Автореферат (1104237), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Подобный подход хорошо развит на основе оптической методики накачки-зондирования, позволяющей получать рекордное временное разрешение для объемных материалов и которая только начинает использоваться для изучения электронныхпроцессов в топологических изоляторах [11].Цель диссертационной работы состояла в экспериментальном исследовании механизмов формирования линейного оптического и квадратичного нелинейно-оптического отклика группы новых материалов, обладающих двумерными электронными состояниями с дираковским спектром5- многослойного графена, трехмерного топологического изолятора Bi2 Te3и структуры топологический изолятор/ферромагнитный металл, а такжев исследовании временных характеристик их оптического и нелинейнооптического отклика.
В рамках данной цели были сформулированы следующие задачи:1. Исследование особенностей квадратичного нелинейного оклика многослойного графена, полученного химическим газофазным осаждением, и изучение влияния протекания электрического тока на процессгенерации ВГ в графене.2. Исследование динамики линейного оптического отклика кристалловBi2 Te3 в широком диапазоне температур и мощностей накачки.3.
Исследование динамики квадратичного нелинейно-оптического отклика структур на основе тонких пленок Bi2 Te3 .Обоснованность и достоверность Результаты, представленные в диссертации, получены на основе многократно повторенных экспериментов,проведенных на современном научном оборудовании с использованием современных методов обработки данных. Экспериментальные данные подтверждены расчетами, основанными на адекватно выбранных физическихмоделях анализируемых процессов, а также не противоречат результатамдругих групп исследователей. Результаты исследований неоднократно обсуждены на семинарах и доложены на специализированных конференцияхпо проблемам, связанным с тематикой диссертационной работы. Большаячасть результатов опубликована в международных и российских научныхжурналах. Это позволяет считать полученные результаты обоснованнымии достоверными, а также полностью отвечающими современному мировому уровню исследований.Научная новизнадиссертационной работы состоит в следующем:1.
Впервые исследовано нелинейное рассеяние на частоте второй оптической гармоники в пленках химически осажденного многослойногографена. Методом микроскопии ВГ продемонстрировано, что основной вклад в нелинейное рассеяние дают «складки» между кристаллитами в поликристаллической пленке графена.2.
Впервые изучены спектры генерации второй гармоники в пленкахмногослойного графена на подложке SiO2 /Si в условиях протеканияэлектрического тока и показано, что наблюдается значительная, до20%, модуляция интенсивности ВГ, зависящая от величины и направления электрического тока; предложено феноменологическое описа-6ние эффекта, основанное на снятии центральной симметрии структуры в присутствии тока.3. Впервые исследована динамика дифференциального отражения кристаллов топологического изолятора Bi2 Te3 при оптическом возбуждении излучением ближней инфракрасной области спектра. Впервыенаблюдалось возбуждение всех четырех разрешенных когерентныхфононных мод в этих условиях.4.
Впервые изучена динамика квадратичного нелинейно-оптическогоотклика тонких пленок Bi2 Te3 . Впервые наблюдалось когерентноевозбуждение ИК-активных объемных фононных мод в теллуридевисмута и возбуждение поверхностной A1 моды, связанной с нарушением симметрии в приповерхностной области.Научная и практическая значимость работы состоит в расширении понимания механизмов, формирующих линейный и квадратичныйнелинейно-оптический отклик графена и представителя второго поколения сильных топологических изоляторов — теллурида висмута, в развитиифеноменологических методов описания наблюдающихся в них эффектов, атакже нелинейно-оптических экспериментальных методик диагностики таких сред. Результаты, полученные в диссертационной работе, демонстрируют новые возможности метода генерации ВГ для диагностики данныхнаноматериалов, в том числе для исследования электрон-фононного взаимодействия на поверхности топологического изолятора.
С практическойточки зрения изучавшиеся эффекты могут найти применение при созданииоптических сенсоров.Защищаемые положения:1. Генерация второй гармоники в многослойном графене, полученномметодом химического газофазного осаждения, имеет существеннуюнекогерентную диффузную составляющую, связанную преимущественно с флуктуациями квадратичной восприимчивости в областинеоднородной структуры графена в окрестности складок между микрокристаллитами.2. Протекание постоянного электрического тока через графен на подложке SiO2 /Si приводит к появлению дополнительного когерентноговклада в генерацию ВГ, определяемого величиной и направлениемтока.3. Динамика линейного дифференциального отражения кристаллов топологического изолятора Bi2 Te3 определяется совокупностью процес-7сов электронной и решеточной динамики, а именно динамикой газа свободных носителей заряда, их диффузией, нагревом кристаллической решетки в поле лазерного излучения и когерентным возбуждением оптических фононов.
При этом использование в качестве накачки ИК излучения позволяет эффективно возбуждать все 41,2рамановски-активные моды A1,21g и Eg кристалла Bi2 Te3 .4. Динамика дифференциального сигнала отраженной и прошедшей ВГв тонких пленках Bi2 Te3 определяется совокупностью процессов динамической экранировки приповерхностного поля, диффузии носителей заряда и когерентного возбуждения ИК-активных оптическихфононных мод. Наиболее интенсивной, предположительно являетсяповерхностная A1 мода, связанная с понижением симметрии на поверхности за счет обрыва связи и/или электрического поля.Личный вклад автора.
Все результаты, представленные в диссертационной работе, получены автором лично или при его непосредственномучастии в «Лаборатории нелинейной оптики наноструктур и фотонныхкристаллов» на кафедре квантовой электроники Физического факультета Московского Государственного Университета им. М.В. Ломоносова, атакже в фемтосекундном лазерном центре Института спектроскопии РАНи в группе экспериментальной биофизики и нанотехнологий королевскогоколледжа в Лондоне (King’s College London), г. Лондон, Великобритания.Публикации.
Основные результаты, полученные в данной работе, опубликованы в четырех статьях, список которых приведён в конце автореферата.Апробация работы. Результаты работы представлены на докладах навсероссийских и международных конференциях, наиболее значимые изкоторых: IONS-10 2011 (Саутгемптон, Великобритания), IONS-NA-3 2011(Стенфорд, Калифорния, США), Frontiers in Optics/Laser Science (FiO/LS)2011 (Сан-Хосе, Калифорния, США), IONS-11 2012 (Париж, Франция),2nd Chineese-Russian Workshop on Laser Physics 2012 (Тяньцзынь, КНР)EOS Annual Meeting 2012 (Абердин, Великобритания), The InternationalConference on Coherent and Nonlinear Optics/The Lasers, Applications, andTechnologies (ICONO/LAT) 2013 (Москва, Россия), XII Российская конференция по физике полупроводников 2015 (Звенигород, Россия).
Список основных опубликованных тезисов докладов приведён в конце автореферата.Структура диссертационной работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения и списка цитированной ли-8тературы. Работа состоит из 160 страниц и содержит 63 иллюстраций, 4таблицы и 152 библиографических ссылки.Содержание работыВведение.
Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цели и задачи исследования, приведены положения, выносимые на защиту, отмечена научная новизна и практическая значимость работы, привоелены сведения о публикациях результатов работы, апробации и структуре диссертации.Глава 1 «Обзор литературы». В главе рассматриваются работы, посвященные как теоретическим, так и экспериментальным аспектам физикиграфена и топологических изоляторов, а также описаны теоретические основы формирования нелинейно-оптического отклика данных материалов.Вначале обсуждаются общие аспекты квадратичного оптического отклика (генерации второй гармоники, ВГ) и особенности этого процесса, связанные с запретом на генерацию ВГ в дипольном приближениив объеме центрально-симметричных сред, приводящем к поверхностнойселективности эффекта генерации ВГ [6].
Отдельное внимание уделеноэлектро-индуцированным и токо-индуцированным эффектам в квадратичном нелинейно-оптическом отклике. В работе [12] показано, что метод генерации ВГ является эффективным для изучения приповерхностных электрических полей в центросимметричных полупроводниках. В работе [7]предложен механизм снятия инверсной симметрии протекающим электрическим током, справедливость которого была продемонстрированный экспериментально в кремнии.
Отдельно описан механизм генерации некогерентой ВГ в виде гиперрэлеевского рассеяния света и его связь с характерными масштабами корреляций флуктуаций квадратичной восприимчивости нелинейной среды [13].В следующем разделе описана общая постановка задачи по исследованию сверхбыстрой динамики физических процессов, формирующих оптический и нелинейно-оптический отклик проводников, полупроводников иферромагнитных материалов.
Приведено общее феноменологическое рассмотрение релаксации возбуждаемых сверхкоротким лазерным импульсомэлектронной, спиновой и решеточной подсистем в благородных и ферромагнитных металлах в рамках двух- и трехтемпературных моделей [14].В разделе также обсуждаются различные физические процессы, дающиевклад в дифференциальный оптический и нелинейно-оптический откликповерхности полупроводников и когерентная динамика кристаллическойрешетки материалов за счет возбуждения оптических фононов.
Описана классификация фононных колебаний в рамках теории представлений9конечных групп и механизмы возбуждения когерентных оптических фононов, в том числе механизм внутриимпульсного вынужденного рамановского рассеяния и механизм смещения [15], описывающий возбуждения внепрозрачных полуметаллах.Разделы §1.7 и §1.8 посвящены обзору теоретических и экспериментальных подходов к изучению электронных и оптических свойств графена итопологических изоляторов. В разделе §1.7.1 излагаются особенности зонной структуры графена, демонстрирующей линейный закон дисперсии дляэлектронов в окрестности K и К’ точек высокой симметрии в широкомдиапазоне энергий. Данная дисперсия приводит к возможности наблюдения нового «полуцелого» квантового эффекта Холла, не демонстрирующего, однако, дробных значений кванта проводимости [2].
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
