close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Взаимодействие интенсивного лазерного излучения с оптически резонансными кремниевыми наноструктурами

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
Макаров Сергей Владимирович
ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ИНТЕНСИВНОГО ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С
ОПТИЧЕСКИ РЕЗОНАНСНЫМИ КРЕМНИЕВЫМИ
НАНОСТРУКТУРАМИ
Специальность 01.04.05 – Оптика
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
доктора физико-математических наук
Санкт-Петербург – 2018
Общая характеристика работы
Диссертационная
работа
посвящена
одному
из
наиболее
активно
развивающихся направлений современной оптики – нанофотонике, которая
находит всё больше применений в областях сенсорики, телекоммуникациях,
фотовольтаики,
биомедицины,
фотокатализа,
и
многих
других.
В
большинстве применений нанофотоники решается задача создания и
развития средств локализации и управления светом на наномасштабе. На
этом пути, как известно, появился один из современных разделов оптики –
плазмоника [1]. Несколько лет назад было теоретически и экспериментально
показано [2,3], что кремниевые наночастицы также могут обладать
выраженными резонансами Ми, и, в отличие от металлических наночастиц,
обладают гораздо более низкими диссипативными потерями в видимом и
инфракрасном диапазонах длин волн. Вскоре стало ясно, что кремниевые
наночастицы могут послужить заменой металлическим в различных
фотонных устройствах, особенно в случаях, когда величина диссипативных
потерь является ключевым фактором, что отражено в недавних обзорах по
данной теме [4-6]. Более того, анализ литературы последних лет показывает
нарастающий интерес к новым нелинейно-оптическим и термо-оптическим
эффектам в объектах данного типа, вызванных воздействием на них
интенсивного оптического излучения. Также активно исследуются и
различные методы создания резонансных кремниевых наноструктур [7-8].
Таким образом, можно сделать вывод, что область исследований оптических
свойств резонансных кремниевых наноструктур, их взаимодействия с
интенсивным лазерным излучением, а также методов их создания, является
новой и актуальной.
Целью работы является экспериментальное исследование оптических
эффектов в резонансных кремниевых наноструктурах подвергающихся
интенсивному лазерному воздействию как в импульсном, так и в
непрерывном
режимах,
а
также
выявление
зависимости
эффектов
оптического нагрева, генерации оптических гармоник (второй и третьей),
фотолюминесценции и генерации электрон-дырочной плазмы от геометрии и
структурных свойств наночастиц.
Идея работы заключается в проведении исследований в рамках нового
направления
оптики
–
нелинейной
диэлектрической
нанофотоники.
Использование резонансных наноструктур на основе кремния для задач
эффективного преобразования частоты излучения, сверхбыстрой модуляции
оптического сигнала, эффективного оптического нагрева и нанотермометрии
позволит создавать оптические наноустройства для широкого класса задач
современной оптики.
Основные положения, выносимые на защиту:
1) Кристаллическое состояние наночастиц кремния, сформированных
при лазерной абляции тонкой пленки в воздухе и осажденной на стеклянную
подложку, решающим образом зависит от расстояния между пленкой и
подложкой, где для значений менее 10 мкм доминирует аморфное состояние,
в то время как для бόльших расстояний наблюдается преобладание
поликристаллической структуры.
2) Оптический нагрев сферической частицы кристаллического кремния
размером меньше половины длины волны падающего света видимого
диапазона максимален при возбуждении
магнитного квадрупольного
резонанса для случая расположения частицы на стеклянной подложке при
фиксированной мощности лазера.
3) Генерация второй оптической гармоники в видимом диапазоне от
одиночной резонансной кремниевой частицы субволнового размера с
поликристаллической структурой под действием фемтосекундных лазерных
импульсов
ближнего
инфракрасного
диапазона
происходит
с
эффективностью преобразования выше 10-6 .
4) Генерация ультрафиолета класса «С» с эффективностью конверсии
более 10-6 за счет утроения частоты падающего лазерного импульса ближнего
инфракрасного
диапазона
происходит
при
облучении
наноструктурированной кремниевой пленки, сформированной под действием
тех
же
лазерных
импульсов
с
плотностью
энергии
выше
порога
наноструктурирования.
5) При воздействии фемтосекундных лазерных импульсов ближнего
инфракрасного диапазона на резонансную субволновую частицу из кремния
происходит
фотолюминесценция
во
всём
видимом
диапазоне
с
эффективностью порядка 10-4, обусловленная резонансным многофотонным
поглощением.
наночастиц
Добавление
приводит
к
включений
золота
многократному
в
объем
повышению
кремниевых
эффективности
фотолюминесценции.
6)
При
воздействии
фемтосекундного
лазерного
импульса
на
резонансную кремниевую наночастицу наблюдается модуляция величины
рассеянной назад энергии до 20% за счет генерации в ней электроннодырочной плазмы.
Научная новизна работы состоит в том, что впервые исследованы и
описаны следующие эффекты:
-
показано, что в процессе
формирования
оптически резонансных
кристаллических наночастиц кремния при помощи метода фемтосекундной
лазерной печати из аморфных пленок кремния возможно управлять степенью
кристалличности наночастиц за счет изменения расстояния между пленкой и
подложкой для осаждения.
-
обнаружен
высокоэффективный
оптический
нагрев
резонансной
кремниевой наночастицы под действием непрерывного лазерного излучения,
температуру которой можно измерить при помощи анализа спектра
комбинационного рассеяния, получаемого в процессе нагрева наночастицы.
- обнаружено многократное усиление сигнала второй гармоники от
кремниевых частиц, возбуждаемых инфракрасными фемтосекундными
лазерными импульсами, по сравнению с ровной пленкой, из которой они
были получены, за счет возбуждения в наночастицах резонансов как на
длинах волн падающего, так и преобразованного излучения, а также за счет
поликристаллической структуры наночастиц.
- продемонстрировано возникновение кремниевой метаповерхности с
самоподстраивающимся
оптическим
резонансом
под
длину
волны
создающего ее фемтосекундного лазера за счет эффекта деформации
поверхности пленки кремния с положительной обратной связью.
- обнаружена широкополосная (во всем видимом и части ближнего
инфракрасного диапазона) фотолюминесценция от наночастиц из кремния и
из кремния с золотом под действием инфракрасных фемтосекундных
лазерных импульсов.
- обнаружена перестройка оптических резонансов в кремниевой наночастице
под действием высокоинтенсивного фемтосекундного лазерного импульса,
приводящего
к
генерации
плотной
электрон-дырочной
плазмы
в
наночастице.
Практическая значимость полученных результатов заключается в
следующем:
- существенно упрощен метод лазерной печати оптически резонансных
наночастиц кремния с управляемой степенью кристалличности за счет
предложенного использования тонких пленок аморфного кремния вместо
ранее используемых кристаллических мишеней.
- предложен упрощенный метод создания кремниевых метаповерхностей,
позволяющих генерировать когерентное излучение в ультрафиолетовом
диапазоне класса «С» с относительно высокой средней мощностью по
сравнению с плазмонными аналогами. Ранее использовались дорогостоящие
методы нанолитографии.
-
предложенное использование резонансных
кремниевых наночастиц
существенно ускоряет процедуру нанотермометрии во время их оптического
нагрева за счет возможности измерения спектров комбинационного
рассеяния, индуцированного греющим лазерным излучением. Ранее для
оптического нагрева использовались металлические наночастицы, для
нанотермометрии которых затруднена из-за отсутствия эффективного
термочувствительного оптического отклика у металлов.
- использование резонансных кремниевых наночастиц с оптимизированной
кристаллической структурой позволяет достичь эффективности генерации
второй гармоники на порядки более высокой, чем от металлических
наночастиц, без использования более дорогостоящих материалов без центра
инверсии в ячейке кристаллической решетки (например, GaAs).
- на основе обнаруженного эффекта широкополосной фотолюминесценции
от золото-кремниевых наночастиц создан ближнепольный оптический
микроскоп «белого света», позволяющий проводить характеризацию
оптических свойств всевозможных наноструктур в широком диапазоне длин
волн единовременно вместо многократного проведения сканирований в
более узких спектральных диапазонах, как делалось ранее с использованим
стандартных методик.
- на основе обнаруженного эффекта сверхбыстрой перестройки оптических
сввойств кремниевой наноантенны экспериментально достигнута модуляция
оптического сигнала до двадцати процентов с характерной скоростью
несколько пикосекунд, что превышает скорости модуляции сигналов в самых
современных электронных транзисторах.
Достоверность полученных результатов обеспечена применением
современных
методов
исследования,
использованием
оборудования,
обеспечивающего необходимую чувствительность и точность эксперимента,
а также согласием полученных экспериментальных результатов с выводами
теоретических
моделей.
Воспроизводимость
полученных
результатов
подтверждается проведением измерений на сериях образцов с близкими
критическими параметрами и сопоставлением полученных результатов там,
где это возможно, с результатами других публикаций.
Апробация работы. Результаты работы неоднократно докладывались
соискателем в виде устных докладов на российских и международных
конференциях:
“International conference on Nanophotonics, Metamaterials and Photovoltaics”
(27.01 – 03.02.2018, Сантьяго Де Куба, Куба); Международная конференция
“Fundamental Laser-Assisted Micro- and Nanotechnologies” (27.06-01.07 2016,
Санкт-Петербург, Россия); Международная конференция “State-of-the-art
Trends of Scientific Research of Artificial and Natural Nanoobjects” (2529.04.2016, Санкт-Петербург, Россия); “The 34th Progress In Electromagnetics
Research Symposium” (12-15.08, 2013 2013, Стокгольм, Шведция); “Advanced
Laser Technologies ALT'11” (2011, Варна, Болгария); “The International
Conference on Coherent and Nonlinear Optics/The Lasers, Applications, and
Technologies ICONO/LAT-2013” (2013, Москва, Россия); “Days on Diffraction”
(2015, Санкт-Петербург, Россия); “Metamaterials-16” (2016, Крит, Греция);
“The 36th Progress In Electromagnetics Research Symposium PIERS’15” (2015,
Прага, Чехия); METANANO-16 (2016, Анапа, Россия); “The 38th Progress In
Electromagnetics Research Symposium PIERS’17” (2017, Санкт-Петербург,
Россия); METANANO-17 (2017, Владивосток, Россия), а также на 13ой
Всероссийской
конференции
“Физико-химические
проблемы
возобновляемой энергетики” (2017, ФТИ им. Иоффе, Санкт Петербург,
Россия).
Результаты,
представленные
в
диссертационной
работе,
также
докладывались автором на научных семинарах Университета ИТМО
(многократно), Физического института им. П.Н. Лебедева (многократно),
Московского Государственного Университета им. М.В. Ломоносова (2014,
2015), Московского Физико-Технического Института (2016), The University
of Texas at Austin (США, 2016), The University of Texas at Dallas (США, 2017),
The Univeristy of Virginia (США, 2016), City University of New York (США,
2016), Aalto Univeristy (Финляндия, 2016), City University of Hong-Kong
(Китай, 2017), Chalmers University (Швеция, 2017).
Публикации.
Представленные
в
диссертации
результаты
опубликованы в 33 работах, рекомендуемых ВАК для публикации основных
результатов диссертационных работ, в том числе 23 статьях в реферируемых
журналах, 10 публикаций в трудах конференций. Список публикаций автора,
относящихся к теме диссертации, приведен в конце автореферата к
диссертации. Всего соискатель является автором более 130 работ в
международных научных изданиях согласно базе Scopus, более 70 из
которых опубликованы в рецензируемых журналах.
Личный вклад автора. Диссертационная работа является результатом
многолетней работы автора в области взаимодействия лазерного излучения с
веществом и резонансными наноструктурами. Лично автором или при его
непосредственном участии было инициированы большинство описанных в
диссертации экспериментов, сформулированы цели и задачи исследований,
подготовлено
большинство
экспериментальных
образцов,
проведены
измерения, расчеты и анализ полученных данных, сделаны заключительные
выводы, сделан определяющий вклад в написание статей.
Структура и объем диссертации. Диссертация включает введение,
пять глав, заключение, списки авторской и цитированной литературы.
Диссертация состоит из 220 страниц и 70 рисунков. Библиография
цитированной литературы включает 246 наименования.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во Введении обоснована актуальность темы исследований, сформулированы
цель и научная новизна работы, перечислены основные положения,
выносимые на защиту.
Первая глава представляет собой детальный анализ литературных данных
по исследованию взаимодействия интенсивного лазерного излучения с
оптически резонансными диэлектрическими наноструктурами, а также
представлено сравнение наблюдаемых эффектов со случаями взаимодействия
с
металлическими
и
метал-диэлектрическими
наноструктурами.
В
заключении к первой главе сделаны выводы о том, что данные свойства
кремния являются практически неисследованными в случае, когда он
представляет собой оптически резонансные наночастицы. Также дан обзор
по современным методам нанофабрикации кремниевых наноструктур, на
основе
которого
эффективного
показано,
метода
что
создания
необходимо
резонансных
развитие
наночастиц
простого
и
кремния
с
управляемой кристалличностью.
Вторая
глава
посвящена
взаимодействию
интенсивных
фемтосекундных лазерных импульсов с тонкими пленками в режиме
превышения порога абляции для создания резонансных кремниевых
наночастиц с управляемой кристалличностью. Данная глава является
основополагающей для большинства результатов диссертационной работы,
так как в ней описываются принципы создания используемых в ней
резонансных кремниевых наночастиц.
(а)
(б)
Рис. 1: (а) схематическое изображение процесса лазерной печати наночастиц. (б)
Оптическое изображение кремниевых наночастиц в темном поле, напечатанных лазером
на расстоянии 5 мкм между донорной и принимающей подложками.
Схема лазерной печати наночастиц показана на Рис.1а. Для создания
наночастиц
использовалась
пленка
аморфного
гидрогенезированного
кремния (a-Si:H) с концентрацией водорода около 10%. Перенос наночастиц
происходит с одной подложки на другую в области фокусировки лазерного
импульса. При наиболее оптимальных условиях для лазерной печати
лазерный импульс имеет длительность около 100 фс, длину волны на
максимуме 800 нм, сфокусирован в пятно размером около нескольких
микрон, обладая при этом энергией около 10 нДж. Лучшая точность
позиционирования наночастиц достигается при наименьших зазорах между
подложками. На Рис.1б показан пример напечатанного массива наночастиц
кремния, полученного при расстоянии 5 мкм межу подложками. В работе
показано, что с ростом расстояния происходит разупорядочение наночастиц
вплоть до полностью случайного их расположения для дистанций более 30
мкм.
В секции 2.1 проведены исследования пленок кремния и наночастиц
при
помощи
метода
спектроскопии
комбинационного
рассеяния
(рамановского рассеяния). Аморфное состояние пленки подтверждается из
наблюдаемого пика с центром около 480 см-1. Отдельные наночастицы,
напечатанные при больших дистанциях между подложками, имеют узкие
пики при частоте 520 см-1 (Рис. 2а), что соответствует кристаллической
структуре кремния. Более детальный анализ зависимости кристаллического
состояния наночастиц от величины зазора приведен в секции 2.2. Результаты
комбинационного
рассеяния
хорошо
согласуются
с
параметрами
изготовленных наночастиц определенными по средствам просвечивающей
электронной микроскопии.
Рис. 2: (а) Экспериментальные спектры комбинационного рассеяния света от отдельной
наночастицы с диаметром около к 170 нм (черный), пленки а-Si: H (серый), и пластины
кристаллического кремния (красный). Экспериментальные (б) и теоретические (в)
спектры рассеяния наночастиц кремния разных радиусов (снизу вверх): 55 нм, 65 нм , 68
нм , 72 нм , 85 нм, 92 нм. (г-д) Расчетные распределения ближнего электрического поля в
кремниевых наночастицах на магнитном (г) и электрическом (д) дипольном резонансах.
Линейные оптические
свойства
полученных
кремниевых
детально
наночастиц
исследуются
в
секции 2.1, где при помощи
метода
конфокальной
темнопольной микроскопии
изучены спектры упругого
рассеяния
белого
света
(Рис.2б).
Полученные
спектры
хорошо
Рис. 3: Экспериментальная (черные точки) и
теоретическая (штриховые кривые) зависимости
описываются при помощи
коэффициента
решения
рассеяния
уравнений
Максвелла в интегральной
форме методом конечного
интегрирования
при
усиления
света
от
для
комбинационного
сферических
наночастиц
кремния и их диаметра D, нормированного на
длину волны в кремнии λSi .
заданных
граничных
условиях
(реализовано
в
программе CST Microwave Studio), что показано на рисунке 5в. Данное
моделирование
позволяет
также
проводить
построение
ближнего
электрического поля на различных длинах волн (Рис.5г,д).
Полученные в главе 2 результаты впервые показали возможность
лазерной печати кристаллических наночастиц из аморфных пленок, что
существенно
упрощает
данный
метод.
Это
позволяет
наносить
кристаллические наночастицы на любые поверхности и дизайны без
дополнительного отжига.
Третья глава посвящена взаимодействию непрерывного излучения с
кремниевыми наночастицами в режиме их сильного оптического нагрева.
Для
диагностики
нагрева
диэлектрических
наночастиц
предложено
использовать термочувствительные фононные моды. Однако из-за низкой
эффективности комбинационного рассеяния данный метод затруднен, требуя
длительного накопления сигнала.
В секции 3.1 данная проблема решается за счет возбуждения
резонансов Ми в кремниевых наночастицах, которые позволили усиливать
сигнал на два порядка по сравнению с нерезонансным случаем.
Измерения сигналов комбинационного
рассеяния от отдельных
наночастиц демонстрируют сильную зависимость от их размера (Рис. 3).
Такая зависимость для возбуждающего света на длине волны λ=633 нм
демонстрирует максимум комбинационного рассеяния для наночастиц с
диаметром D=155 нм, при котором возбуждается магнитно-дипольная мода
на этой длине волны. Максимальное значение коэффициента усиления
(Enhancement factor, EF) для наночастиц с магнитно-дипольной модой по
сравнению с наночастицами с диаметром D=125 нм и D=175 нм составляет
около EF~140. Расчет EF из экспериментальных данных производится по
формуле: EF = (I / Inorm)×(Vnorm / V), где I – это сигнал комбинационного
рассеяния от исследуемой наночастицы с известным диаметром и объемом V,
Inorm – сигнал комбинационного рассеяния с от наночастицы (D=135 нм)
известного объема Vnorm на который производится нормировка.
Экспериментальные данные для стоксового сигнала комбинационного
рассеяния (IS), усиливаемого одиночным резонансом Ми в сферической
наночастице, могут быть описаны при помощи следующего выражения:
 4
 (0 ) ≈  ( ) |

(
2
 
2
2
0 +) −
| ,
(1)
где sn – коэффициент Ми, χs – Рамановская восприимчивость, V – объем
частицы, ωs – частота стоксового фотона, γ – ширина резонанса Ми на
частоте ω0, на котором происходит усиление, c – скорость света в вакууме.
Важным
результатом
оптимизированных
режимов
секции
3.1
воздействия
является
установление
непрерывным
лазерным
излучением на резонансные наночастицы кремния, при которых время
регистрации сигнала комбинационного рассеяния удалось снизить до единиц
секунд. Данные результаты были использованы в секции 3.2, где
исследовался
оптический
нагрев
и
рамановская
нанотермометрия
кремниевых частиц.
Принцип рамановской нанотермометрии основан на зависимости
положения линий частот в фононном спектре от температуры [9]. Для
кремния частота оптического фонона (Ω), ответственная за комбинационный
сигнал, зависит от температуры как
Ω() = Ω0 +  (1 +
2
3
3
) +  (1 +  −1 + ( −1)2 ) ,
(2)
  −1
где Ω0 = 528 см-1, A = -2,96 см-1, B = -0,174 см-1, x = hΩ0 = 2kT; y = hΩ0/3kT, h
– постоянная Планка. Числовые
значения
приведены
для
кристаллического кремния [10].
Действительно,
метод
данный
термометрии
позволил
экспериментально
выявить
сильный нагрев на резонансах Ми
в
кристаллических
кремниевых
наночастицах, как показано на
Рис. 4: Экспериментальные (красные круги)
и численные расчеты (сплошные линии)
оптического
нагрева
сферических
Рис.4. Примечательно, что на Ми
кремниевых (красных) и золотых (синих)
резонансах
наночастиц на длине волны λ = 633 нм и
магнитного
типа
нагрев на порядок сильнее, чем на
интенсивности света I = 2 мВт/мкм2.
резонансах электрического типа в силу большего эффективного объема мод
первых. Более того, теоретическое сравнение с нагревом золотых частиц
сферической формы показал, что кремниевые сферы более эффективны на
длинах волн больше 600 нм.
Четвертая
глава
посвящена
взаимодействию
фемтосекундных
лазерных импульсов с наноструктурами на основе кремния в режиме
преобразования частоты лазерного излучения.
В секции 4.1 рассматривается процесс генерации второй гармоники в
кремниевых наночастицах. Следует отметить, что для генерации второй
гармоники ранее использовались лишь резонансные наноструктуры на
основе полупроводников III-V групп [11], в то время как кремний считался
бесперспективным в данной области из-за очень слабой нелинейности
второго
порядка
в
дипольном
приближении,
связанной
с
центросимметричной кристаллической структурой материала. Тем не менее,
нарушение симметрии в кремнии возможно через разные механизмы [12].
(а)
(б)
Рис. 5: (а) Экспериментальные спектры второй гармоники от кремниевой наночастицы
диаметром 350 нм и пленки a-Si: H толщиной 50 нм при интенсивности 30 ГВт/см2. (б)
Измеренная эффективность генерации второй гармоники для наночастицы Si диаметром
350 нм.
Изготовленные
при
помощи
лазерной
печати
наночастицы
Si
демонстрируют выраженный эффект генерации второй гармоники. На
рисунке 5a показан типичный спектр второй гармоники иттербиевого лазера
(длина волны возбуждения 1050 нм) с резким пиком на длине волны 525 нм.
Интенсивность второй гармоники квадратично зависит от интенсивности
накачки (рисунок 5б). Примечательно, что генерируемый сигнал от
наночастицы Si с размером 350 нм более чем на два порядка сильнее при
фиксированной фокусировке объективом ×10, чем от донорной пленки aSi:H, толщина которой 50 нм, при одинаковых интенсивностях (I ≈ 30
ГВт/см2), что показано на рисунке 3a.
Максимальная эффективность преобразования составляет около 1,5 ×
10-6 при интенсивности I ≈ 30 ГВт/см2, это на несколько порядков больше,
чем при соответствующих значениях для плазмонных [13] и кремниевых
нанокристаллов [14], тогда как объем исследуемых кремниевых наночастиц
на несколько порядков меньше, чем у фотонных кристаллов с сопоставимой
эффективностью [15].
В диссертационной работе установлено, что причиной таких высоких
значений эффективности преобразования во вторую гармонику являются два
основных механизма. Первый – поликристаллическая структура наночастиц,
которая отчетливо видна на рисунке 5a. Напечатанные лазером наночастицы
имеют развитую сеть границ раздела между различными кристаллическими
зернами, приводящих к появлению нелинейного оптического отклика
второго порядка из-за локального нарушения симметрии [12]. Второй
эффект, способствующий усилению ГВГ, связан с возбуждением резонансов
типа Ми в наночастицах кремния, т.е. за счет вкладов усиления локального
электрического поля на частоте накачки и улучшенным выводом излучения
на удвоенной частоте.
Чтобы доказать эти два физических механизма усиления второй
гармоники, проведено численное моделирование на всех длинах волн для
сферической кремниевой наночастицы на подложке из аморфного кварца
(как показано схематически на рисунке 6б), используя модель, построенную
на основе программы COMSOL Multiphysics.
(а)
(б)
(в)
(г)
Рис.6: (а) Теоретически рассчитанная энергия электрического поля внутри кремниевой
наночастицы при освещении на длинах волн накачки (красная пунктирная кривая) и
второй
гармоники
(зеленая
сплошная
кривая).
(б)
Теоретически
рассчитанные
распределения нормированного электрического поля для кремниевых наночастиц разных
размеров, соответствующих магнитному дипольному резонансу m0, возбужденному на
длине волны накачки и двум Ми-резонансам более высокого порядка m1 и m2 на длине
волны второй гармоники. (в) Экспериментальные (точки) и численно рассчитанные
(сплошная кривая) интенсивности второй гармоники от отдельных кремниевых
наночастиц с различными диаметрами. (г) Поляризация второй гармонике (зеленые) по
отношению к поляризации падающей волны (красные): экспериментальные (точки) и
численно смоделированные (кривая) для наночастиц с радиусами 310 нм.
На рисунке 6а показан многорезонансный характер расчетной
зависимости энергии электрического поля, накопленной внутри кремниевых
наночастицах с различными диаметрами под воздействием плоской волны с
длиной волны накачки и второй гармоники. Распределения электрического
поля на резонансах m1 и m2, изображенные на рисунке 6б, демонстрируют
хорошее пространственное перекрытие с основной модой m0. Такое
спектральное
и
пространственное
перекрытие
мод,
поддерживаемое
наночастицами, может привести к многократному повышению выхода ВГ по
сравнению с нерезонансным случаем (Рис. 6в). Примечательно, что только
учет вклада генерации гармоник от межзеренных границ позволяет описать
наблюдаемую экспериментально поляризационную зависимость второй
гармоники (Рис. 6г).
Генерация третьей гармоники от резонансных кремниевых наночастиц
также является темой активных исследований, развитие которой было
положено в 2014 году [16]. В секции 4.2 обсуждается новый принцип
создания
«самоподстраивающейся»
метаповерхности
для
усиленной
генерации третьей оптической гармоники, что является новым шагом в
развитии данной области.
В диссертационной работе предложен новый метод повышения
эффективности генерации высокоинтенсивных ультрафиолетовых импульсов
сверхкороткой
длительности
посредством
лазерного
индуцированного
самоорганизованного наноструктурирования тонкой пленки аморфного
кремния. Резонансный отклик изготовленных метаповерхностей достигается
при определенной толщине пленки, когда падающие лазерные импульсы
могут возбуждать волноводный режим, интерферирующий с падающим
полем, что приводит к формированию стоячей волны внутри пленки,
сверхбыстрому периодическому нагреву и итоговой деформации пленки в
виде упорядоченных максимумов. Данный подход обеспечивает резонансный
оптический отклик метаповерхности на длине волны накачки и хороший
теплоотвод при генерации третьей гармоники. Таким образом, полученная
метаповерхность всегда самонастраивается для обеспечения максимального
вложения энергии для используемой длины волны лазера, что позволяет
изготовить метаповерхность и генерировать УФ-импульсы из нее, используя
точно
такую
же
«самоподстройку».
Полученная
метаповерхность
демонстрирует 30-кратное увеличение эффективности генерации третьей
гармоники по сравнению с более толстыми нерезонансными пленками
аморфного кремния и 2.5-кратным усилением по сравнению с исходной
пленкой, поддерживающей резонанс Фабри-Перо (Рис.7). Предлагаемый
метод позволяет применять высокие интенсивности (до 80 ГВт/см2) для
эффективного генерации глубоких импульсов УФ-излучения.
(г)
(в)
(б)
(а)
Рис.7: Экспериментальные (а) и теоретические (б) спектры отражения исходной (черной
кривой) и наноструктурные (красные кривые) пленки Si с толщиной 100 нм на подложке
из плавленого кварца. Стрелки на рисунках (а) и (б) указывают на положение оптических
Фабри-Перо
резонансов.
Численно
рассчитанное
нормированное
распределение
напряженности поля вблизи исходных (в) и наноструктурированных (г) кремниевых
пленок толщиной 100 нм на подложке из плавленого кварца.
Помимо генерации гармоник в кремнии возможно и многофотонное
поглощение, приводящее к излучательной и безызлучательной релаксации
фотовозбужденных электронов. В секции 4.3 представлены результаты по
изучению эффекта фотолюминесценции от кремниевых и золото-кремниевых
наночастиц. Вторые созданы при помощи лазерной абляции тонких пленок,
представляющих собой два слоя: золотой (15 нм) и кремниевый (90 нм).
Обнаружено
резкое
увеличение
эффективности
наноразмерного
источника белого света за счет введения золота (Au) в наночастицу Si,
создающих новый тип гибридной наночастицы металл-диэлектрический.
Предполагается, что золотые включения играют решающую роль в
продемонстрированных характеристиках источника белого света, поскольку
они повышают эффективность фотовозбуждения излучателя на основе
кремния на порядок, делая ее порядка 0.1% за счет улучшения поглощения
света и фотоинжекции горячих электронов и дырок в активный материал.
На рисунке 8 приведены основные свойства гибридных наночастиц
Si/Au, выявляющие островковую структуру золотой части (как показано на
изображении электронной микроскопии).
(а)
(б)
Рис. 8: (a) Изображение TEM и состав элементов гибридной наночастицы размером 150
нм, показанной в цветах, соответствующих Au (желтый) и Si (синий). (б) Измеренные
спектры фотолюминесценции из наночастицы Si / Au (красная кривая), наночастицы Au
(зеленая кривая), наночастицы кремния (синяя кривая) и двухслойного a-Si:H/Au с
толщиной 15 нм / 15 нм (черная кривая) при 50 ГВт/см2, спектр фемтосекундных лазерных
импульсов возбуждения (зеленая кривая).
На рисунке 8б сравниваются спектры излучения из разных материалов
и структур при облучении фемтосекундными лазерными импульсами (λ =
1050 нм или 1.18 эВ, τ = 150 фс) с интенсивностью 50 ГВт/см2. Наночастицы
Au, а также пленка Au/Si демонстрируют только слабый сигнал генерации
второй гармоники около 525 нм. Относительно слабый узкополосный сигнал
фотолюминесценции с пиком на 650 нм наблюдается лишь из пленок a-Si:H,
что вызвано прямыми межзонными переходами на 1.8 эВ. Однако спектр
фотолюминесценции
пленки a-Si:H становится значительно шире и
интенсивнее после лазерного отжига. Еще более высокий сигнал достигается
из частицы кремния с диаметром около 300 нм, изготовленной при помощи
лазерной печати из пленки a-Si:H толщиной 50 нм. Наконец, спектр
наночастицы кремния с добавлением золота, изготовленной из двухслойной
пленки 15/60 нм Au/Si оказывается самым сильным и охватывает весь
видимый спектр с характерной эмиссией белого цвета (Рис. 9а). Оценка
эффективности широкополосной фотолюминесценции из Au/Si наночастиц
дает значения как минимум в 20 раз выше, чем для наночастиц чистого
кремния
с
учетом
объема
наночастиц.
Полученные
максимальные
эффективности генерации белого света составляют примерно 0.1%. Данного
значения достаточно для реализации широкополосной ближнеполной
микроскопии.
На
рисунке
функционализированный
широкополосным
9б
показан
гибридной
спектром
наконечник
наночастицей,
фотолюминесценции
кантилевера,
обладающей
при
возбуждении
внешняя
эффективность
фемтосекундным инфракрасным лазером.
Рис.9:
(а)
Измеренная
интегральная
по
спектру
фотолюминесценции из гибридной наночастицы
при различных интенсивностях
возбуждения. На вставке показано, что яркость гибридной наночастицы (в самом центре),
облученной фокусированным (10× объективом) пучком фемтосекундного лазера, намного
выше по сравнению с сигналом рассеяния от аналогичных соседних наночастиц,
возбуждаемых белым светом от галогеновой лампы мощностью 5 Вт, сфокусированным
на объектах при наклонном падении (65 угол падения, конфигурация темного поля). (б)
СЭМ-изображение наконечника кантилевера, функционализированного наночастицей
Si/Au, для широкополосной оптической наноспектроскопии.
Пятая глава посвящена экспериментальному и теоретическому
исследованию взаимодействия фемтосекундных лазерных импульсов с
резонансными кремниевыми наночастицами в режиме, когда происходит
интенсивная генерация электрон-дырочной плазмы и ярко выраженными
становятся
такие
нелинейно-оптические
эффекты,
как
сверхбыстрая
перестройка оптических свойств.
В секции 5.1 исследуется зависимость модуляции оптических свойств
в одиночной кремниевой наноантенне. В первую очередь, была исследована
зависимость
изменения
диэлектрической
проницаемости
кремния
от
плотности электрон-дырочной плазмы (ρeh) [17,18]:
(, ℎ ) =  (∗ ) (1 −
ℎ

2

(ℎ )
) − 2 +1
(3)
⁄(2 ( ))
 ℎ
где ωpl – объемная частота электрон-дырочной плазмы; а эффекты, связанные
с ρeh-зависимым уменьшением запрещенной зоны и насыщение межзонных
переходов на εIB учитываются путем введения эффективной частоты фотонов
ω* = ω + Θρeh/ρbgr с коэффициентом Θ, характерной перенормировочной
плотности свободных носителей ρbgr ≈ 1 × 1022 см-3, как правило, около 5% от
общей плотности валентных электронов (≈2 × 1023 см-3 в кремнии), тогда как
ρbf - емкость конкретных фотовозбужденных областей первой зоны
Бриллюэна в k-пространстве (например, ρbf(L) ≈ 4 × 1021 см-3 для L-долин и
ρbf (X) ≈ 4,5 × 1022 см-3 для X-долин в кремнии).
В
проведенных
экспериментах
длина
волны
фемтосекундного
лазерного облучения расположена на синем плече моды магнитнодипольного типа околорезонансной наночастицы, в то время как для
нерезонансной наночастицы она далека от всех резонансов (рис. 10а,б).
Сравнение
относительного
поверхностью
с
почти
изменения
резонансной
отражательной
способности
наночастицей,
с
нерезонансной
наночастицей и объемным кремнием на лазерном флюенсе показывает самый
сильный нелинейный отклик от почти резонансной наночастицы. В
частности,
коэффициент
отражения
почти
резонансной
наночастицы
демонстрирует 20%-ный относительный рост с увеличением плотности
энергии падающего импульса, увеличивающейся до ≈30 мДж/см2 (или до
интенсивности 300 ГВт/см2), тогда как сигнал отражения от кремниевой
пленки толщиной 220 нм снижается, а отражение от нерезонансных
наночастиц проявляет промежуточное поведение (Рис. 10б). Такие изменения
в экспериментальных зависимостях ΔRs/Rs0 от падающей плотности энергии
одиночного импульса на длине волны 800 нм хорошо согласуются со
стационарными
численными
расчетами
в
приближении
однородного
фотовозбуждения (Рис. 10в).
(а)
(б)
(в)
Рис. 10: Экспериментальные (а) и численные (б) спектры отражения усеченной
конической кремниевой наночастицы (см. нижнюю левую вставку) с радиусами rb ≈ 70 нм
и rt ≈ 20 нм (зеленая кривая) или rb ≈ 120 нм и rt ≈ 70 нм (красная кривая) при h = 220 нм;
спектр фемтосекундного лазера (правая ось). Верхние левые вставки в (a): оптическое
изображение массивов наночастиц кремния. Нижняя левая вставка в (а): СЭМизображение околорезонансной наночастицы (масштабная шкала 50 нм). Красная
сплошная кривая в (а) представляет экспериментальный спектр фемтосекундного лазера.
Вставки в (б) представляют собой расчетные распределения электрического поля вблизи и
внутри наночастиц с сокращениями: MD - магнитный дипольный резонанс, ED электрический дипольный резонанс. (в) Экспериментальные (точки) и теоретические
(сплошные линии) зависимости нормированного изменения отражательной способности
от плотности энергии лазера для кремниевой пленки толщиной 220 нм (черный),
околорезонансные наночастицы (красный) и нерезонансные наночастицы (зеленый).
Значения Rs0 различны для каждого образца и соответствуют F = 1 мДж/см2. Верхняя
левая вставка: схематическая иллюстрация измерений отражения от одиночной
наночастицы.
Таким образом, установлено, что рост отражения от кремниевой
наночастицы вблизи резонанса обусловлен синим сдвигом магнитного
дипольного резонанса за счет генерации электрон-дырочной плазмы и
уменьшения диэлектрической проницаемости материала с увеличением
плотности энергии в лазерном импульсе.
Временные
характеристики
перестройки
оптических
свойств
кремниевых наночастиц исследованы в секции 5.2. Сверхбыстрый отклик
конических наноантенн был подтвержден в серии экспериментов накачкизондирования («pump-probe»). Эксперименты представляли собой измерение
относительного изменения пропускания ΔT/T0 зондового фемтосекундного
импульса через наночастицы, зависящего от задержки между импульсом Δτ
относительно накачки. Использовался лазерный источник с длиной волны
515 нм, близкий к магнитно-дипольному резонансу конических наночастиц
кремния. Максимальное измеренное время релаксации сигнала ~ 2.5 ± 0.5 пс.
Наблюдаемое значение 2.5 пс является самым быстрым наблюдаемым для
распада
электрон-дырочной
плазмы
в
кремниевых
резонансных
наночастицах по сравнению с ~ 30 пс [19] и ~ 25 пс [20].
Помимо динамической перестройки оптических свойств в дальнем
поле от фотовозбужденной резонансной кремниевой наночастицы в секции
5.3
проведено
теоретическое
исследование
динамического
процесса
распределения электрон-дырочной плазмы в наночастице. Разработанная
модель позволяет теоретически изучать сверхбыстрое изменение оптических
свойств кремниевых наночастиц любой формы и размеров. Показано, что
практически при всех размерах и интенсивностях возбуждения происходит
сильно неоднородное фотовозбуждение электрон-дырочной плазмы внутри
частицы, что приводит к нарушению ее симметрии. Это открывает новые
возможности по управлению нелинейным откликом кремниевых наноантенн.
В Заключении обобщены основные результаты работы:
1. Разработан новый метод лазерной печати оптически резонансных
наночастиц кремния с управляемой степенью кристалличности за счет
предложенного использования тонких пленок аморфного кремния вместо
ранее используемых кристаллических мишеней.
2. Разработан новый метод создания кремниевых метаповерхностей,
позволяющих генерировать когерентное излучение в ультрафиолетовом
диапазоне класса «С» с относительно высокой средней мощностью. Ранее
для этой цели использовались дорогостоящие методы нанолитографии.
3. Предложено использование резонансных кремниевых наночастиц для
нанотермометрии во время их оптического нагрева за счет возможности
измерения спектров комбинационного рассеяния, индуцированного греющим
лазерным излучением. Ранее для оптического нагрева использовались
металлические наночастицы, для нанотермометрии которых затруднена из-за
отсутствия эффективного термочувствительного оптического отклика у
металлов.
4. Экспериментально
показано,
что
использование
резонансных
кремниевых наночастиц с оптимизированной кристаллической структурой
позволяет достичь эффективности генерации второй гармоники на порядки
более эффективно, чем от металлических наночастиц, избегая использования
более дорогостоящих материалов без центра инверсии в кристаллической
ячейке.
5. Впервые
обнаружен
эффект
усиленной
широкополосной
фотолюминесценции от золото-кремниевых наночастиц под действием
инфракрасных фемтосекундных лазерных импульсов, на основе чего создан
наноразмерных источник света для ближнепольного оптического микроскопа
«белого света», позволяющий проводить характеризацию оптических
свойств всевозможных наноструктур в широком диапазоне длин волн
одновременно вместо многократного проведения сканирований в более узких
спектральных диапазонах, как делалось ранее с использованием стандартных
методик.
6. Впервые экспериментально продемонстрирован эффект сверхбыстрой
перестройки оптических свойств кремниевой наноантенны, за счет чего
достигнута модуляция оптического сигнала до уровня двадцати процентов с
характерной скоростью нескольких пикосекунд, что превышает скорости
модуляции сигналов в современных электронных модуляторах.
Основные результаты диссертационной работы изложены в следующих
публикациях:
[A1] Tuning of magnetic optical response in a dielectric nanoparticle by ultrafast
photoexcitation of dense electron-hole plasma/ S. V. Makarov, S. I. Kudryashov,
I. Mukhin, A. Mozharov, V. Milichko, A. Krasnok and P. A. Belov // Nano
Letters. – 2015. – Т.15. – С.6187–6192.
[A2]
Efficient
Second-Harmonic
Generation
in
Nanocrystalline
Silicon
Nanoparticles/ S.V. Makarov, MI Petrov, U Zywietz, et al. // Nano Letters. –
2017. -Т.17. – С. 3047-3053.
[A3] Resonant Nonplasmonic Nanoparticles for Efficient Temperature-Feedback
Optical Heating/ G.P. Zograf, M.I. Petrov, D.A. Zuev, P.A. Dmitriev, V.A.
Milichko, S.V. Makarov, P.A. Belov // Nano Letters. – 2017. – Т.17. – С.29452952.
[A4] Nanoscale generation of white light for ultrabroadband nanospectroscopy/
S.V. Makarov, I.S. Sinev, V.A. Milichko, et.al// Nano Letters. – 2018. –Т.18.С.535-539.
[A5] Light-Induced Tuning and Reconfiguration of Nanophotonic Structures/ S.V.
Makarov, A.S. Zalogina, M. Tajik, D.A. Zuev, M.V. Rybin, A.A. Kuchmizhak, S.
Juodkazis, and Y. Kivshar// Laser & Photonics Reviews. -2017. –Т.11. - 1700108.
[A6] Controllable Femtosecond Laser-Induced Dewetting for Plasmonic
Applications/ S.V. Makarov, V. A. Milichko, I. S. Mukhin, et al.// Laser &
Photonics Reviews. – 2016. – Т.10. – С.91-99.
[A7] Tuning of near‐and far‐field properties of all‐dielectric dimer nanoantennas
via ultrafast electron‐hole plasma photoexcitation/ D. G. Baranov, S.V. Makarov,
A. E. Krasnok, P. A. Belov, and A. Alù // Laser & Photonics Reviews. – 2016.Т.10. – С.1009-1015.
[A8] Self-adjusted all-dielectric metasurfaces for deep ultraviolet femtosecond
pulse generation/ S.V. Makarov, A. N. Tsypkin, T. A. Voytova, V. A. Milichko, I.
S. Mukhin, A. V. Yulin, and P.A. Belov // Nanoscale. -2016. –Т.8. – С.1780917814.
[A9] Resonant Raman scattering from silicon nanoparticles enhanced by magnetic
response/ P.A. Dmitriev, D.G. Baranov, V.A. Milichko, S.V. Makarov, et al.//
Nanoscale. -2016. – Т.8. – С.9721-9726.
[A10] Laser fabrication of crystalline silicon nanoresonators from an amorphous
film for low-loss all-dielectric nanophotonics/ P. A. Dmitriev, S.V. Makarov, V.
A. Milichko, et al. // Nanoscale. – 2016. – Т.8. –С.5043-5048.
[A11] Resonant silicon nanoparticles for enhancement of light absorption and
photoluminescence from hybrid perovskite films and metasurfaces/ E. Tiguntseva,
A. Chebykin, A. Ishteev, R. Haroldson, B. Balachandran, E. Ushakova, F.
Komissarenko, H. Wang, V. Milichko, A. Tsypkin, D. Zuev, W. Hu, S.V.
Makarov and A. Zakhidov // Nanoscale. – 2017. –Т.9. – С.12486-12493.
[A12] Photogenerated Free Carrier‐Induced Symmetry Breaking in Spherical
Silicon Nanoparticle/ A. Rudenko, K. Ladutenko, S.V. Makarov, T.E. Itina//
Advanced Optical Materials. – 2018. – Т.6. - 1701153.
[A13] Nonlinear Transient Dynamics of Photoexcited Resonant Silicon
Nanostructures/ D. Baranov, S.V. Makarov, V. Milichko, S. Kudryashov, A.
Krasnok, P. Belov// ACS Photonics. – 2016. –Т.3. - 1546-1551.
[A14] Temperature-feedback direct laser reshaping of silicon nanostructures/ M.
Aouassa, E. Mitsai, S. Syubaev, D. Pavlov, A. Zhizhchenko, I. Jadli, G. Zograf,
S.V. Makarov, A. Kuchmizhak// Applied Physics Letters. 2017. –Т.111. -243103.
[A15] Nonlinear optical feedback for nano-and micropatterning of silicon surface
under femtosecond laser irradiation/ A.A. Ionin, S.I. Kudryashov, A.A. Rudenko,
L.V. Seleznev, D.V. Sinitsyn, S.V. Makarov// Optical Materials Express. – 2017.
–Т.7. –С.2793-2807.
[A16] Resonant Silicon Nanoparticles with Controllable Crystalline State and
Nonlinear Optical Response/ S.V. Makarov, L. Kolotova, S.V. Starikov, U.
Zywietz, B. Chichkov// Nanoscale. – 2018. – DOI: 10.1039/C8NR02057D.
[A17] Towards all-dielectric metamaterials and nanophotonics/ A. Krasnok, S.V.
Makarov, M. Petrov, R. Savelev, P. Belov, Y. Kivshar// SPIE Optics
Optoelectronics. -2015. – С.950203-95020.
[A18]
От
оптического
магнитного
резонанса
к
диэлектрической
нанофотонике/ Р.С. Савельев, С.В. Макаров, А.Е. Краснок, П.А. Белов//
Оптика и спектроскопия. – 2015. –Т.119. - С. 548-566.
[A19] Atomistic simulation of Si-Au melt crystallization with novel interatomic
potential/ S.V. Starikov, N.Y. Lopanitsyna, D.E. Smirnova, S.V. Makarov//
Computational Materials Science. -2018. –Т. 142. –С.303-311.
[A20] Femtosecond laser color marking of metal and semiconductor surfaces /
A.A. Ionin, S.I. Kudryashov, S.V. Makarov, L.V. Seleznev, D.V. Sinitsyn, E.V.
Golosov, O.A. Golosova, Y.R. Kolobov, and A.E. Ligachev // Applied Physics A.
– 2012. – Т. 107. – С. 301-305.
[A21]
Формирование
квазипериодических
нано-и
микроструктур
на
поверхности кремния под действием ИК и УФ фемтосекундных лазерных
импульсов / А.А. Ионин, С.И. Кудряшов, С.В. Макаров, Л.В. Селезнев, Д.В.
Синицын, Е.В. Голосов, О.А. Голосова, Ю.Р. Колобов, и А.Е. Лигачев, //
Квантовая Электроника. – 2011. – Т. 41. – С. 829-834.
[A22] Nonlinear optical dynamics during femtosecond laser nanostructuring of a
silicon surface /A.A. Ionin, S.I. Kudryashov, S.V. Makarov, A.A. Rudenko, L.V.
Seleznev, D.V. Sinitsyn, and V.I. Emel’yanov, // Laser Physics Letters. – 2015. –
Т. 12. – С. 025902.
[A23] Beam spatial profile effect on femtosecond laser surface structuring of
titanium in scanning regime / A.A. Ionin, S.I. Kudryashov, S.V. Makarov, A.A.
Rudenko, L.V. Seleznev, D.V. Sinitsyn, E.V. Golosov, Yu.R. Kolobov, A.E.
Ligachev, // Applied Surface Science. – 2013. – Т. 284. – С. 634-637.
[A24] Laser deposition of resonant silicon nanoparticles on perovskite for
photoluminescence enhancement/ E.Y. Tiguntseva, A.S. Zalogina, V.A. Milichko,
D.A. Zuev, M.M. Omelyanovich, S.V. Makarov// Journal of Physics: Conference
Series. -2017. – Т.929. - 012053.
[A25] Coating of Au nanoparticle by Si shell for enhanced local heating/ G.P.
Zograf, M.I. Petrov, S.V. Makarov// Journal of Physics: Conference Series. 2017.
– Т.929. - 012072.
[A26] Resonant optical properties of crystalline silicon nanoparticles fabricated by
laser ablation-based methods/ P.A. Dmitriev, D.G. Baranov, V.A. Milichko, I.S.
Mukhin, Q. Li, S. Mondal, S.V. Makarov// AIP Conference Proceedings. -2017. –
Т.1874. - 040005.
[A27] Laser-Induced Periodical Structures Fabrication for Third Harmonic
Generation/ T.A. Voytova, S.V. Makarov, A.N. Tsypkin, V.A. Milichko, I.S.
Mukhin, A.V. Yulin// Journal of Physics: Conference Series. – 2016. –Т.741. 012112.
[A28] Polarization and angle dependent enhancement of Raman scattering from
silicon nanodisks/ P.A. Dmitriev, D.V. Permyakov, S.V. Makarov, A.E. Krasnok,
M.I. Petrov// Days on Diffraction (DD). 2016. – С.123-126.
[A29] Modeling of formation mechanism and optical properties of Si/Au core-shell
nanoparticles/ G.P. Zograf, M.V. Rybin, D.A. Zuev, S.V. Makarov, P.A. Belov,
N.Y. Lopanitsyna// Days on Diffraction (DD). - 2016. – С. 460-463.
[A30] Raman scattering governed by dark resonant modes in silicon nanoparticles/
K.S. Friziuk, V.A. Milichko, M.I. Petrov, D.A. Zuev, A.V. Baranov, S.V.
Makarov// Days on Diffraction (DD). 2016. – С.155-160.
[A31] Ultrafast magnetic light/ A. Krasnok, S.V. Makarov, P. Belov, D. Baranov//
Antennas and Propagation (APSURSI), IEEE International Symposium. - 2016. –
С.19-20.
[A32] Femtosecond laser transfer of silicon nanoparticles with enhanced Raman
response/ P. Dmitriev, D. Baranov, S.V. Makarov, V. Milichko, I. Mukhin, A.
Samusev// AIP Conference Proceedings. - 2016. – Т.1748. - 030001.
[A33] Laser writing of nanoparticle-based plasmonic structures/ S.V. Makarov,
V.A. Milichko, A.E. Krasnok, P.A. Belov, A.M. Mojarov, I.S. Mukhin// Days on
Diffraction (DD). – 2015. – С.1-6.
Список цитируемой литературы:
[1] S.A. Maier Plasmonics: Fundamentals and Applications - Springer, NY, 2007.
[2] Magnetic light/ A.I. Kuznetsov, A.E. Miroshnichenko, Y.H. Fu, Z. JingBo,
B.S. Luk’yanchuk // Scientific Reports. – 2012. – Vol. 2. – P. 492.
[3] Demonstration of magnetic dipole resonances of dielectric nanospheres in the
visible region/ A.B. Evlyukhin, S.M. Novikov, U. Zywietz, R.L. Eriksen, C.
Reinhardt, S.I. Bozhevolnyi, B.N. Chichkov // Nano Letters – 2012. – Vol. 12.- P.
3749.
[4] All-dielectric metamaterials/ S. Jahani, Z. Jacob // Nature Nanotechnology.2016. – Vol.11. – P.23-26.
[5]
Optically
resonant
dielectric
nanostructures/
A.I.
Kuznetsov,
A.E.
Miroshnichenko, M.L. Brongersma, Y.S. Kivshar, and B. Luk’yanchuk// Science.
– 2016. – Vol. 354. – P. 2472.
[6] Metamaterial-inspired silicon nanophotonics/ Isabelle Staude and Jörg
Schilling// Nature Photonics. – 2017. – Vol. 11. – P.274-284.
[7] Laser printing of silicon nanoparticles with resonant optical electric and
magnetic responses/ U. Zywietz, A. B. Evlyukhin, C. Reinhardt, & B. N.
Chichkov// Nature Communications. – 2014. – Vol.5. – P.3402.
[8] Silicon‐based dielectric metamaterials: Focus on the current synthetic
challenges/ M. L. De Marco, S. Semlali, B. A. Korgel, P. Barois, G. L. Drisko, ,
and C. Aymonier // Angewandte Chemie. – 2016. – Vol.57. – P. 4478.
[9] Thermometry at the nanoscale/ C. D. Brites, P. P. Lima, N. J. Silva, A. Millán,
V. S. Amaral, F. Palacio, and L. D. Carlos// Nanoscale. – 2012. –Vol. 4. – P.47994829.
[10] Anharmonic effects in light scattering due to optical phonons in silicon/ M.
Balkanski, R. F. Wallis, and E. Haro// Physical Review B. – 1983. – Vol.28. –
P.1928.
[11] Nonlinear generation of vector beams from AlGaAs nanoantennas/ R.
Camacho-Morales, M. Rahmani, S. Kruk, Lei Wang, Lei Xu, D.A. Smirnova, A.S.
Solntsev et al.// Nano Letters. -2016. – Vol.16. – P.7191-7197.
[12] Second order optical nonlinearity in silicon by symmetry breaking/ M.
Cazzanelli, J. Schilling// Applied Physics Reviews. – 2016. – Vol.3. – P.011104.
[13] Optical second harmonic generation in plasmonic nanostructures: From
fundamental principles to advanced applications/ J. Butet, P. F. Brevet, O. J.
Martin// ACS Nano. – 2015. –Vol.9. – P. 10545-10562.
[14] Optical Second Harmonic Spectroscopy of Silicon Surfaces, Interfaces and
Nanocrystals/ M. Downer, Y. Jiang, D. Lim, L. Mantese, P. Wilson, B. Mendoza,
V. Gavrilenko// Physica Status Solidi. – 2001. – Vol.188. – P.1371.
[15] Giant microcavity enhancement of second-harmonic generation in all-silicon
photonic crystals/ T. Dolgova, A. Maidykovski, M. Martemyanov, A. Fedyanin, O.
Aktsipetrov, G. Marowsky, V. Yakovlev, G. Mattei// Applied Physics Letters –
2002. – Vol.81. – P.2725−2727.
[16] Enhanced third-harmonic generation in silicon nanoparticles driven by
magnetic response/ M.R. Shcherbakov, D.N. Neshev, B. Hopkins, A.S. Shorokhov,
I. Staude, E.V. Melik-Gaykazyan, M. Decker, A.A. Ezhov, A.E. Miroshnichenko,
I. Brener, A.A. Fedyanin and Yuri S. Kivshar //Nano Letters. – 2014. –Vol.14. –
P.6488-6492.
[17] Generation of dense electron-hole plasmas in silicon/ K. Sokolowski-Tinten
and D. von der Linde/ Physical Review B. – 2000. – Vol.61. – P.2643
[18] Ultrafast electron dynamics on the silicon surface excited by an intense
femtosecond laser pulse/ A.A. Ionin, S.I. Kudryashov , S.V. Makarov, et al.// JETP
Letters. – 2012. – Vol.96. – P.375.
[19] Ultrafast All-Optical Switching with Magnetic Resonances in Nonlinear
Dielectric Nanostructures/ M. R. Shcherbakov, P. P. Vabishchevich, A. S.
Shorokhov, K. E. Chong, D.-Y. Choi, I. Staude, A. E. Miroshnichenko, D. N.
Neshev, A. A. Fedyanin, Y. S. Kivshar// Nano Letters. – 2015. – Vol.15. –P.6985.
[20] Nonlinear Fano-Resonant Dielectric Metasurfaces/ Y. Yang, W. Wang, A.
Boulesbaa, I. I. Kravchenko, D. P. Briggs, A. Puretzky, D. Geohegan, J.
Valentine// Nano Letters. – 2015. –Vol.15. – P.7388−7393.
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
8
Размер файла
2 526 Кб
Теги
лазерного, кремниевые, оптические, взаимодействия, интенсивного, наноструктур, излучения, резонансными
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа