Диссертация (Оптические и нелинейно-оптические эффекты в наноматериалах с линейным электронным спектром)

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждениевысшего образованияМОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТимени М.В.ЛОМОНОСОВАФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТКафедра квантовой электроникиНа правах рукописиБЫКОВ АНТОН ЮРЬЕВИЧОПТИЧЕСКИЕ И НЕЛИНЕЙНО-ОПТИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫВ НАНОМАТЕРИАЛАХ С ЛИНЕЙНЫМ ЭЛЕКТРОННЫМСПЕКТРОМСпециальность 01.04.21 - лазерная физикаДиссертация на соискание учёной степеникандидата физико-математических наукНаучный руководительдоктор физико-математических наукдоцент Мурзина Т.В.МОСКВА - 20162ОглавлениеВведение5Глава 1.

Обзор литературы13§ 1.1 Нелинейная поляризация бесконечной среды . . . . . . . . . . . . 13§ 1.2 Нелинейно-оптические свойства однородной изотропной среды . 14§ 1.3 Генерация токоиндуцированной второй гармоники (ТВГ) в полупроводниках . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161.3.1 Механизмы нарушения инверсной симметрии в центросимметричных полупроводниках . . .

. . . . . . . . . . . . . . 161.3.2 Модель генерации токоиндуцированной второй гармоникив прямозонном полупроводнике . . . . . . . . . . . . . . . . . 17§ 1.4 Гиперрэлеевское рассеяние света . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20§ 1.5 Метод накачка-зондирование . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221.5.1 Метод накачка зондирование в линейном отклике .

. . . . 231.5.2 Возбуждение когерентных оптических фононов . . . . . . . 281.5.3 Метод накачка-зондирование в нелинейном отклике . . . . 33§ 1.6 Электронные и оптические свойства графена . . . . . . . . . . . . 341.6.1 Электронные свойства . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 341.6.2 Оптические свойства . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . 371.6.3 Генерация токоиндуцированной ВГ в графене . . . . . . . . 40§ 1.7 Электронные и оптические свойства топологических изоляторов 461.7.1 Введение в теорию топологических изоляторов . . . . . . . 461.7.2 3D топологические изоляторы . . .

. . . . . . . . . . . . . . 501.7.3 Электронные свойства . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 521.7.4 Оптические свойства . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56Глава 2. Исследование генерации второй гармоники в многослойном графене63§ 2.1 Экспериментальная установка и образцы . . .

. . . . . . . . . . . 632.1.1 Методика изготовления образцов . . . . . . . . . . . . . . . . 633§ 2.2§ 2.3§ 2.4§ 2.5§ 2.62.1.2 Экспериментальная установка по наблюдению генерации ВГ642.1.3 Установка для измерения линейных спектров .

. . . . . . . 66Генерация второй оптической гармоники в многослойном графене68Линейные спектры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68Квадратичный нелинейно-оптический оклик многослойного графена в отсутствие внешних полей . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . 692.4.1 Анизотропия интенсивности второй гармоники . . . . . . . 692.4.2 Исследование генерации ВГ от пленок графена на стеклянной подложке . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 712.4.3 Микроскопия оптической второй гармоники в многослойном графене . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . 752.4.4 «Поперечные» электроиндуцированные эффекты при генерации ВГ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 782.4.5 Генерация токоиндуцированной ВГ . . . . . . . . . . . . . . 79Обсуждение результатов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 882.5.1 Генерация токоидуцированной ВГ . . . . . . . . . . . . . . . 88Выводы по второй главе . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92Глава 3. Изучение динамики линейного отражения топологического изолятора Bi2 Te394§ 3.1 Экспериментальная установка и образцы . .

. . . . . . . . . . . . 943.1.1 Изготовление образцов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 943.1.2 Установка для измерения динамики оптического отражения95§ 3.2 Измерения динамики отклика линейного отражения от объемных образцов Bi2 Te3 . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 973.2.1 Измерения динамики дифференциального отражения притемпературе 90К . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 973.2.2 Температурные зависимости дифференциального отражения кристаллов Bi2 Te3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1023.2.3 Зависимости дифференциального отражения от мощностипадающего излучения . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . 109§ 3.3 Выводы по третьей главе . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110Глава 4. Изучение динамики отклика второй оптической гармоники от пленок Bi2 Te3112§ 4.1 Исследуемые образцы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

11244.1.1 Установка для измерения динамики генерации ВГ . . . . .4.1.2 Исследования электронной компоненты релаксации . . . .4.1.3 Фурье-анализ высокочастотной компоненты сигнала. Идентификация колебательных мод оптических фононов . . . .4.1.4 Симметрийный анализ. Идентификация поверхностныхфононных мод . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . .4.1.5 Обсуждение результатов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .§ 4.2 Измерения динамики отклика второй оптической гармоники отструктур Bi2 Te3 /Al2 Ox /Co/Au . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4.2.1 Измерения магнитного нелинейно-оптического эффектаКерра во второй гармонике . . . . . . . . . . . . .

. . . . . .4.2.2 Выделение магнитоиндуцированного вклада в генерациюВГ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4.2.3 Измерение динамики намагниченности в структурахBi2 Te3 /Al2 Ox /Co/Au . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . .4.2.4 Измерение динамики намагниченности в образцах сравнения Si(001)/SiO2 /Al2 Ox /Co/Au . . . . . . . . . . . . . . . . .§ 4.3 Выводы по четвертой главе . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Литература1141151181221251291301311351371381425ВведениеДиссертационная работа посвящена экспериментальному исследованию особенностей линейного оптического и квадратичного нелинейнооптического откликов группы новых материалов, обладающих двумерными электронными состояниями с дираковским спектром - многослойногографена, трехмерного топологического изолятора Bi2 Te3 и структуры топологический изолятор/ферромагнитный металл.Актуальность темы диссертацииИсследование графена - двумерной аллотропной модификации углерода,образованной одним или несколькими монослоями атомов углерода, соединенных посредством sp2 гибридизованных связей в гексагональную двумерную кристаллическую решётку [1], является одной из наиболее горячихи динамично развивающихся областей современной физики твердого тела.Интерес к данной области объясняется, с одной стороны, уникальными даже для двумерных систем электронными, механическими и оптическимисвойствами графена, ежегодно приводящими к открытию все новых фундаментальных эффектов, с другой - достигнутым на настоящий моментвысоким качеством получаемых образцов, открывающим многообещающиеперспективы для практического применения.Наиболее знаменательными среди фундаментальных физическихсвойств графена являются его электронные свойства [2].

Носители заряда вграфене характеризуются линейным законом дисперсии и, соответственно,описываются гамильтонианом для безмассовых дираковских частиц [3, 4].Подобные уникальные свойства электронного спектра в графене позволяютв лабораторных условиях осуществить экспериментальную проверку многих теоретических моделей квантовой электродинамики, физики высокихэнергий и даже некоторых моделей квантовой гравитации. Линейная дисперсия электронов в графене приводит также и к другим интересным эффектам, среди которых два новых «хиральных» квантовых эффекта Холла [5–7], клейновское туннелирование [8] и т.д.В настоящее время активно ведутся исследования с целью созда-6ния на базе графена устройств микро- и наноэлектроники, спинтроникии оптоэлектроники.

Необычайно высокая по сравнению с обычными полупроводниками подвижность носителей, достигающая 2, 3 × 105 см2 /В·сдля образцов «подвешенного» графена [9] и 1, 5 × 104 см2 /В·с для графенана подложке Si/SiO2 , и баллистический электронный транспорт на субмикронных расстояниях [1] позволяют надеяться на создание высокоскоростных полевых и одноэлектронных транзисторов на основе графена [3].Вследствие малой атомной массы углерода графен обладает крайне слабымспин-орбитальным взаимодействием, что обеспечивает высокий интерес ксозданию устройств спинтроники на его основе, а постоянное оптическоепоглощение порядка 2,3% на монослой в широком спектральном диапазоне [10] определяет перспективность использования графена в качествематериала для детекторов излучения, внешних электродов для солнечныхбатарей [11].Несмотря на активное и комплексное изучение, оптические и, в особенности, нелинейно-оптические свойства графена остаются малоизученными.

Лишь недавно появились первые работы по магнитооптике [12] инелинейной оптике графена [13,14], и эта область все еще требует тщательного изучения.Таким образом, актуальными являются задачи комплексного исследования нелинейно-оптических свойств графена и их модификации поддействием протекающих в нем процессов, таких как внешние поля, механические напряжения, электронный транспорт. Одним из широко распространенных методов исследования свойств поверхности, границ раздела итонких пленок является метод генерации второй гармоники (ВГ) [15]. Чувствительность эффекта генерации ВГ к нелинейно-оптическим свойствамповерхности или границ раздела обусловлена наличием симметрийного запрета на генерацию ВГ в объеме центросимметричных сред в дипольномприближении.

Относительно недавно было показано теоретически и экспериментально [16–18], что центральная симметрия в полупроводнике можетбыть нарушена при протекании электрического тока, что приводит к генерации второй гармоники, индуцированной током (ТВГ).Наблюдение эффекта ТВГ в графене имеет фундаментальное значение в силу уникальных электронных свойств графена, его высокой проводимости и теоретически предсказанной возможности усиления на несколько7порядков за счет баллистического электронного транспорта и двумерностисистемы [16]. Кроме того, эффект ТВГ в графене имеет также и прикладное значение, поскольку позволяет безконтактно зондировать распределение плотности тока в устройствах графеновой электроники и спинтроники.Второй группой соединений, в которых была реализована линейнаядисперсия электронных состояний, стали двумерные и трехмерные топологические изоляторы - материалы с сильным спин-орбитальным взаимодействием, приводящим к инверсии зонной структуры в окрестности центразоны Бриллюэна [19, 20], и нетривиальной топологией зонной структуры,описываемой Z2 топологическим инвариантом [21].