Введение к работе
Актуальность темы диссертации. Развитие современных оптических технологий зависит от возможности управления оптическим излучением предсказуемым образом. Важным компонентом оптических систем являются ограничители мощности оптического излучения, при этом основное внимание уделяется пассивным устройства, которые имеют ряд преимуществ по сравнению с активными ограничителями, включающими сенсор, процессор, цепь обратной связи и т. д. [1]. Пассивные ограничители основаны на использовании материалов, в которых детектирование, обработка сигнала и действие являются функцией самого материала. Такие функции реализуются благодаря наличию нелинейного отклика в образце.
В оптоэлектронных системах световые потоки невелики. Поэтому необходимы ограничители мощности оптического излучения с низким порогом срабатывания. Такие ограничители нужны также для защиты глаз человека и фоточувствительных элементов приборов. Следовательно, снижение порога срабатывания ограничителя является важной задачей. Один из подходов решения такой задачи это использование широкозонных полупроводников с глубокими примесными уровнями в запрещённой зоне, в которых наблюдалась самодефокусировка в результате примесного поглощения, приводящего к изменению концентрации электронов в зоне проводимости (напр. [2, 3]). В видимой области подобного рода исследований не так много, в связи с тем, что используемые механизмы нелинейности сильно ослабевают с уменьшением длины волны. Дальнейшие исследования по поиску новых принципов работы низкопороговых ограничителей мощности, работающих в том числе в видимой области является актуальной задачей. Известно, что в ионно-ковалентных кристаллах с адсорбированными молекулами органических красителей и кластерами металла могут протекать двухквантовые процессы при достаточно низких интенсивностях излучения — 10~3-10~4 Вт/см2) (напр. [4, 5]). Двухквантовые оптические переходы в таких материалах приводят к возбуждению сенсибилизированной антистоксовой люминесценции (САСЛ). Возбуждение осуществляется через энергетические уровни металл-органических структур типа «молекула красителя + кластер серебра», компоненты которых слабо взаимодействуют друг с другом. Двухквантовость этих процессов должна приводить к нелинейной зависимости интенсивности прошедшего света от интенсивности падающего. Поэтому можно предполагать, что существует возможность реализации в кристаллах с адсорбированными молекулами красителей и кластерами металла ограничения мощности при достижении уровня световых потоков, сопоставимых с возбуждающими САСЛ. Однако для этого необходимо более полно исследовать природу центров, влияющих на эффективность двухквантовых оптических переходов, найти условия их создания и определить механизм нелинейного взаимодействия с оптическим излучением, содержащих эти центры.
Целью работы является установление закономерностей низкопороговых оптических нелинейностей в ионно-ковалентных кристаллах (на примере га-логенидов серебра и сульфидов цинка и кадмия), содержащих на своей поверхности молекулы органических красителей и кластеры металлов.
Достижение поставленной цели предполагало решение следующих основных задач:
Исследование стадий процессов фотостимулированной поатомной сборки сборки кластеров металла и металл-органических комплексов типа «кластер металла + молекула красителя», адсорбированных на поверхности ионно-ковалентных кристаллов, для формирования центров, участвующих в низкопороговом нелинейном взаимодействии с оптическим излучением.
Определение оптических свойств указанных адсорбированных центров, и исследование влияния на них мелких электронных и дырочных уровней захвата.
Исследование роли адсорбированных металл-органических комплексов на поверхности кристаллов в возникновении низкопорогового нелинейного оптического отклика.
Выяснение возможности реализации в исследуемых системах низкопорогового ограничения мощности оптического излучения.
Научная новизна работы заключается в том, что
Впервые обнаружена поатомная «сборка» димеров серебра на поверхности монокристаллов ZnS, а также AgCl из адатомов за счёт их фотостимулированной диффузии, реализующейся в результате УФ возбуждения (Л = 365 нм) при Т = 77 К подложки.
В микрокристаллах AgCl обнаружено, что эффективное низкопороговое (~ 10"3-10"4 Вт/см2) двухквантовое возбуждение антистоксовой люминесценции излучение с длинами волн 620-700 нм возникает за счёт фото стимулированного формирования при Т = 77 К малоатомных кластеров серебра вблизи молекул метиленового голубого.
Для диспергированных в желатиновой матрице нанокристаллов AgCl(I) с адсорбированными молекулами красителей и кластерами серебра методом z-сканирования обнаружена низкопороговая (~ Ю-1 Вт/см2) самофокусировка излучения для Л = 660 нм, приходящегося на максимум спектра возбуждения сенсибилизированной антистоксовой люминесценции.
Обнаружен эффект низкопорогового (~ Ю-1 Вт/см2) ограничения мощности излучения с Л = 660 нм с длительностью импульса 1 мс в на-нокристаллах AgCl(I) с адсорбированными молекулами красителей метиленового голубого, малахитового зелёного и соль 1,Г-диэтил- 2,2'-хи-ноцианина и 3,3'-ди-(у-сульфопропил)- 9-этил- 4,5-бензо- 4',5'-[4",5"-ди-метилено(2",3")]- тиатиазолокарбоцианинбетаина и кластерами серебра.
Впервые доказано, что темновая убыль светосумм, высвечиваемых с глу
боких электронных ловушек в кристаллах ZnS определяется рекомбина
цией освобождаемых с мелких уровней захвата электронов и дырок непо
средственно на центрах люминесценции и на глубоких ловушках.
Основные положения, выносимые на защиту:
Адсорбированные на поверхности монокристаллов ZnS, а также AgCl атомы серебра преобразуются в димеры серебра за счёт фотодиффузии, реализующейся при Т = 77 К под действием возбуждающего подложку УФ излучения, в результате последовательного захвата электронов и их безыз-лучательной рекомбинации.
Низкотемпературное (Т = 77 К) фотостимулированное формирование атомов, димеров и тримеров серебра вблизи адсорбированных на поверхности микрокристаллов AgCl молекул метиленового голубого приводит к увеличению более чем на порядок эффективности двухквантового низкопорогового (~ 10"3-10"4 Вт/см2) возбуждения антистоксовой люминесценции.
Низкопороговое (~ 10"1 Вт/см2) двухквантовое фотовозбуждение нано-кристаллов AgCl(I), реализующееся путём переноса энергии электронного возбуждения от адсорбированных молекул красителей к расположенным вблизи них кластерам серебра и их последующей фотоионизации, определяет эффект самофокусировки излучения при Т = 77 К с Л = 660 нм длительностью импульса 1 мс, обусловленный перераспределением плотности неравновесных носителей зарядов.
В кристаллах, обладающих сенсибилизированной антистоксовой люминесценцией, реализуется низкопороговое (~ Ю-1 Вт/см2) ограничение мощности излучения с Л = 660 нм и длительностью импульса 1 мс за счёт эффекта самофокусировки.
Практическая ценность работы. Полученные экспериментальные данные могут быть важны для
Разработки методов поатомной контролируемой «фотосборки» на поверхности кристаллов кластеров и наноструктур.
Низкопорогового антистоксова преобразования частоты
Разработки новых низкопороговых ограничителей мощности оптического излучения на основе кристаллов, обладающих свойством двухквантового сенсибилизированного фотовозбуждения.
Апробация работы. Результаты диссертации докладывались и обсуждались на всероссийской конференции «Физико-химические процессы в конденсированном состоянии и на межфазных границах» (Воронеж, 2004, 2006, 2008), на IX и X международных конференциях «Физико-химические процессы в неорганических материалах» (Кемерово, 2004, 2007), всероссийском симпозиуме «Нанофотоника» (Черноголовка, 2007), на VIII и IX международных конференциях «Опто-, наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы» (Ульяновск, 2006, 2009).
Публикации и личный вклад автора. Работа выполнена на кафедре «Оптики и спектроскопии» Воронежского госуниверситета. Определение цели и задач диссертации, постановка экспериментов а также анализ полученных результатов осуществлялся под непосредственным руководством научного руководителя, заведующего кафедрой «Оптики и спектроскопии» Физического факультета Воронежского госуниверситета, заслуженного деятеля науки РФ, доктора физико-математических наук, профессора Латышева Анатолия Николаевича.
Все вошедшие в диссертацию результаты выполнены автором лично или при его непосредственном участии вместе с сотрудниками кафедры. Автором осуществлено методическое обоснование использованных в работе методов исследования и проведены экспериментальные измерения. Проведён анализ и интерпретация полученных результатов. Сформулированы основные выводы и научные положения, выносимые на защиту.
Основные результаты диссертации опубликованы в 14 работах из них 3 работы опубликованы в изданиях, входящих в перечень ВАК, 9 работ опубликованы в материалах всероссийских и международных научных конференций.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения и списка литературы, включающего 196 наимен. Работа содержит 143 стр. машинописного текста, в том числе 42 рис. и 8 табл.
