Введение к работе
Актуальность темы
Исследование графена является в настоящее время одной из наиболее востребованных тематик в области наноматериалов. В 2010 году за «новаторские эксперименты по исследованию двумерного материала - графена» были удостоены Нобелевской премии Константин Новосёлов и Андрей Гейм. Напомним, что графен - это двумерная структура, в которой атомы углерода выстроены в форме правильных шестиугольников. Графен является составной единицей графита и используется как теоретическая модель для описания других аллотропных форм углерода, таких, как фуллерены и нанотрубки. Несмотря на то, что первые экспериментальные образцы графена были получены относительно недавно (в 2004 году [1]), существует уже немало исследований по применению графена в различных областях, а количество публикаций, посвящённых графену, растёт по экспоненте в зависимости от времени.
Графен имеет уникальные электронные и оптические свойства, которые основаны на его зонной структуре [2]. В первой зоне Бриллюэна графена существуют особые точки К и К', вблизи которых закон дисперсии энергии электронов имеет линейную зависимость от волнового вектора. Таким образом, графен является полупроводником с нулевой запрещённой зоной, а движение электронов в нём описывается не уравнением Шрёдингера, как в объёмных полупроводниках, а двумерным уравнением Дирака для безмассовых квазичастиц [3]. Вследствие этого в графене наблюдается квантовый эффект Холла [1], сверхвысокая подвижность электронов [1]. Также, наряду с электронными свойствами, графен имеет выдающиеся оптические характеристики. Например, величина оптического поглощения света в нем составляет 2.3% [4] от интенсивности падающего излучения и не зависит от длины волны.
К наиболее распространённым применениям графена относятся использование в полевых транзисторах [1,5], в сенсорных экранах (в качестве прозрачного и гибкого проводника) [6], в солнечных батареях [7], в фотодетекторах [8], в лазерах в качестве насыщающихся поглотителей для реализации режима пассивной самосинхронизации мод при генерации ультракоротких лазерных импульсов [9]. Так как все эти применения были разработаны всего за несколько лет исследований графена, то можно говорить о необходимости более подробного изучения свойств графена и наблюдаемых в нём эффектов для полного раскрытия потенциала этого углеродного наноматериала, который, по прогнозам, весьма велик.
Однако, синтез графена остаётся на сегодняшний день не полностью решённой задачей. Несмотря на многочисленные предложенные методы, пока не найдена универсальная методика, которая позволяла бы получать высококачественные образцы графена в производственных масштабах. Все опубликованные методы получения образцов имеют недостатки, а образцы графена могут быть использованы лишь для конкретной цели, в зависимости от способа синтеза. Следовательно, разработка новых методик синтеза графена и усовершенствование уже имеющихся являются крайне интересными и актуальными темами в исследовании графена.
Цель и задачи диссертационной работы
Целью настоящей диссертационной работы является создание эффективных насыщающихся поглотителей для лазеров среднего ИК диапазона (до 10 мкм) на основе синтезируемых протяжённых (более 1х1 см) образцов графена. Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:
Получение отдельных чешуек графена методом микромеханического отщепления, исследование комбинационного рассеяния света (КРС) в графене в зависимости от количества содержащихся слоёв и их визуализация в оптическом микроскопе на диэлектрической подложке.
Создание установки по синтезу крупномасштабных образцов графена методом химического газофазного осаждения (ХГО) из смеси метана и водорода на металлическую подложку. Определение зависимостей характеристик и качества синтезируемых образцов от параметров процесса осаждения.
Исследование нелинейно-оптических свойств графена методом «pump- probe» спектроскопии в широком диапазоне длин волн накачки (1100-1700 нм) и зондирования (900-1700 нм).
Исследование оптических свойств графена в среднем инфракрасном диапазоне длин волн.
Применение графена в качестве насыщающегося поглотителя для реализации режима пассивной самосинхронизации мод в Er волоконном лазере.
Усиление поглощения в графене путём его интегрирования с узкополосными отражательными структурами на основе одномерных фотонных кристаллов.
Научная новизна
В ходе работы были впервые получены следующие результаты:
> выявлена зависимость толщины синтезируемых образцов графена от параметров процесса, в том числе: o выявлено влияние температуры синтеза на толщину графеновой плёнки,
полученной на никелевой фольге; o получены зависимости толщины графеновой плёнки, синтезируемой на поверхности никелевой фольги, от давления в камере, температуры синтеза и концентрации метана в смеси с водородом; o продемонстрировано влияние концентрации метана в смеси с водородом, давления в камере, температуры синтеза и времени охлаждения подложки на качество монослоя графена, получаемого на поверхности медной фольги;
^ методом «pump-probe» спектроскопии в ИК диапазоне исследована динамика носителей заряда в графене при возбуждении как в высшие, так и в низшие (по сравнению с энергией кванта накачки) энергетические состояния зоны проводимости;
^ показано постоянство коэффициента поглощения в графене в широком диапазоне длин волн (от 2 ^м до 11 ^м);
^ продемонстрировано насыщение поглощения в графене в среднем инфракрасном диапазоне длин волн (на рабочей длине волны CO2 лазера - 10.51 ^м);
> получены результаты по усилению линейного оптического поглощения в графене в результате его совмещения с резонансными узкополосными отражательными структурами на основе одномерных фотонных кристаллов, изготовленных на подложке «кремний на изоляторе».
Практическая ценность
В ходе работы был оптимизирован процесс синтеза графена для получения образцов высокого качества и большой площади (более 2 см2), необходимых для экспериментального исследования их свойств с целью выявления разнообразных потенциальных применений в оптоэлектронике, нанофотонике или наноэлектронике.
Результаты исследований оптических свойств графена и экспериментов по реализации режима пассивной синхронизации мод, наглядно демонстрируют перспективность использования графена при создании лазеров со сверхкороткими импульсами.
Результаты сочетания фотонных кристаллов с графеном для усиления его оптического поглощения могут быть использованы в будущем для создания высокоэффективных фильтров с повышенным отношением сигнал/шум при регистрации сигналов в телекоммуникационных оптоволоконных сетях или для использования в качестве насыщающихся поглотителей для генерации ультракоротких импульсов при создании микролазеров с низкой интенсивностью излучения.
Личный вклад
Все образцы графена приготовлены автором лично.
Все экспериментальные измерения комбинационного рассеяния света, оптического поглощения света и отражения света выполнены автором лично.
Автор принимал непосредственное участие в экспериментах по измерению оптического пропускания графена в среднем инфракрасном диапазоне длин волн совместно с сотрудниками Физического института им. П.Н. Лебедева. Измерения насыщения поглощения в графене на длине волны 10.51 мкм проводились совместно с сотрудниками ИОФ им. А.М. Прохорова. Эксперименты по реализации режима самосинхронизации мод в волоконном лазере проводились совместно с сотрудниками ООО «Авеста-проект». Компьютерное моделирование структур фотонных кристаллов и их изготовление проводилось автором лично в рамках совместной аспирантуры с Лионским Институтом Нанотехнологий (Франция).
Выносимые на защиту положения
Метод химического газофазного осаждения имеет высокий потенциал для решения проблемы широкомасштабного производства высококачественной протяженной графеновой плёнки с необходимым числом слоёв, начиная с монослоя.
Совокупность методов спектроскопии комбинационного рассеяния света, спектроскопии оптического поглощения света и растровой электронной микроскопии позволяет получить подробную информацию о качестве графеновой плёнки.
При правильном подборе материала и его толщины возникает высокий контраст «графен-подложка», что значительно облегчает визуализацию графеновых образцов на диэлектрических подложках в оптическом микроскопе.
Фемтосекундное лазерное излучение приводит к фотовозбуждению в графене носителей заряда в энергетические состояния зоны проводимости как с меньшей, так и с большей энергией относительно энергии кванта возбуждения.
Графен является эффективным насыщающимся поглотителем для реализации режима пассивной самосинхронизации мод при генерации сверхкоротких импульсов в широком спектральном диапазоне.
Резонансные отражательные мембраны на основе одномерных фотонных кристаллов способны концентрировать электромагнитное поле вблизи себя, а при интегрировании с ними графена, линейное оптическое поглощение последнего усиливается вплоть до 20-ти раз.
Апробация работы
Основные результаты работы были представлены на 2х российских конференциях и на 10 международных конференциях в виде 2 устных докладов и 10 постерных докладов.
International Workshop "Nanocarbon Photonics and Optoelectronics", Polvijarvi (Finland), August 3-9, 2008.
5 th Bilateral Russian-French Workshop on Nanoscience and Nanotechnologies, Moscow (Russia), December 1-2, 2008.
XXIII International Winterschool on Electronic Properties of Novel Materials, Kirchberg (Austria), March 7-14, 2009.
III Международная молодежная школа «Современные проблемы лазерной физики», Москва (Россия), Ноябрь 9-11, 2009.
XXIV International Winterschool on Electronic Properties of Novel Materials, Kirchberg (Austria), March 7-14, 2010.
Конференция-конкурс молодых физиков России, Москва (Россия), Апрель 19, 2010
The second International Workshop "Nanocarbon Photonics and Optoelectronics", Polvijarvi (Finland), July 29 - August 4, 2010.
6th Bilateral Russian-French Workshop on Nanoscience and Nanotechnologies, Paris (France), September 13-15, 2010.
Третий международный форум по нанотехнологиям, «Rusnanoforum2010», Москва (Россия), Ноябрь 1-3, 2010.
A multidisciplinary and intersectorial European workshop on synthesis, characterization and technological exploitation of graphene, «GraphITA», Assergi (Italy), Май 13-15, 2011.
Третий международный форум по нанотехнологиям, «Rusnanotech2011», Москва (Россия), Октябрь 26-28, 2011.
XXVI International Winterschool on Electronic Properties of Novel Materials, Kirchberg (Austria), March 3-10, 2012.
Публикации
Основные результаты опубликованы в 17 работах: 6 статей в реферируемых журналах, входящих в список ВАК, и 11 тезисов конференций. Список публикаций приведен в конце автореферата.
Структура и объём работы
Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Общий объём работы составляет 106 страниц. Диссертация содержит 44 рисунка, 1 таблицу и список цитируемой литературы из 123 наименований.
