Диссертация (1091554), страница 14

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 14)

Учитывая,что интенсивность определяется выражением I  2n 0c A2можно записатьобщую мощность гауссова пучка Ρ как:Ρ = n 0c w02 A 2(29)Далее необходимо рассмотреть генерацию ВГ под действием гауссовапучка накачки. Для этого вводим коэффициент нелинейной восприимчивости . Преобразуем выражение (26), представив комплексную амплитудуполяризации в виде:p2   0  A12 ,(30)где  - нелинейная восприимчивость среды, A1 - комплексная амплитудаизлучения накачки. В итоге выражение (26) примет следующую форму:105A22222ik2 T A2   2  A12eikzzc(31)При этом рассогласование между волновыми векторами .накачки k1 игармоники k2 будет определяться следующим образом:k  2k1  k2(32)Подставив в выражение (31) амплитуды гауссовых пучков накачки и ВГиз выражения (27) получим следующую функцию:d A2 ieikz2 A1dzn2c1  iz / z R(33)После интегрирования данного выражения, амплитуда интенсивностиВГ принимает вид:A2 ( z ) i A12 J (zf,d, k ,z R ) ,n2c(34)где функция представлена в виде [171,172]: z f dJ (zf,d, k ,z R ) zfeikz dz1  iz / z R(35)В данном выражении пределы интегрирования выбраны, исходя изкоординаты положения точки фокуса объектива z f и толщины доменнойструктуры d .

При этом считается, что образец полубесконечный. Схемафокусировки оптического излучения представлена на рисунке 33.106Схема фокусировки оптического излучения.Для перевода интенсивности ВГ (34) в мощность необходимоиспользовать выражение (29). Напомним здесь различие этих двуххарактеристик: размерность интенсивности [Вт/м2], размерность мощности [Вт]. Отметим также, что величиной, измеряемой приемником, являетсямощность излучения. При этом следует учитывать, что генерация ВГпроисходит во всей области перетяжки w0 для излучения накачки, поэтомуразница в значениях радиусов перетяжки для разных длин волн не даётникакого вклада. Итоговая формула имеет следующий вид:2Ρ 2  2 2 3 Ρ 12 J (k , z0 , z ) 2 w0 n1 n2c  02(36)Данное выражение позволяет количественно оценить мощностьгенерации ВГ в рассматриваемых структурах LiNbO3.

Однако данная модельне учитывает все особенности экспериментальной установки, такие какдиаметрконфокальнойапертуры,спектральнаячувствительностьфотоэлектронного умножителя, режимы работы синхронного детектора,световыеаберрациииэффективностьраспространенияоптическогоизлучения в системе. Для более аккуратной оценки необходимо проводитьсравнение с нормировочным образцом, параметры генерации ВГ в котором107известны (например, кварц). Однако особенности исследуемого образца(наличие волноводного слоя, периодических доменов и т.д.) не позволяютосуществить это в полной мере.

Поэтому в приведенных теоретическихрезультатах значение мощности ВГ дано в относительных единицах.В проводимых расчётах были использованы следующие значениякоэффициентов преломления: n1  2,176 ; n2  2,331 согласно работе [146].Варьируемыми параметрами, влияющими на мощность, являлись толщинадомена и положение фокальной плоскости.Используя формулу (36) для доменных структур LiNbO3 можнополучить набор зависимостей для оценки мощности ВГ, принимая положениефокуса объектива z fи толщину доменной структуры d в качествепеременных.

На её основе была построена зависимость мощности ВГ оттолщины отдельного домена (рисунок 34).Зависимость мощности ВГ от толщины отдельного домена(апертура объектива 0.75).Полученная функция является периодической с фиксированнымпериодом, равным 90 нм. При этом изменение положения фокальной108плоскости z f не влияет на период и отвечает только за положение максимумаогибающей данной функции.Также для определения влияния глубины фокуса z f на мощность ВГбылипостроенызависимости,представленныенарисунке35.Количественные значения толщин доменов d были выбраны согласнорисунку34–использовалисьмаксимумыпериодическойфункции.Отрицательная область на графике соответствует фокусировке передобразцом, положительная – в объёме образца (рисунок 33).Согласно этим зависимостям при увеличении толщины доменапроисходит сдвиг максимума мощности ВГ в фокальной плоскости.

Придостижении определенной толщины доменной структуры (4 мкм) происходитвыделение дополнительного максимума ВГ, что связано с эффективнойгенерацией ВГ на обратной границе доменной структуры. При большихзначениях толщины домена происходит разделение пиков, при этом мощностьВГ второго пика больше.

Данный эффект связан с увеличенной плотностьюмощности в объёме кристалла, что вызвано меньшим диаметром пучкаизлучения в объёме кристалла.109Моделирование мощности ВГ при варьировании значенийтолщины домена и положения фокальной плоскости.Для наглядной визуализации зависимости мощности ВГ была построена2-мерная зависимость от глубины фокуса z f и толщины домена d (рисунки36 и 37).

Характер построенных теоретических зависимостей качественносовпадаетсэкспериментальнымирезультатами,чтоподтверждаетработоспособность представленной модели.110Моделирование мощности ВГ при варьировании значенийтолщины домена в диапазоне 1-3мкм и положения фокальной плоскости.Моделирование мощности ВГ при варьировании значенийтолщины домена в диапазоне 5-9мкм и положения фокальной плоскости.111Предложенная модель позволяет описать периодические изменениямощности второй оптической гармоники в объёмных доменных структурахLiNbO3.Наосновеполученныхрезультатоввозможноопределитьоптимальные геометрические параметры фокусирующей системы и доменныхструктур для максимальной эффективности генерации ВГ.

Так, например, дляполучения наибольшей мощности ВГ необходимо использовать доменныеструктуры толщиной в 6,55 мкм. Используя полученные результаты можнооценить пространственный период в мощности второй оптической гармоникивдоль домена, который равняется 0,1 мкм. Таким образом, в исследуемомобразце, представленном на рисунке 31 на каждые 10 мкм длины доменапроисходит уменьшение его глубины от 0,07 мкм до 0,25 мкм, то есть угол привершине клиновидного домена составляет 1-2 минуты.Для подтверждения приведенной теоретической модели было проведеносравнение с экспериментальными данными. Для этого с помощьюселективного химического травления и последующего анализа полученнойтопографии с помощью АСМ микроскопии была исследована толщинаполученных доменов.

На рисунке 38 представлены полученные результаты.Черной линией показана зависимость толщины домена от расстояния долокального места облучения электронным пучком, откуда начинался ростдомена. Красная линия – линейная аппроксимация полученной зависимости.С помощью неё можно оценить параметры эволюции толщины домена.Подставив полученные данные в теоретическую модель, можно восстановитьраспределение мощности ВГ.

Так на рисунке 38 синим цветом отмеченатеоретическая зависимость распределение мощности ВГ от толщиныдоменной структуры. Период полученной функции составил 8 мкм, чтохорошо совпадает с экспериментальными данными (рисунок 32 домен №2).112Профиль домена, полученный методом селективноготравления (черная линия), линеаризованный профиль, используемый длярасчетов (красная линия), рассчитанная периодическая зависимостьинтенсивности ВГ вдоль длины домена (синяя линия). Сравнениенеобходимо провести с рисунком 31 (домен № 2).4.4.

Выводы по главе 4В данной главе был исследован нелинейно-оптический откликдоменных структур ниобата лития, созданных с помощью электронного пучка.Показано, что нелинейно-оптическая микроскопия позволяет недеструктивновизуализироватьдоменныеструктурысвысокимпространственнымразрешением. Сделан вывод, что при ускоряющем напряжении электронногопучкаU  15кВидозеоблученияD  4000 А  с / мкм2происходитформирование оптимальных по геометрическим параметрам и однородностидоменных решеток.Было показано наличие периодического сигнала мощности второйоптической гармоники вдоль доменных структур. Сделано предположение,113что данный эффект связан с изменением толщины доменной структуры по еёдлине. Создана теоретическая модель, на основе модели Бойда, позволяющаяописать эволюцию мощности второй оптической гармоники вдоль одиночногодомена.

Показано, что с помощью данной модели возможно проводитьнедеструктивную оценку толщин доменов с высокой точностью.На основании результатов, полученных с помощью теоретическоймодели сделан вывод, что при ускоряющем напряжении электронного пучкаU  15кВ и дозе облучения D  4000 А  с / мкм2 на каждые 10 мкм длиныдомена происходит уменьшение его глубины от 0,07 мкм до 0,25 мкм, то естьугол при вершине клиновидного домена составляет 1-2 минуты, чтосогласуется с приведёнными экспериментальными данными.114ГЛАВА 5. СОЗДАНИЕ НА ОСНОВЕ ХАЛЬКОГЕНИДОВПЕРЕХОДНЫХ МЕТАЛЛОВ И НИОБАТА ЛИТИЯ УСТРОЙСТВИНТЕГРАЛЬНОЙ ОПТИКИ И НАНОЭЛЕКТРОНИКИ5.1.

Созданиеэкспериментальногообразцавысокочувствительногофотодетектора на основе монослойного кристаллита MoS2Цель этой части работы заключалась в создании экспериментальногофотодетектора на основе монослойного кристалла MoS2 с использованиемметодик выбора рабочего кристаллита на основе результатов оптическойдиагностики и исследовании его рабочих характеристик.В качестве основы для создаваемого устройства была использованадегенеративно (вырожденно) легированная кремниевая подложка (удельноесопротивление0.001-0.005Омсм)спредварительносозданнымповерхностным термическим оксидом SiO2 толщиной 90 нм. Первым этапомпроцесса изготовления является подготовка и очистка подложек. Подложкисначала обрабатывались последовательно ацетоном, изопропиловым спиртоми деионизованной водой в ультразвуковой ванне.

Такая последовательностьрастворителей позволяет удалить все органические элементы с поверхностипластины и смыть сами растворители.Далее проводилась чистка поверхности при использовании плазменноготравления поверхности аргоном. Важной особенностью данного методаявляется его высокая проникающая способность.

Микротрещины и различныедефекты не позволяют проникнуть растворителям достаточно глубоко, однакоплазменное травление хорошо справляется с данной задачей. Время травленияидавлениегазаподбиралосьтакимобразом,чтобыудалитьприповерхностный слой оксида толщиной 10нм.115Следующим шагом является нанесение монослойных кристаллитовMoS2 на подложку, методом, описанном в главе 3. Далее для поиска и выборакристаллитов для изготовления фотодетектора использовалась комплекснаяметодикаоптическогоконтроляхарактеристикдихалькогенидов,представленная в разделе 3.5.

Так как фиксация кристаллитов на поверхностьподложки происходит случайным образом, для локализации использовалсяконфокальный сканирующий оптический микроскоп WITec. На рисунке 39представлен общий вид подложки с нанесенными на неё кристаллитом.Основываясь на значении контраста можно сделать вывод о толщинекристаллита. Так, например, видно, что кристаллит состоит из 2х частей:нижний, тонкий сегмент (темная область на изображении) и верхний толстый(болеесветлаяобласть).Представленноеизображениеполученосвидеокамеры при освещении белым светом. Поэтому ни выделить четкосегмены с различной толщиной, ни определить толщины сегментов по этомуизображению невозможно.Общий вид кремниевой подложки с нанесённым на неёкристаллитом MoS2, полученный с помощью видеокамеры.116Дальнейший анализ, выполненный при помощи люминесцентноймикроскопии,показал,чтотольконижнийсегментобладаетлюминесцентными свойствами, что свидетельствует о его малой толщине(рисунокКоличественно,40).измерениеинтенсивностиизлученияфотолюминесценции и формы спектра позволило утверждать, что выбранныйсегмент имеет толщину в один монослой.(а)ИзображениеотдельногокристаллитаMoS2,полученного с помощью методики люминесцентной микроскопии;Пунктиром отмечен сегмент, имеющий толщину в один монослой.

Характеристики

Список файлов диссертации