаторов, содержащих InAs/InGaAs квантовые точки, что существенно для будущего производства таких структур.
-
Разработана и оптимизирована методика модификации поверхности карбида кремния для последующей пендеоэпитаксии высококачественных пленок нитрида алюминия методом хлорид-гидридной газофазной эпитаксии.
5) Исследован отклик поляритонного Бозе-конденсата на оптическую и
электрическую накачку, что существенно в связи с обеспечиваемой в современных материалах при комнатной температуре поляритонной квазиконденсации, которая представляет существенный интерес для создания оптоэлектронных приборов нового поколения.
Положения, выносимые на защиту:
-
Острый край полусферической металлической наночастицы существенным образом определяет ее гиперполяризуемость.
-
Оптический дихроизм нанокомпозита, содержащего эллипсоидальные металлические нановключения в изотропной матрице, определяется как степенью вытянутости наночастиц, так и их концентрацией.
-
Предложенная методика с использованием электронной литографии позволяет получать ультрамалые микродиски и микрокольца с гладкой боковой поверхностью на основе твердого раствора InGaAs/InAs, в которых возможна лазерная генерация при комнатной температуре.
-
Формирование на поверхности пленки карбида кремния сетки углублений с наноразмерным периодом приводит к повышению качества выращиваемых на такой подложке пленок нитридных полупроводников. Сетка квадратных углублений с периодом 200 нм и глубиной 70 нм позволяет выращивать ненапряженный слой нитрида алюминия методом хлорид-гидридной газофазной эпитаксии.
-
Стохастическое уравнение Гросса-Питаевского, учитывающее рассеяние поляритонов на акустических фононах, при учете диссипативной нелинейности позволяет описать поведение поляритонных солитонов в микрорезонаторах с насыщающимся поглотителем при реальных температурах.
-
Электрически накачиваемый поляритонный лазер с активной средой на основе нитрида индия может быть описан посредством совместно используемых уравнения Больцмана для экситонного резервуара и уравнений диффузии-
дрейфа для носителей заряда; для расчета порога конденсации экситонов эти уравнения надо дополнить уравнением Гросса-Питаевского.
Личный вклад автора
Личный вклад автора заключается в построении теоретических моделей для описания спектров поглощения композита, а также обработке и анализе экспериментальных данных. Автором проведено численное моделирование спектров гиперполяризуемости наноразмерной металлической полусферы, покрытой диэлектриком на подложке и разработка методики изготовления лазерных микроструктур рекордно малого размера. Разработка методики модификации подложки из пленки карбида кремния с целью последующего выращивания на ней пленки нитрида алюминия была предложена автором диссертации. Построение математической модели для описания поляритонного конденсата в микрорезонаторе с насыщающимся поглотителем полностью выполнено автором диссертации. Автором на основе системы кинетических уравнений и микроскопических уравнений для носителей зарядов впервые теоретически описан электрически накачиваемый поляритонный лазер, а также на примере поляритонного лазера на нитридной структуре продемонстрированы применимость и возможности разработанного подхода.
Публикации по теме диссертации:
[A1] Karpov, D. V. Operation of a semiconductor microcavity under electric excitation / D. V. Karpov and I. G. Savenko // Applied Physics Letters — 2016—V. 109 — №. 6 —P. 061110
[A2] Karpov, D. V. Dissipative soliton protocols in semiconductor microcavities at finite temperatures / D. V. Karpov, I. G. Savenko, H. Flayac, and N. N. Rosanov // Physical Review B —2015—V. 92 —P. 075305
[A3] Karpov, D. V. Second harmonic generation from hemispherical metal nanoparticle covered by dielectric layer / D.V. Karpov, S. A. Scherbak, Y.P. Svirko and A.A. Lipovskii // Journal of Nonlinear Optical Physics & Materials—2016 — V. 25 — P. 1650001
[A4] Chervinskii, S. Revealing the nanoparticles aspect ratio in the glass-metal nanocomposites irradiated with femtosecond laser / S. Chervinskii, R. Drevinskas, D. V.
Karpov, M. Beresna, A. A. Lipovskii, Yu. P. Svirko & P. G. Kazansky // Scientific Reports — 2015 — V. 5 — P. 13746
[A5] Maximov, M.V. Ultrasmall microdisk and microring lasers based on InAs/InGaAs/GaAs quantum dots / M.V. Maximov, N.V. Kryzhanovskay, A.M. Nadtochiy, E.I. Moiseev, I.I. Shostak, A.A. Bogdanov, Z.F. Sadrieva, A.E. Zhukov, A.A. Lipovskii, D.V. Karpov, J. Laukkanen, J. Tommila // Nanoscale Research Letters — 2014 — V. 9 — P. 657
[A6] Жуков, А.Е. Лазерная генерация в микродисках сверхмалого диаметра/ А.Е. Жуков, Н.В. Крыжановская, М.В. Максимов, А.А. Липовский, А.В. Савельев, А.А. Богданов, И.И. Шостак, Э.И. Моисеев, Д.В. Карпов, J. Laukkanen, J. Tommila // Физика и техника полупроводников— 2016 —V. 48 —№. 12 —P. 1666-1670
[A7] Bessolov, V. N. Pendeo-epitaxy of stress-free AlN layer on a profiled SiC/Si substrate / V.N. Bessolov, D.V. Karpov, E. V. Konenkova , A.А. Lipovskii, A.V. Osipov, A.V. Redkov, I.P. Soshnikov, S.A. Kukushkin // Thin Solid Films —2016—V. 606 —P. 74–79
[A8] Редуто, И.В. Самоорганизованное выращивание малых групп наноостровков на поверхности поляризованных ионообменных стекол / И.В. Редуто, С.Д. Червинский, А.Н. Каменский, Д.В. Карпов, А.А. Липовский // Письма в ЖТФ— 2016 — V. 42 — №. 1 — P. 93-95
Тезисы конференций:
[A9] Kryzhanovskaya N.V. Influece of active region and resonator design on characteristics of microdisk lasers / N.V. Kryzhanovskaya., Maximov M.V., Nadtochiy A.M., Zhukov A.E., Moiseev E.I., Shostak I.I., Savel'ev A.V., Lipovskii A.A., Karpov D.V., Kulagina M.M., Vashanova K.A., Laukkanen J., Tommila J. // IEEE 2014 International Conference Laser Optics, St. Petersburg; Russian Federation, 30 June - 4 July 2014
[A10] Kryzhanovskaya N.V. High-temperature lasing and control of emission spectra in microdisk and microring lasers with quantum dots / N.V. Kryzhanovskaya, Maximov M.V., Mukhin I.S., Zhukov A.E., Moiseev E.I., Shostak I.I., Savelyev A.V., Bogdanov A.A., Lipovskii A.A., Karpov D.V., Laukkanen J., Tommilla J. // IEEE 2014 International Semiconductor Laser Conference, Palma de Mallorca Spain, 7 - 10 September 2014
Апробация работы
Основные результаты, изложенные в диссертации, докладывались на следующих международных конференциях:
Northern Optics & Photonics 2015, Lappeenranta, Finland; Optics and Photonics Days conference, Turku, Finland, May 20-22, 2014; XII international conference on Nanostructured Materials, July 13 – 18, 2014, Moscow; 24th International Semiconductor Laser Conference, 7 - 10 September 2014, Palma de Mallorca Spain; International Conference Laser Optics, LO 2014; St. Petersburg; Russian Federation, 30 June - 4 July 2014; 1st International School and Conference on Optoelectronics, Photonics, Engineering and Nanostructures “Saint-Petersburg OPEN 2014”; 22nd International Symposium "Nanostructures: Physics and Technology", St.Petersburg, Russia, June 23-27, 2014, Paper MPC.06o (Proceedings, pp. 221-222); International Nano-Optoelectronics Workshop (iNOW), St Petersburg& Luge, Russia, August 11–22, 2014;
Структура работы