Высокочувствительная нелинейная спектроскопия классических полупроводников и нанополиацетилена

На правах рукописиПаращук Дмитрий ЮрьевичВЫСОКОЧУВСТВИТЕЛЬНАЯ НЕЛИНЕЙНАЯ СПЕКТРОСКОПИЯКЛАССИЧЕСКИХ ПОЛУПРОВОДНИКОВ И НАНОПОЛИАЦЕТИЛЕНА01.04.21 – лазерная физикаАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степенидоктора физико-математических наукМОСКВА – 2005Работа выполнена на физическом факультета Московского государственного университета им. М.В.

ЛомоносоваОфициальные оппоненты:доктор физико-математических наук,старший научный сотрудникБункин Алексей Федоровичдоктор физико-математических наук,профессорВитухновский Алексей Григорьевичдоктор физико-математических наук,профессорПенин Александр НиколаевичВедущая организация:Институт спектроскопии Российскойакадемии наукЗащита состоится 21 апреля 2005 года в 15 часов на заседании диссертационного совета Д 501.001.31 в МГУ им. М.В.

Ломоносова по адресу: 119992, ГСП-2, Москва, Ленинские горы, МГУ, ул. Академика Хохлова д.1/62, корпус нелинейной оптики, аудитория им. С.А. Ахманова.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физическогофакультета МГУ им. М.В. Ломоносова.Автореферат разослан ""Ученый секретарьдиссертационного совета Д 501.001.31кандидат физико-математических наук,доцент2005 года.Т.М. ИльиноваОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темыДиссертация посвящена разработке методов нелинейной лазернойспектроскопии высокой чувствительности, в том числе и с высоким временным разрешением, а также их применению для спектроскопии какклассических полупроводников (Ge, Si, GaAs), так и полупроводниковнового поколения — π-сопряженных полимеров — на примере высокоупорядоченной формы полиацетилена ((CH)x).

Классические полупроводники, как хорошо изученные и характеризованные, могут служитьнадежными тестовыми объектами для апробации и отладки спектроскопических методов, развиваемых в настоящей работе. Сопряженныеполимеры — сравнительно новые объекты, сочетающие в себе привлекательные механические и технологические свойства полимеров с важными электронными свойствами полупроводников. Так, в последние годыбыло продемонстрировано, что тонкие пленки сопряженных полимероввесьма перспективны для разработки высокоэффективных светодиодов,солнечных фотоэлементов, нелинейно-оптических материалов и т.д. и,по-видимому, в скором времени смогут конкурировать с материаламина основе классических полупроводников.

В то же время, пониманиеосновных физических механизмов, ответственных за ключевые электронные свойства сопряженных полимеров, явно недостаточно. Преждевсего речь идет о свойствах элементарных возбуждений, ответственныхза перенос заряда, энергии и спина, а также механизмы нелинейногооптического отклика.Как правило, в нелинейной спектроскопии с помощью пучка зондирования измеряют сигнал, связанный с изменениями пропускания/отражения образца, вызванными пучком или пучками возбуждения.

Вместес тем, при взаимодействии с веществом могут изменяться такие параметры лазерного пучка как состояние поляризации и/или направлениераспространения, измерение которых дает возможность существеннорасширить получаемую спектроскопическую информацию. В частности,для описания поляризованного пучка в общем случае требуется четыренезависимых параметра, например параметров Стокса. С другой стороны, регистрация малых изменений направления распространения лазерного пучка позволяет реализовать фотодефлекционный метод измерений, который оказался весьма эффективным для диагностики тепловыхи акустических волн в конденсированных средах. В диссертации особоевнимание уделено разработке поляризационных и фотодефлекционного методов лазерных измерений, сочетающих предельную чувствитель1ность с временным разрешением в пикосекундном и фемтосекундномдиапазонах, в которых происходят фундаментальные процессы преобразования оптической энергии в возбуждения различных подсистем конденсированной среды.

Так, в 80-х годах прошлого века в пикосекунднойполяриметрии была достигнута чувствительность к углу поворота азимута поляризации пробного пучка около 1 мрад, что позволило провестиисследования объемного поляризационного отклика полупроводниковыхкристаллов. Тем не менее, такая чувствительность слишком мала длянаблюдения поляризационных эффектов от поверхности, тонких пленоки других объектов, где длина оптического взаимодействия волн не превышает длины волны света.

Вместе с тем, именно к таким микро- инанообъектам сместился фокус исследований в последние годы.Фотодефлекционный метод с временным разрешением позволяет реализовать оптическую регистрацию малых смещений поверхности твердого тела, вызванных акустическими волнами, возбуждаемыми сверхкороткими лазерными импульсами. Подчеркнем, что взаимодействие сверхкоротких акустических импульсов с конденсированными средами даетвозможность исследовать процессы с высоким пространственным разрешением в предельно широкой полосе частот вплоть до терагерцовогодиапазона как в фононной подсистеме среды, так и разнообразные явления, где существенна роль взаимодействия фононной и электроннойподсистем.

В настоящее время подробно изучен термоупругий механизмфотовозбуждения акустических волн, в значительно меньшей степениизвестны другие, нетепловые механизмы оптоакустического преобразования, в частности электронно-деформационный. Последний механизмвключается «мгновенно» — при возбуждении электронно-дырочной пары в конденсированной среде. В 80-е годы было показано, что на наносекундной временной шкале электронно-деформационный механизмможет быть существенно более эффективным в неполярных ковалентных полупроводниках в сравнении с термоупругим.

Как работает электронно-деформационный механизм на более коротких временах до настоящей работы не исследовалось. В пикосекундной оптоакустике однойиз ключевых задач оказывается разработка адекватных методов измерения длительности и формы сверхкоротких акустических импульсов,то есть гиперзвуковых импульсов.Цели диссертационной работы заключались в следующем:— установить свойства основного и низших электронных возбужденных состояний упорядоченных π-сопряженных цепей транс-полиацетилена;2— выяснить закономерности электронно-деформационного механизма возбуждения гиперзвука в полупроводниках на субнаносекунднойвременной шкале;— обнаружить и установить причины фотоиндуцированных поляризационных явлений при нормальном отражении света от полупроводниковвысокой симметрии.Для достижения этих целей были поставлены следующие задачи:1.

Развить методы высокочувствительной лазерной поляриметрии, исследовать их предельные возможности.2. Разработать высокочувствительные методы модуляционных оптических измерений, позволяющие проводить измерения поляризационных эффектов и смещения поверхности образца с предельной чувствительностью и высоким временным разрешением.3.

Реализовать известные методы спектроскопии фотоиндуцированного поглощения и электропоглощения для исследования пленок π-сопряженных полимеров.4. Разработать метод лазерной гиперзвуковой спектроскопии полупроводников, основанный на измерении и анализе профиля сверхкоротких акустических импульсов.Научная новизна результатов диссертационной работы заключаетсяв том, что впервые:1. Реализован метод высокочувствительной лазерной поляриметриис временным разрешением в фемтосекундном, пикосекундном имиллисекундном диапазонах и чувствительностью 0.01–1 мкрад, наоснове которого:исследованы поляризационные эффекты при нормальном отражении света от оптически возбужденного кристалла симметрии4̄3m (GaAs),получены данные об анизотропии тензора поляризуемости вдолгоживущих фотовозбужденных состояниях π-сопряженногополимера (полиацетилена).2. Разработан метод лазерной гиперзвуковой спектроскопии, основанный на измерении и анализе профиля сверхкороткого продольногоакустического импульса в твердом теле.3.

Показано, что при пикосекундном лазерном возбуждении звука вполупроводниках эффективность электронно-деформационного ме3ханизма может быть существенно выше эффективности универсального термоупругого механизма.4. Экспериментально установлено, что низшие возбужденные состояния цепей транс-полиацетилена — электрически нейтральные, а эффективность их формирования растет с увеличением энергии фотона возбуждения.5.

Получено отношение коэффициентов поглощения света вдоль и поперек цепей транс-полиацетилена в долгоживущем фотовозбужденном состоянии.6. Предложена качественная нелинейная модель электронно-колебательной когерентности в упорядоченных цепях транс-полиацетилена.7. В рамках центросимметричной трехуровневой системы построенамикроскопическая модель статического эффекта Штарка, связывающая вторую производную спектра линейного поглощения и спектрэлектропоглощения среды.8. Предложен метод формирования света с подавленными квантовымифлуктуациями в одном из стоксовых параметров.Защищаемые положения1. Разработанные методы и аппаратура высокочувствительных модуляционных оптических измерений, основанные на технике «возбуждение—зондирование», позволяют:— проводить измерения поворота азимута поляризации и изменения эллиптичности пробного пучка на уровне до 0.1–1 мкрад какпри непрерывных измерениях, так и при измерениях c фемтосекундным и пикосекундным временным разрешением;— регистрировать малые смещения отражающей поверхности твердого тела на уровне 1 пм с пикосекундным разрешением во времени.2.

Фотодефлекционный метод дает возможность регистрировать профиль продольного импульса гиперзвука в полупроводнике.3. Электронно-дырочная плазма, индуцированная в полупроводникепикосекундным лазерным импульсом, может:4— возбуждать в нем продольный импульс гиперзвука за счет электронно-деформационного механизма с существенно более высокой эффективностью, чем за счет термоупругого механизма,— приводить к повороту азимута поляризации линейно поляризованного света при нормальном отражении от кристалла GaAs.4. Низшие возбужденные состояния в упорядоченных цепях трансполиацетилена — нейтральные, a заряженные состояния образуются главным образом при участии дефектов.5. Если пара возбужденных состояний центросимметричной молекулы вырождена, то основной вклад в ее спектр электропоглощенияпропорционален второй производной спектра оптического поглощения и квадрату модуля дипольного момента перехода между этимивозбужденными состояниями.6.