Исследование нелинейных оптических свойств кремниевых микроструктур и наноструктур: генерация второй и третьей гармоник тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Масталиева Виктория Анатольевна

• Масталиева Виктория Анатольевна
• кандидат наук
• 2025

Оглавление диссертации кандидат наук Масталиева Виктория Анатольевна

Оглавление

РЕФЕРАТ

SYNOPSIS

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1.АНАЛИЗ ЛИТЕРАТУРНЫХ ДАННЫХ ПО ИССЛЕДОВАНИЮ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С МИКРО- и НАНОСТРУКТУРАМИ ЗА СЧЁТ ГЕНЕРАЦИИ ТРЕТЬЕЙ И ВТОРОЙ ГАРМОНИК

1.1.Феноменологическое описание ГТГ и ГВГ гармоник: базовые положения

1.2.ГТГ и ГВГ в некремниевых наноструктурах (полупроводниковые А3В5, А2В6, металлические и др. структуры)

1.3.ГТГ и ГВГ в наноструктурах кремния и гибридных наноструктурах кремния/оксида кремния

1.4.Краткие выводы

ГЛАВА 2. НЕЛИНЕЙНЫЕ ОПТИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ ТРЕТЬЕГО И ВТОРОГО ПОРЯДКОВ В СТРУКТУРАХ НА ОСНОВЕ КРЕМНИЕВЫХ НИТЕВИДНЫХ МИКРО- И НАНОКРИСТАЛЛАХ

2.1.Формирование массива вертикально-ориентированных кремниевых НМК методом криогенного травления под маской полистирольных сфер

2.2.Метод переноса массива НМК и ННК в гибкую мембрану

2.3.Численное моделирование распределения интенсивности электрического поля для разных длин волн внутри одиночного НМК

2.4.Экспериментальное исследование генерации третьей оптической гармоники в кремниевых НМК в геометрии на пропускание

2.5.Сравнение экспериментальных данных и результатов численного моделирования процессов ГТГ

2.6.Исследование кристаллического качества НМК методом спектроскопии комбинационного рассеяния света

2. 7 .Краткие выводы

2.8.Формирование массива вертикально-ориентированных ННК "чёрного" кремния методом криогенного травления без использования маски

2.9.Экспериментальное исследование генерации второй гармоники в ННК в геометрии на отражение

2.10.Усиление сигнала генерации второй гармоники, обработанных лазерным излучением. Эффект активации

2.11.Исследование кристаллической структуры кремниевых ННК после отделения мембраны от ростовой подложки методом рентгенодифракционного анализа

2.12 .Краткие выводы

ГЛАВА 3. ГИБРИДНЫЕ ПОРИСТЫЕ Si/SiO2 НАНОСТРУКТУРЫ

3.1.Синтез сферических наночастиц на основе кремния

3.2.Экспериментальное исследование ГВГ в трёх видах мезопористых кремниевых наночастиц: Si, SiO2, Si/SiO2

3.3.Темнопольная микроскопия Si/SiO2 наночастиц

3.4.Линейная фотолюминесценция мезопористых Si/SiO2 наночастиц

3.5.Просвечивающая электронная микроскопия Si/SiO2 наночастиц

3.6.Численный расчёт зависимости ГВГ от мощности ИК лазерных импульсов в Si/SiO2 наночастицах

3.7.Сравнение экспериментальных данных и численных результатов

3. 8 .Краткие выводы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

СЛОВАРЬ ТЕРМИНОВ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ТЕКСТЫ ПУБЛИКАЦИЙ

РЕФЕРАТ Общая характеристика диссертации

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование нелинейных оптических свойств кремниевых микроструктур и наноструктур: генерация второй и третьей гармоник»

Актуальность темы

Кремний характеризуется разнообразными нелинейными оптическими эффектами, которые могут быть использованы для обработки оптических сигналов на скоростях 100 Гбит/с и выше, с высокой чувствительностью детектирования сигналов, что может быть использовано при разработке новых сенсорных устройств и для широкополосной электрооптической модуляции [1-2]. Структуры на основе кремния особенно привлекательны для использования в интегральной оптике из-за высокой совместимости с технологией комплементарных структур металл — оксид — полупроводник (КМОП), что позволяет объединить оптические элементы с электронными компонентами на одном чипе.

Диссертация посвящена исследованию генерации высших гармоник в 3 типах кремниевых структур: нитевидных микрокристаллах (НМК), нанокристаллах (ННК) и наночастицах (НЧ). Структуры однородного массива нитевидных кристаллов создавались плазмохимическим травлением кремниевой подложки, которые затем инкапсулировались в полимерную мембрану полидиметилсилоксана (ПДМС) и отделялись от подложки [3-4]. Такие мембраны, содержащие массив кремниевых нитевидных структур, продемонстрировали эффективное преобразование коротких импульсов инфракрасного (ИК) излучения в видимый диапазон за счет генерации второй (ГВГ) и третьей (ГТГ) гармоник. Проведенные исследования способствуют развитию технологии оптических устройств на основе кремния и представляют новый способ визуализации инфракрасного (ИК) излучения. Монодисперсные сферические НЧ SiO2 с низкой 15% пористостью были

получены путем гидролиза тетраэтоксисилана (ТЭОС). При их синтезе на структурообразующие (для формирования пор) агломераты цилиндрических мицелл бромида цетилтриметиламмония в спирто-водно-аммиачной среде осаждался из ТЭОС аморфный SiO2 [5]. Сферические мезопористые НЧ Si/SiO2 (мезо Si/SiO2 НЧ) были синтезированы в два этапа, на первом этапе аналогично описанному выше синтезировались 50% пористые SiO2 частицы, на втором этапе их поры заполнялись аморфным кремнием путем разложения моносилана [6].

Работа посвящена изучению фундаментальной проблемы нелинейных оптических свойств кремния и прикладной задаче создания оптических устройств на основе кремния. Разрабатываемые мембраны кремниевых НМК/ПДМС, ННК/ПДМС и НЧ среди множества возможных практических применений могут быть использованы для создания интегрированных на кремнии преобразователей света и визуализаторов ИК излучения.

Исследование преобразователей ИК излучения в видимый диапазон на основе кремниевых материалов мотивировано работами по ГТГ в объёме кремния и ГВГ на поверхности кремния. За последние годы различные группы исследователей опубликовали ряд работ по ГВГ кремния, касающихся не только ГВГ, но и усилению сигнала в фотонных кристаллах из кремния [7]. Также в литературе представлены работы, посвящённые ГВГ в кристаллах кремния (100) с обработанной поверхностью и встроенными наноструктурами серебра [8]. Отдельно рассматриваются вопросы локализации поля внутри кремниевых наноструктур, способствующей усилению ГВГ [9]. Однако все эти работы посвящены изучению кремния в планарном виде, либо с добавлением тех или иных материалов (например, металла - наноструктуры серебра).

Предложенные в данной диссертации подходы отличаются от аналогичных исследований как используемыми дополнительными материалами, так и методами диагностики. В представленных в литературе структурах как правило изучаются планарные резонаторы, изготовленные стандартными методами процессирования и паттернирования тонких плёнок, а ГВГ возникает главным образом в объёмном кремнии, в котором ключевой параметр диэлектрической восприимчивости %(2) возникает при приложении внешнего электрического поля или механического напряжения. В отличие от этого, в данной работе разработан и исследован массив вертикально ориентированных резонаторных структур, отделенных от подложки в прозрачной силиконовой мембране, а также мезопористые частицы с большой удельной поверхностью. Получение гибких устройств большой площади послужит новым этапом развития оптических устройств, расширяющая спектр возможностей структур, позволяющих визуализировать ИК-излучение в видимый диапазон.

На настоящий момент существуют другие работы по изготовлению мембран с кремниевыми нитевидными кристаллами [10-11], однако в литературе не был предложен метод формирования НМК или ННК кремния посредством травления с последующей инкапсуляцией в полимерную мембрану, отделенную от подложки для исследования нелинейно-оптических свойств кремниевых НМК или ННК.

В области исследования НЧ ранее были изучены новые методы их получения путём лазерной печати [12] или искровым разрядом [13], а также другими методами [14-15]. Проведены исследования эффективности ГВГ [16-17], однако контроль формируемой мезопористой поверхности не был исследован, особенно в контексте нелинейных оптических свойств.

Таким образом, изучение кремниевых наноструктур, эффективно генерирующих третью и, в особенности, вторую гармонику, мотивировано как задачами фундаментальной, так и прикладной науки.

Цель диссертационной работы заключалась в создании и исследовании гибких полупрозрачных структур, обладающих повышенной эффективностью и эксплуатационными (полупрозрачность, гибкость, устойчивость к внешним воздействиям) характеристиками и способных конвертировать короткие импульсы ИК излучения ближнего ИК диапазона в видимое излучение на утроенной частоте падающего излучения за счет эффекта ГТГ в объёме кремниевых НМК, а также преобразовывать ИК излучение с удвоенной частотой за счёт ГВГ на поверхности кремниевых ННК.

Для достижения данной цели в рамках диссертации были поставлены и решены следующие задачи. Основной задачей работы являлось исследование массивов кремниевых НМК и ННК и НЧ Si, SiO2 и Si/SiO2, в том числе нелинейных оптических свойств. Особое внимание уделено нескольким подзадачам:

- создание численной модели нелинейных свойств кремниевых НМК и процесса их взаимодействия с ИК излучением;

- инкапсуляция массива НМК и ННК в ПДМС;

- отработка методов отделения инкапсулированных мембран НМК/ПДМС и ННК/ПДМС;

- измерение сигналов генерации второй гармоники (ВГ) и третьей гармоники (ТГ) при возбуждении фемтосекундными лазерными импульсами ИК диапазона;

- изучение структур с помощью растровой электронной микроскопии (РЭМ), рентгеноструктурного анализа (РСА), ИК спектроскопии

пропускания, фотолюминесценции (ФЛ), спектроскопии комбинационного рассеяния света, рентгенодифракционного анализа;

- разработка конструкции полупрозрачных мембран и плёнок, содержащих кремниевые наноструктуры для приборных приложений в ИК спектральной области;

- исследование нелинейных оптических и материальных свойств. Объектом исследования выступают структуры кремниевых НМК, ННК

и НЧ.

Предмет исследования - исследование нелинейных оптических свойств гибких устройств на основе массива полупроводниковых соединений нитевидных нанокристаллов и кремниевых наночастиц. Методы исследования

1. Численное моделирование при помощи программных продуктов Comsol Multiphysics;

2. Метод получения НМК с помощью селективного плазмохимического травления в индуктивно-связанной плазме через микросферную маску полистирольных сфер и получения ННК кремния без использования маски;

3. Метод получения НЧ путём гидролиза тетраэтоксисилана (ТЭОС);

4. Метод термического разложения моносилана в мезопорах SiO2;

5. Метод инкапсуляции массива нитевидных нанокристаллов кремния в полимерные мембраны с помощью гравитационной накрутки;

6. РЭМ, просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ);

7. Метод рентгеноструктурного анализа (РСА);

8. Метод спектроскопии комбинационного рассеяния света;

9. Авторский метод инкапсуляции и срезания мембран кремниевых НМК/ПДМС и ННК/ПДМС от подложки с помощью микротомного лезвия;

10.ИК спектроскопия нелинейных свойств НМК, ННК и НЧ;

11. Фотолюминесценция;

12.Темнопольная микроскопия и спектроскопия;

13.Метод z - сканирования (построение трехмерных карт нелинейного отклика);

14. Исследование НЧ методами: адсорбционной азотной порометрии для определения пористости частиц

Научная новизна работы обусловлена тем, что исследованы и описаны механизмы усиления ГВГ в кремниевых структурах ННК и НЧ, связанные с изменением структуры под действием фемтосекундных лазерных импульсов, изучено изменение кристаллической фазы кремния в порах НЧ и показано влияние этого изменения на интенсивность ГВГ.

Был впервые разработан, создан и исследован отделенный от подложки массив вертикальных ННК кремния для задач нелинейной оптики и продемонстрировано влияние фемтосекундных импульсов лазерного ИК излучения на ННК и тем самым на увеличение интенсивности ГВГ. Было строго показано, что экспозиция под фемтосекундными лазерными импульсами выше пороговой мощности активации приводит к необратимому возрастанию интенсивности сигнала ГВГ.

Было впервые показано сравнение отжига НЧ, содержащих кремний, термическим методом и нагревом в результате поглощения лазерных импульсов и продемонстрировано влияние излучения на изменение

кристаллической фазы Si в порах НЧ Si/SiO2 с аморфной на нанокристалличе скую.

Теоретическая значимость работы

Полуфеноменологическая теория ГВГ в кремниевых материалах, развитая на настоящий момент, не объясняет до конца механизмов оптической нелинейности второго порядка в кремниевых структурах. Остается открытым вопрос появления этой нелинейности при совокупности трех основных факторов: нарушении кристаллической симметрии на интерфейсах; наличии встроенных полей, связанных с перераспределением электронной плотности; кристаллической структуры кремниевой фазы, при наличии примесей и дефектов. Поверхность кремния обладает специфическими отличными от объёмного кремния свойствами из-за нарушения кристаллической симметрии. В литературе имеются указания на эффективную ГВГ поверхности кремния из-за ненулевого тензора квадратичной нелинейной восприимчивости %(2), в то время как у объёмного кремния параметр %(2) равен нулю, что запрещает ГВГ.

В кремниевых ННК наблюдаются встроенные электрические поля, связанные в основном с поверхностными состояниями в энергетической структуре полупроводникового материала. Встроенные поля нарушают симметрию кристалла, что особенно заметно сказывается в центросимметричной структуре кремния. Это приводит к индуцированию параметра х(2) и возможности появления электроиндуцированной ГВГ (эффект ЭВГ, англ. EFISH). Поверхностные состояния и связанные с ними встроенные поля чувствительны к материальным свойствам поверхности кремния и внешним воздействиям, таким как лазерное излучение, что позволяет управлять процессами ГВГ путём модификации поверхности наноструктур кремния.

Нитевидные микро- и нанокристаллы, сферические НЧ могут обладать резонансными свойствами (резонансами типа Фабри-Перо или Ми) на длине волны падающего излучения и волны ТГ или ВГ. В определённом спектральном диапазоне, зависящем от эффективного показателя преломления материала ННК, НЧ и их размеров, может наблюдаться усиление сигнала ГВГ. Исследовательский интерес также представляет согласование оптических полей на частоте падающего излучения и ГВГ. В нитевидных кристаллах могут поддерживаться оптические моды типа Фабри-Перо, что также определяет вклад в увеличение нелинейного оптического отклика наноструктур.

Практическая значимость работы

Данное исследование совмещает передовые методы изготовления пленок полупроводниковых кристаллов и наночастиц для развития новой технологии преобразователей ИК излучения в видимый свет в структурах на основе кремния, а также направлено на важную прикладную задачу масштабирования изготовления гибких устройств на основе наночастиц кремния.

Продемонстрирован образец отделённого от подложки массива кремниевых нитевидных кристаллов большой площади (более 16 см2), необходимый для развития оптических устройств на кремнии. Массив кремниевых нитевидных кристаллов, инкапсулированный в гибкую полимерную мембрану, предоставляет технологическую платформу для разработки оптических и оптоэлектронных устройств таких как солнечные батареи, преобразователи света, фотонные кристаллы и т. д.

Результатом работы служат структуры на основе массива кремниевых НМК, ННК и НЧ, полученные спектральные характеристики третьей (в НМК) и второй гармоник (в ННК и НЧ), продемонстрировано

преобразование ИК излучения в видимый диапазон, обнаружен эффект "активации" ГВГ в ННК и в НЧ под действием лазерного пучка и предложено его объяснение.

Положения, выносимые на защиту

1. Массив монокристаллических кремниевых нитевидных микрокристаллов со средним диаметром 1,25 мкм и длиной 6,1 мкм, заключённый в полимерную мембрану полидиметилсилоксана, обеспечивает более эффективную генерацию третьей гармоники света в сравнении с объемным материалом кремния, что позволяет преобразовывать лазерное излучение длительностью 125 фс с частотой повторения 1 МГц и плотностью энергии в диапазоне 0,05 до 0,15 мДж/см2 в широком спектральном диапазоне длин волн падающего излучения от 1200 до 2000 нм за счёт согласования оптических собственных мод падающей волны возбуждающего излучения и волны третьей гармоники в микроструктурах.

2. Облучение массива кремниевых нитевидных нанокристаллов со средним диаметром 50 нм и длиной 1,1 мкм, заключённого в мембрану полидиметилсилоксана, в течение 10 мс лазерными импульсами длительностью 150 фс с частотой повторения 80 МГц на длине волны 920 нм с плотностью энергии в импульсе от 1,7 до 2,1 мДж/см2 обеспечивает необратимое возрастание интенсивности сигнала второй гармоники за счёт изменения структуры поверхностного слоя нитевидных нанокристаллов.

3. Воздействие в течение 10 мс лазерными импульсами длительностью 150 фс, частотой повторения 80 МГц, длиной волны 910 нм на мезопористые наночастицы Si/SiO2 диаметром 450 нм с пористостью 50% приводит к генерации второй гармоники и нелинейному широкополосному фотолюминесцентному отклику за счет превращения фазы кремния из аморфной в нанокристаллическую, при этом с ростом плотности энергии

излучения в импульсе с 3,7 до 7,5 мДж/см2 интенсивность нелинейного отклика необратимо возрастает.

Апробация результатов работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

- международная конференция ФизикА. 2021 г., Санкт-Петербург, Россия, 2021 г.;

- международная школа-конференция "Saint-Petersburg OPEN 2021", Санкт-Петербург, Россия, 2021;

- XXIII Всероссийская молодежная конференция по физике полупроводников и наноструктур, полупроводниковой опто- и наноэлектронике, Санкт-Петербург, Россия, 2021;

- международная школа-конференция "Saint-Petersburg OPEN 2023", Санкт-Петербург, Россия, 2023;

- Российская конференция и школа молодых учёных по актуальным проблемам полупроводниковой фотоэлектроники (с участием иностранных учёных), Новосибирск, Россия, 2023;

- XXVI Всероссийская конференция молодых учёных-химиков (с международным участием), Нижний Новгород, Россия, 2023;

- международная школа-конференция "Saint-Petersburg OPEN 2024", Санкт-Петербург, Россия, 2024;

- Российский форум "Микроэлектроника 2024"

Достоверность научных достижений, полученных результатов и выводов обуславливается использованием широкого спектра современных экспериментальных методов и оборудования, анализом применимости теоретических расчетов, используемых для обработки результатов измерений, согласованием измерений между собой (результаты экспериментальных измерений многократно воспроизводились для серии образцов), совпадением

с теоретическими расчетами и литературными данными, полученными другими авторами по тематике исследования.

Личный вклад автора

В основу диссертационной работы положены результаты научных исследований, проведенных автором в период с 2020 по 2024 г. Работа выполнена на базе СПбАУ РАН им. Ж.И. Алфёрова.

Личный вклад автора состоит в научном обосновании целей и постановке задач исследования, разработке методологии их решения, анализе и систематизации экспериментальных данных, выполнении всех этапов постростовой обработки и большинства диагностических экспериментов. Интерпретация теоретических и экспериментальных данных проведена лично автором или совместно с соавторами. Также вклад заключается в формулировке основных выводов работы. Все изложенные оригинальные результаты получены либо автором диссертации, либо при его непосредственном участии.

Публикаци

Результаты исследований по теме диссертации опубликованы в 8 реферируемых печатных изданиях, включенных в перечень ВАК и индексируемых базами данных Scopus, РИНЦ и Web of Science

Структура и объём диссертации

Диссертация состоит из введения, трёх глав, заключения, списка литературы из 198 наименований. Текст работы изложен на 263 страницах, содержит 39 формул, 63 рисунка, 3 таблицы.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулирована цель и поставлены задачи диссертационной работы, дана оценка научной и практической значимости, изложены основные положения работы, выносимые на защиту.

Первая глава работы "Анализ литературных данных по исследованию взаимодействия лазерного излучения с микро- и наноструктурами за счёт генерации третьей и второй гармоник" содержит обзор литературных данных по микро- и наноструктурам, генерирующим вторую и третью гармоники под воздействием лазерного излучения, обзор структур, не содержащих в своём составе кремний.

Первая глава содержит обзор литературных источников, касающихся теоретических и экспериментальных исследований кубического и квадратичного нелинейно-оптических откликов, а именно рассмотрено феноменологическое описание процессов генерации второй и третьей гармоник с классической и квантово-механической стороны, проведён анализ этих процессов в полупроводниковых, а также в металлических структурах и метаповерхностях. Отбираются и обосновываются основные параметры, лежащие в основе экспериментальных методик исследования нелинейных процессов в структурах, обосновывается актуальность исследования нелинейных оптических свойств Si как в разрезе фундаментальной физики, так и в области практических задач для создания оптических нелинейных устройств на основе кремния.

Вторая глава "Нелинейные оптические эффекты третьего и второго порядков в структурах на основе кремниевых нитевидных микро- и нанокристаллах" посвящена рассмотрению методов получения нитевидных

кристаллов с помощью плазмохимического травления как с использованием маски из полистирольных сфер - нитевидные микрокристаллы (НМК), так и нитевидных нанокристаллов (ННК), полученные без маски (ННК "чёрного" кремния), их переноса в гибкую полимерную мембрану, оптических и материальных свойств нитевидных кристаллов и наблюдению эффектов ГТГ и ГВГ гармоник под воздействием фемтосекундного ИК лазерного излучения.

В первом разделе второй главы представлены результаты исследования ГТГ в микросферных кремниевых НМК, а также сравнение теоретических и экспериментальных результатов исследования. Теоретическая часть посвящена численному моделированию распределения интенсивности электрического поля волноводных мод на разных длинах волн в диапазоне от 1000 до 2600 нм в одиночном НМК. Экспериментальная часть работы заключалась в исследовании спектрального отклика ГТГ как от массива, так и от одиночного НМК в диапазоне длин волн 1200-2000 нм.

Массив вертикально-ориентированных НМК кристаллического кремния были получены методом травления кремниевой подложки в индуктивно-связанной плазме с использованием микросферной маски. Подробно метод изложен в работах [18-19]. Процесс изготовления образцов начинался с нанесения тонкого слоя SiO2 на поверхность кремниевой подложки диаметром 4 дюйма. Далее на образец наносился монослой полистирольных микросфер диаметром 2 мкм с помощью метода центрифугирования из коллоида (спиннер). После нанесения монослоя микросфер, их размер уменьшался с помощью частичного травления в кислородной плазме до заданного размера (1,25 мкм). Таким образом, период будущего массива НМК определялся изначальным диаметром микросфер, а латеральный размер НМК задавался размером подтравденных микросфер. На

следующем технологическом шаге слой оксида удалялся в плазменной смеси CF4/O2 через микросферную маску. Таким образом, на поверхности подложки оставалась маска из оксида кремния, расположенного под полистирольными сферами. Затем методом криогенного травления в плазме смеси SF6/O2 были сформированы НМК необходимой длины (6,1 мкм), достаточной для интенсивной генерации гармоник объемом НМК. Следует отметить что неизбежное при длительном травлении отклонение НМК от цилиндрической формы (из-за латерального травления) было незначительным. Морфология полученного массива НМК изучалась методом РЭМ, результаты представлены на рисунке 1.

Рисунок 1 - РЭМ изображение массива микросферных НМК а) на исходной кремниевой подложке без слоя полимера; Ь) в полимере; с) фотография кремниевой подложки после отделения мембраны с НМК; d) фотография отделённой мембраны НМК/ПДМС

В ходе работы изучались образцы, состоящие из гибкого прозрачного полимера, НМК и поддерживающего слоя для обеспечения удобства отделения массива НМК от ростовой подложки. Были разработаны методы инкапсуляции массива НМК в мембрану ПДМС путём нанесения преполимерного геля с помощью высокоскоростной установки центрифугирования методом гравитационной накрутки.

Также были проведены исследования морфологии отделённых ПДМС мембран с НМК от кремниевой подложки методом РЭМ (рис. 1), численное

моделирование взаимодействия ИК излучения с НМК в диапазоне длин волн от 1000 до 2600 нм для определения оптимальных условий ГТГ, и экспериментальное исследование ГТГ спектроскопии на оптической установке, включающей в своем составе перестраиваемый импульсный фемтосекундный ИК лазер (рис. 2).

Рисунок 2 - a) Схема регистрации сигнала ГТГ от ПДМС мембраны с кремниевыми НМК; Ь) экспериментальная зависимость интенсивности ГТГ от длины волны возбуждения (синяя кривая) и соответствующая теоретическая зависимость оптической энергии, локализованной внутри одиночного кремниевого НМК (красная кривая). Вставка: оптическое изображение массива кремниевого НМК; одиночный НМК, отмеченный окружностью красного цвета; ^ численно рассчитанное распределение электромагнитного поля внутри НМК при облучении на длинах волн 1605, 1630 и 535 нм

Результаты моделирования показали, что узкие линии на теоретическом спектре ГТГ связаны с оптическим резонансом одиночного НМК (типа Фабри-Перо). Результаты моделирования распределения электромагнитной волны внутри кремниевого НМК длиной 6,1 мкм и диаметра поперечного сечения 1,25 мкм обосновывают экспериментальные результаты,

показывающие что длина волны возбуждения 1605 нм соответствует резонансной локализации падающей ИК волны и волны ГТГ и как результат экспериментально наблюдаемому максимуму ГТГ. При этом длине волна возбуждения 1630 нм харатеризуется слабой локализацией света, что соответствует минимуму ГТГ.

Частота следования импульсов 1 МГц была выбрана для достижения достаточно интенсивного нелинейного отклика от массива кремниевых НМК в ПДМС мембране. Спектральные измерения проводились в диапазоне длин волн возбуждения 1200-2000 нм с помощью оптико-параметрического усилителя (см. рис. 3). Сигнал собирался в геометрии пропускания объективом 100х, числовая апертура 0,9, в случае индивидуальных НМК и объективом 50х, числовая апертура 0,55, в случае группы НМК. Спектры ГТГ были измерены при фиксированной средней мощности возбуждения 3 мВт.

В ходе экспериментального исследования было показано, что НМК не демонстрируют ФЛ при возбуждении фс лазерными импульсами, связанную с процессами многофотонного поглощения, что обуславливает высокую эффективность ГТГ. Это подтверждается степенной зависимостью с показателем 2,97 на экспериментальных кривых интенсивности ТГ от энергии накачки ИК лазера в области генерации нелинейного оптического сигнала (рис. 3 с).

Длина волны (ни) Плотность знарсии (мД^см1)

Рисунок 3 - a) изображения визуализации ГТГ в мембране кремниевых НМК/ПДМС на различных длинах волн накачки; Ь) экспериментальная зависимость интенсивности ГТГ в диапазоне длин волн 1200 - 2000 нм. Вставка демонстрирует оптическое изображение массива кремниевых НМК в мембране; ^ зависимость интенсивности ГТГ от мощности накачки с соответствующими порядками нелинейности

В результате был получен эффективный сигнал ГТГ от массива микросферных Si НМК, заключенный в гибкую полимерную мембрану.

(3) —19 2 2

Высокая нелинейность материала Si ^ ~ 2,62 • 10 м /В и

резонансная локализация света внутри НМК обеспечивают интенсивный сигнал ТГ и эффективную визуализацию ИК излучения (1200 - 2000 нм) в видимый (400 - 666 нм) диапазон (рис. 3Ь). Изготовленные мембраны демонстрируют высокую гибкость и прозрачность, что делает их удобными для использования в качестве визуализаторов ИК излучения в сложных оптических схемах.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Масталиева Виктория Анатольевна, 2025 год

СПИСОК ИСТОЧНИКОВ

1. Han S.T., Peng H., Sun Q., Venkatesh S., Chung K.S., Lau S.C., Roy V.A.L. An overview of the development of flexible sensors // Advanced materials. 2017. V. 29(33). P. 1700375. https://doi.org/10.1002/adma.201700375

2. Fedorov V.V., Bolshakov A., Sergaeva O., Neplokh V., Markina D., Bruyere S., Mukhin I.S. Gallium phosphide

nanowires in a free-standing, flexible, and semitransparent membrane for large-scale infrared-to-visible light conversion // ACS nano. 2020. V. 14(8). P. 1062410632. https://doi.org/10.1021/acsnano.0c04872 3. Hoeh M.A., Neu J., Schmitt K., Rahm M. Optical tuning of ultra-thin, silicon-based flexible metamaterial

membranes in the terahertz regime // Optical Materials Express. 2015. V. 5(2). P. 408-415. https://doi.org/ 10.1364/OME.5.000408

4. Bhowmik G., An Y.Q., Schujman S., Diebold A.C., Huang M. Optical second harmonic generation from silicon (100) crystals with process tailored surface and embedded silver nanostructures for silicon nonlinear nanophotonics // Journal of Applied Physics. 2020. V. 128(16). P. 165106. https://doi.org/10.1063/5.0012529

5. Vyacheslavova E.A., Morozov I.A., Kudryashov D.A., Uvarov A.V., Baranov A.I., Maksimova A.A., Gudov-skikh A.S. Study of cryogenic unmasked etching of "Black Silicon" with Ar gas additives // ACS omega. 2022. V. 7(7). P. 6053-6057. https://doi.org/10.1021/ acsomega.1c06435

6. Schriever C., Bianco F., Cazzanelli M., Ghulinyan M., Eisenschmidt C., de Boor J., Schilling J. Second order optical nonlinearity in silicon waveguides: Inho-mogeneous stress and interfaces // Advanced Optical Materials. 2014. V. 3(1). P. 129-136. https://doi.org/ 10.1002/adom.201400370

7. Borghi M., Castellan C., Signorini S., Trenti A., Pavesi L. Nonlinear silicon photonics // J. Opt. 2017. V. 19. P. 093002. https://doi.org/10.1088/2040-8986/aa7a6d

8. Makarov S.V., Petrov M.I., Zywietz U., Milichko V., Zuev D., Lopanitsyna N., Kivshar Y.S. Efficient second-harmonic generation in nanocrystalline silicon nanoparticles // Nano letters. 2017. V. 17(5). P. 30473053. https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.7b00392

9. Cazzanelli M., Bianco F., Borga E., Pucker G., Ghulin-yan M., Degoli E., Pavesi L. Second-harmonic generation in silicon waveguides strained by silicon nitride // Nature materials. 2012. V. 11(2). P. 148-154. https:// doi.org/10.1038/nmat3200

10. Borghi M., Bazzanella D., Mancinelli M., Pavesi L. On the modeling of thermal and free carrier nonlin-earities in silicon-on-insulator microring resonators // Optics Express. 2021. V. 29(3) P. 4363-4377. https:// doi.org/10.1364/OE.413572

11. Borghi M., Biasi S., Pavesi L. Reservoir computing based on a silicon microring and time multiplexing for binary and analog operations // arXiv preprint arXiv:2101.01664. 2021

12. Franchi R., Castellan C., Ghulinyan M., Pavesi L. Second-harmonic generation in periodically poled silicon

waveguides with lateral pin junctions // Optics letters. 2020. V. 45(12). P. 3188-3191. https://doi.org/10.1364/ OL.391988

13. Vecchi C., Castellan C., Ghulinyan M., Bernard M., Pavesi L. Electric field-induced second harmonic generation in silicon waveguide by interdigitated contacts // Integrated photonics platforms: Fundamental research, manufacturing and applications. 2020. V. 11364. P. 113640L. https://doi.org/10.1117/12.2555308

14. Rudenko A., Ladutenko K., Makarov S., Itina T.E. Photogenerated free carrier induced symmetry breaking in spherical silicon nanoparticle // Advanced Optical Materials. 2018. V. 6(7). P. 1701153. https://doi. org/10.1002/adom.201701153

15. Bloembergen N., Chang R.K., Jha S.S., Lee C.H. Optical second-harmonic generation in reflection from media with inversion symmetry // Physical Review. 1968. V. 174(3). P. 813. https://doi.org/10.1103/ physrev.174.813

16. Kochetkov F.M., Neplokh V., Fedorov V.V., Bolshakov A.D., Sharov V.A., Eliseev I.E., Mukhin I.S. Fabrication and electrical study of large area free-standing membrane with embedded GaP NWs for flexible devices // Nanotechnology. 2020. V. 31(46). P. 46LT01. https://doi.org/10.1088/1361-6528/abae98

17. Nasibulin A.G., Ollikainen A., Anisimov A.S., Brown D.P., Pikhitsa P.V., Holopainen S., Kaup-pinen E.I. Integration of single-walled carbon nano-tubes into polymer films by thermo-compression // Chemical engineering journal. 2008. V. 136(2-3). P. 409-413. https://doi.org/10.1016/j.cej.2007.04.033

18. Bonse J., Brzezinka K.W., Meixner A.J. Modifying single-crystalline silicon by femtosecond laser pulses: an analysis by micro Raman spectroscopy, scanning laser microscopy and atomic force microscopy // Applied surface science. 2004. V. 221(1-4). P. 215-230. https://doi.org/10.1016/S0169-4332(03)00881-X

19. Hoh K., Koyama H., Uda K., Miura Y. Incorporation of oxygen into silicon during pulsed-laser irradiation // Japanese Journal of Applied Physics. 1980. V. 19(7). P. L375. https://doi.org/10.1143/JJAP.19.L375

20. Fomenko V., Lami J., Borguet E. Nonquadratic second-harmonic generation from semiconductor-oxide interfaces // Phys. Rev. 2001. V. 63. P. 121316. https://doi. org/10.1103/PhysRevB.63.121316

АВТОРЫ

Виктория Анатольевна Масталиева — аспирант СПбАУ РАН им. Ж.И. Алферова, младший научный сотрудник Лаборатории ФАП ФТИ им. А. Ф. Иоффе РАН, Санкт-Петербург, 194021, Россия; Scopus ID: 57220809068; https://orcid.org/ 0000-0002-6247-9868; [e-mail]

Неплох Владимир Владимирович — канд. физ.-мат. наук, старший научный сотрудник СПбАУ РАН им. Ж.И. Алферова, СПбПУ Петра Великого, Санкт-Петербург, 194021, Россия; Scopus ID: 56820288600; https://orcid.org/0000-0001-8158-0681; [e-mail]

Арсений Валерьевич Айбуш — канд. физ.-мат. наук, ведущий научный сотрудник Федерального исследовательского центра химической физики им. Н.Н. Семёнова РАН, Москва, 119991, Россия; Scopus ID: 57193427236; https://orcid.org/0000-0002-0496-9105; [e-mail]

Владимир Викторович Фёдоров — канд. физ.-мат. наук, старший научный сотрудник СПбАУ РАН им. Ж.И. Алферова, СПбПУ Петра Великого, Санкт-Петербург, 194021, Россия;

AUTHORS

Viktoriia A. Mastalieva — Postgraduate student of Al-ferov University RAS, Junior Researcher, FAP Laboratory, A.F. Ioffe FTI RAS, 194021, Saint-Petersburg, Russia; Scopus ID: 57220809068; https://orcid.org/0000-0002-6247-9868, [e-mail]

Vladimir V. Neplokh — PhD in Physics and Mathematics, Senior Researcher of Alferov University RAS, Peter the Great St. Petersburg Polytechnic University, 194021, Saint-Petersburg, Russia; Scopus ID: 56820288600; https://orcid.org/0000-0001-8158-0681; [e-mail]

Arseniy V. Aybush — PhD in Physics and Mathematics, Leading Researcher at the Federal Research Center for Chemical Physics named after N.N. Semenov RAS, 119991, Moscow, Russia; Scopus ID: 57193427236; https://orcid.org/0000-0002-0496-9105; [e-mail]

Vladimir V. Fedorov — PhD in Physics and Mathematics, Senior Researcher at SPbAU RAS, Peter the Great St. Petersburg Polytechnic University, 194021, Saint-Petersburg, Russia;

Scopus ID: 57061690000; https://orcid.org/0000-0001-5547-9387; [e-mail]

Анастасия Артуровна Якубова — аспирант СПбАУ РАН им. Ж.И. Алферова, Санкт-Петербург, 194021, Россия; Scopus ID: 58246550800; https://orcid.org/0000-0001-7226-0416; yakubova.nastya@bk. ru

Ольга Юрьевна Коваль — научный сотрудник Центра фотоники и двумерных материалов Московского физико-технического института, Москва, 141701, Россия; Scopus ID: 57204086198; https://orcid.org/0000-0002-1370-474X; [e-mail]

Александр Сергеевич Гудовских — доктор техн. наук, ведущий научный сотрудник СПбАУ РАН им. Ж.И. Алферова, Санкт-Петербург, 194021, Россия; Scopus ID: 6602958574; https://orcid.org/0000-0002-7632-3194; [e-mail]

Сергей Владимирович Макаров — доктор физ.-мат. наук, профессор, декан факультета фотоники ИТМО, главный научный сотрудник Физического факультета, руководитель лаборатории гибридной нанофотоники и оптоэлектроники, Санкт-Петербург, 197101, Россия; Scopus ID: 57205955669; https:// orcid.org/0000-0002-9257-6183; [e-mail] Иван Сергеевич Мухин — доктор физ.-мат. наук, профессор, заведующий лабораторией возобновляемых источников энергии СПбАУ РАН им. Ж.И. Алферова, директор Высшей инженерной физической школы СПбПУ, Санкт-Петербург, 194021, Россия; Scopus ID: 36761195300; https://orcid.org/0000-0001-9792-045X; [e-mail]

Scopus ID: 57061690000; https://orcid.org/0000-0001-5547-9387; [e-mail]

Anastasiya A. Yakubova — Postgraduate Student of Alferov University RAS, 194021, Saint-Petersburg, Russia; Scopus ID: 58246550800; https://orcid.org/0000-0001-7226-0416; [e-mail]

Olga Y. Koval — Researcher, Center for Photonics and Two-Dimensional Materials, Moscow Institute of Physics and Technology, 141701, Moscow, Russia; Scopus ID: 57204086198; https://orcid.org/0000-0002-1370-474X; [e-mail]

Alexander S. Gudovskikh — Dr.Sc. in Technical Sciences, Leading Researcher at SPbAU RAS named after. Zh.I. Alfero-va, 194021, Saint-Petersburg, Russia; Scopus ID: 6602958574; https://orcid.org/0000-0002-7632-3194; [e-mail]

Sergey V. Makarov — Dr.Sc. in Physics and Mathematics, Professor, Dean of the Faculty of Photonics at ITMO Univercity, Chief Researcher of the Faculty of Physics, Head of the Laboratory of Hybrid Nanophotonics and Optoelectronics, 197101, Saint-Petersburg, Russia; Scopus ID: 57205955669;https:// orcid.org/0000-0002-9257-6183; [e-mail] Ivan S. Mukhin — Dr.Sc. in Physics and Mathematics, Professor, Head of the Laboratory of Renewable Energy Sources of St. Petersburg SPbAU RAS named after. Zh.I. Alferova, Director of the Higher Engineering Physical School of St. Petersburg Polytechnic University, 194021, Saint- Petersburg, Russia; Scopus ID: 36761195300; https://orcid.org/0000-0001-9792-045X; [e-mail]

Статья поступила в редакцию 28.09.2023 Одобрена после рецензирования 20.11.2023 Принята к печати 29.12.2023

The article was submitted to the editorial office 28.09.2023 Approved after review 20.11.2023 Accepted for publication 29.12.2023