Диссертация (1104238)
Текст из файла
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].
Характеристики
Тип файла PDF
PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.
Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
