Генерация терагерцового излучения в полупроводниковых нитевидных нанокристаллах Мустафин Илья Андреевич

Введение к работе

Актуальность темы.

За последнюю четверть века сфера наноиндустрии получила бурное
развитие. Обуславливалось это в первую очередь необходимостью создания
принципиально новых устройств, удовлетворяющих потребностям

современного, технологичного и быстроразвивающегося рынка электронных, фотонных и гибридных устройств, имеющих новые, наиболее эффективные и уникальные характеристики и принципы работы. Ключевой проблемой данной сферы всегда являлись создание и апробация техники и технологии производства элементной базы и отдельных компонент для устройств следующего поколения. Одной из самых бурно развивающихся и многообещающих отраслей нанотехнологического производства является синтез различного рода наногетероструктур. Особняком в данном сегменте выделилось направление по синтезу нитевидных нанокристаллов (ННК).

Оценив количество работ, опубликованных за последние 20 лет,
посвящённых синтезу, исследованию различных свойств и

непосредственному прикладному применению нитевидных нанокристаллов – наблюдается стремительный рост их числа, и, что не маловажно – вовлечение ведущих мировых коллективов в работу по данному направлению исследований, что безусловно указывает на наличие нового тренда в сфере наноиндустрии.

Современные методы синтеза подобного рода наноструктур достаточно отработаны и на данный момент позволяют контролировать морфологию (геометрию), химический состав, степень легирования, кристаллическую структуру и другие важные параметры с достаточно высокой точностью. Несмотря на весомый прогресс в сфере синтеза ННК, существенными остаются проблемы нерегулярного роста нанокристаллов, политипизм вюрцита, образование внутренних примесей и примесных включений, возникающих при росте ННК, которые могут приводить к появлению безызлучательных центров и других дефектов на поверхности и в объеме нанокристаллов. Зачастую все выходные характеристики и особенности нанообъектов, особенно при использовании новых прогрессивных методик для их синтеза, не представляется возможным заранее чётко детерминировать. Поэтому исследование и характеризация механических, электрических, химических, магнитных, термических и оптических свойств, получаемых нанообъектов является весьма актуальной задачей, определяющей возможность их дальнейшего применения в той или иной области науки и техники, использования в конкретных устройствах в том или ином качестве.

Существует довольно внушительный перечень работ, а также запатентованных устройств, в основе которых применяются нитевидные

нанокристаллы, как в качестве основных, так и субкомпонент. Например, последние разработки в области солнечной энергетики предполагают использование ННК в создании высокоэффективных солнечных элементов Волноводы, лазеры, светоизлучающие диоды, одиночные фотонные источники, туннельные диоды, транзисторы сверхвысокой плотности, высокочувствительные биологические и химические датчики, эмиттеры и детекторы различного спектрального, в том числе и терагерцового (ТГц) диапазонов, являющегося одной из самых многообещающих областей электромагнитного спектра – вот лишь небольшой перечень применения ННК.

Данная диссертационная работа посвящена исследованию процессов генерации терагерцового излучения в полупродниковых нитевидных нанокристаллах, синтезированных различными методами, при возбуждении сверхкороткими оптическими импульсами и характеризации параметров релаксационных, рекомбинационных процессов и транспорта носителей в ННК.

Целью данной диссертационной работы является исследование процессов генерации ТГц излучения в полупроводниковых (AIII-BV) нитевидных нанокристаллах, синтезируемых методами молекулярно-пучковой (МПЭ) и газофазной эпитаксии (ГФЭ);

В ходе научных исследований были решены следующие задачи:

Экспериментально исследованы образцы ННК на основе GaAs,
синтезированные методом МПЭ, а именно:

o исследованы процессы и механизмы генерации ТГц излучения в ННК, под действием лазерных импульсов фемтосекундной длительности

o динамика фотовозбуждённых носителей заряда

Экспериментально исследованы образцы ННК Al_0.2Ga_0.8As:

o исследованы процессы и механизмы генерации ТГц излучения в ННК, под действием лазерных импульсов фемтосекундной длительности

o динамика фотовозбуждённых носителей заряда

Экспериментально исследованы образцы с разными геометрическими
параметрами упорядоченных ННК на основе GaAs, синтезированные
методом ГФЭ, а именно:

o исследованы процессы и механизмы генерации ТГц излучения в ННК, под действием лазерных импульсов фемтосекундной длительности o исследована динамика фотовозбуждённых носителей заряда o получены спектры поглощения для ННК, имеющих различный диаметр

Проведена оценка эффективности ТГц генерации в ННК в сравнении с объёмным полупроводником p-InAs

Научные положения, выносимые на защиту:

1) Генерация ТГц излучения в наноструктурах на основе ННК
обусловлена движением фотовозбуждённых носителей заряда в
нанокристалле. Основные механизмы генерации ТГц излучения в
наноструктурах на основе GaAs ННК: движение фотовозбуждённых
носителей заряда в поверхностных и контактных электрических полях и
амбиполярная диффузия в случае «плотных» массивов ННК.

2) В упорядоченных массивах GaAs ННК, с увеличением фактора
заполнения в пределах, когда расстояние между нанокристаллами меньше
длины волны возбуждающего света – рост эффективности генерации
терагерцового излучения имеет линейный характер. Увеличение
эффективности ТГц генерации обусловлено резонансным возбуждением
вытекающих волновых мод (резонансов Ми) в нанокристалле.

1. При определённых геометрических параметрах массивов ННК эффективность ТГц генерации превышает аналогичную величину для объемного полупроводника p-InAs, являющегося наиболее эффективным когерентным терагерцовым эмиттером и может быть увеличена при подборе оптимальных геометрических параметров наноструктуры.

2. Временная динамика фотовозбужденных носителей заряда, при создании дополнительной электронно-дырочной плазмы в GaAs и AlGaAs ННК определяется как быстрым движением электронов в локальном электрическом поле (зарядка емкости обедненного поверхностного слоя) и их быстрым захватом на поверхностные центры, так и диффузией дырок (перезарядка емкости) и их медленным захватом на поверхностные центры и безызлучательные центры в ННК.

Научная новизна работы определяется тем, что:

1. Исследуемые образцы являлись уникальными для своего класса – упорядоченные массивы полупроводниковых нитевидных нанокристаллов располагались на одной подложке и имели различные геометрические параметры и были синтезированы по уникальной методике.

2. Впервые было продемонстрировано влияние эффекта резонансного поглощения света массивами ННК на эффективность терагерцовой генерации. Показано, что эффективность ТГц генерации определяется

усилением электромагнитного поля за счет резонансного возбуждения вытекающих волновых мод (резонансы Ми) в нанокристалле.

3. Исследования временной динамики фотовозбужденных носителей заряда, при создании дополнительной электронно-дырочной плазмы В ННК показали, что выбранная методика исследований позволяет характеризации параметры релаксационных, рекомбинационных процессов и транспорта носителей в данных структурах.

4. Впервые была продемонстрирована большая эффективность ТГц генерации массива полупроводниковых нитевидных нанокристаллов в сравнении с эффективность генерации в объемном полупроводнике p-InAs.

Основные методы исследования:

Генерации ТГц излучения в полупроводниковых ННК возникала за счёт
их возбуждения сверхкороткими импульсами лазерного излучения,
генерируемыми посредством титан-сапфировых лазеров. Измерение

мощности генерируемого ННК ТГц излучения измерялась акусто-оптическим преобразователем и болометром. Основные эксперименты проводились при помощи приёмов и методов времяразрешенной спектроскоппи TDS. Для детектирования ТГц излучения применялась система электрооптического стробирования, которая позволяла получать информацию о интенсивность электрического поля ТГц волны и её фазе. Методика optical-pump terahertz generation-probe time-domain spectroscopy применялась для исследования динамики носителей, при возбуждении в исследуемых образцах дополнительной электронно-дырочной плазмы. Более подробно все экспериментальные схемы представлены во второй главе. Математические расчёты спектров сечения поглощения для ННК были выполнены в среде MatLab.

Значимость полученных результатов представляет особую важность как с фундаментальной точки зрения для понимания особенностей взаимодействия наноструктур с оптическим излучением – исследование процессов генерации ТГц излучения; так и для решения комбинированных практических задач ТГц оптоэлектроники. В частности, в диссертации описаны основные механизмы, приводящие к генерации ТГц излучения при взаимодействии ННК с лазерными импульсами фс длительности. И показана возможность применения ННК в качестве компактного когерентного эмиттера ТГц излучения в спектроскопических системах – сравнение эффективности генерации ТГц излучения по сравнению с имеющимися, наиболее

распространёнными и применяемыми в спектроскопических системах эмиттерами – объёмным p-InAs.

Достоверность полученных результатов основана на использовании современных методов научного исследования и сравнении полученных результатов с данными научно-технической литературы. Материалы исследований опубликованы в восьми изданиях международного уровня, а также были представлены на более чем двадцати международных и российских конференциях.

Личный вклад автора: в диссертации приведены результаты экспериментальных исследований, полученных непосредственно автором или при его активном участии. Соискатель принимал непосредственное участие в проведении экспериментов, проектировании и создании экспериментальных установок, обработке, анализе и обсуждении полученных результатов с коллегами, и подготовке совместных статей и докладов на конференциях.

Апробация работы

Основные результаты работы были представлены на: 15

Международном симпозиуме по сверхбыстрым явлениям в полупроводниках
(Литва, Вильнюс, 2013), 38 Международной конференции по инфракрасным,
миллиметровым и терагерцовым волнам (Германия, Майнц, 2013), XI
Российской конференция по физике полупроводников (Россия, Санкт-
Петербург, 2013), XVIII Международном симпозиуме нанофизики и
наноэлектроника (Россия, Нижний-Новгород, 2014), VIII Международной
конференции «Фундаментальные проблемы оптики» (Россия, Санкт-
Петербург, 2014), Семинаре DATIS/ENPI (Финляндия, Эспоо, 2014), II
Московской микроволновой неделе (Россия, Москва, 2014), Российской
конференции по актуальным проблемам полупроводниковой

фотоэлектроники «ФОТОНИКА 2015» (Россия, Новосибирск, 2015),
Германской ТГц конференции (Германия, Дрезден, 2015), XII Российской
конференции по физике полупроводников (Россия, Звенигород, 2015), XIX
Международном симпозиуме «Нанофизика и наноэлектроника» (Россия,
Нижний Новгород, 2015), Х Всероссийском семинара по радиофизике
миллиметровых и субмиллиметровых волн (Россия, Нижний Новгород, 2016),
XX Международном симпозиуме нанофизика и наноэлектроника (Россия,
Нижний Новгород, 2016), Международном симпозиуме «Фундаментальные
основы лазерных микро– и нанотехнологий» (FLAMN-16) (Россия, Пушкин,
2016), 41 Международной конференции по инфракрасным, миллиметровым и
терагерцовым волнам (Дания, Копенгаген, 2016), Международной
молодежной конференции ФизикА.СПб/2016 (Россия, Санкт-Петербург,
2016), III Международной конференции и молодежной школе

«Информационные технологии и нанотехнологии (ИТНТ-2017)» (Россия, Самара, 2017)

Публикации

Основные результаты по теме диссертационной работы изложены в 8 публикациях, входящих в реферативную базу данных «SCOPUS», включенную в Перечень ВАК:

3. Trukhin V.N., Bouravleuv A.D., Mustafin I.A. Kakko J.P., Lipsanen H. Optically excited THz generation from ordered arrays of GaAs nanowires // Procedia Engineering. — 2017. — Т. 201. — C. 100–104.

4. Trukhin V.N., Bouravleuv A.D., Mustafin I.A., Cirlin G.E., Kuritsyn D.I., Rumyantsev V.V., Morosov S.V., Kakko J.P., Huhtio T., Lipsanen H. Resonant features of the terahertz generation in semiconductor nanowires // Semiconductors. — 2016. — Т. 50. — № 12. — С. 1561–1565.

5. Trukhin V.N., Bouravlev A.D., Mustafin I.A., Cirlin G.E., Kuritsyn D.I., Rumyantsev V.V., Morosov S.V., Kakko J.P., Huhtio T., Lipsanen H., Efficient terahertz generation by ordered arrays of GaAs nanowires // (IRMMW-THz) – IEEE. — 2016. C. 1-2.

6. Mustafin I.A., Trukhin V.N., Bouravlev A.D., Eliseev A.I., Kakko J.P., Huhtio T., Lipsanen H. The Effect of Resonant Mie Absorption under THz Radiation Emission in Semiconductor Nanowires // Optics and Spectroscopy. — 2016. — Т. 119. — № 5. — С. 754–758.

7. Mustafin I.A., Trukhin V.N., Buyskih A.C., Bouravlev A.D., Cirlin G.E., Kaliteevski M.A., Zeze D.A., Gallant A.J., Samsonenko Yu.B. Generation of terahertz radiation by AlGaAs nanowires // JETP Letters. — 2015. — Т. 102. — № 5. — С. 316-320.

8. Mustafin I.A., Trukhin V.N., Bouravlev A.D., Cirlin G.E. ., Kakko J.P., Huhtio T., Lipsanen H. Generation of terahertz radiation in ordered arrays of GaAs nanowires // Appl. Phys. Lett. — 2015. — Т. 106. — C. 252104.

7. Mustafin I.A., Trukhin V.N., Bouravlev A.D., Dhaka V., Cirlin G.E.,
Kaliteevski M.A., Lipsanen H., Samsonenko Yu.B. Ultrafast carrier dynamics in
GaAs nanowires // Lithuanian Journal of Physics. — 2014. — Т. 54. — № 1. — С.
41-45.

8. Mustafin I.A., Trukhin V.N., Bouravlev A.D., Dhaka V., Cirlin G.E., Kaliteevski M.A., Lipsanen H., Samoilov L., Samsonenko Yu.B. Carriers transport in GaAs nanowires // IRMMW-THz – IEEE. — 2013 —

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, 5 глав, общего заключения и списка используемой литературы. Объем работы составляет 149 страниц, включая 77 рисунков, 1 таблицу и 1 приложение. Список используемой литературы содержит 146 библиографических ссылок.