Диссертация (1104238), страница 12
Текст из файла (страница 12)
Пленкиграфена были получены химическим газофазным осаждением [41, 79] наникелевую фольгу толщиной порядка 100 мкм при температуре 400 градусов Цельсия в атмосфере CH3 , H2 . Осажденная пленка оттравливалась отметаллической подложки жидкостным травителем (FeCl3 ) и переносиласьна подложки из кремния с кристаллографической ориентацией (001) с термически выращенным оксидным слоем толщиной 300 нм (обеспечивавшиймаксимальные значения оптического контраста [76,77]) и стекла толщиной150 мкм. Толщина пленок на кремниевой подложке составляла в среднем4-5 моноатомных слоев, образцы на стеклянной подложке имелись толщиной приблизительно 2, 5, 10 и 12 моноатомных слоев. Фотографии образцовна кремниевой подложке представлены на рисунке 2.1.Для пленок толщиной менее 5 моноатомных слоев средняя толщинаопределялась по положению и форме линии двухфононного рамановского рассеяния 2D в соответствии с методикой, описанной в [73].
Для более толстых образцов была проведена градуировка системы, осуществляющей химическое осаждение графеновых пленок, что позволило контролировать среднюю толщину. Дополнительно, средние толщины для этихпленок определялись с помощью измерений оптического пропускания. Дляряда образцов было проведено измерение морфологии многослойных пленок с помощью растровой электронной микроскопии, подтверждающее поликристаллический характер осажденных пленок с размерами кристаллитов по 2-3 микрометра, разделенных границами субмикронной ширины.64Рис. 2.1.
Фотография исследовавшихся образцов графена на кремниевой подложке.Для проведения измерений, предусматривающих пропускания постоянного тока через графеновые пленки, был реализован электрический контактпосредством механического прижимания платиновых электродов к поверхности пленки. Точность воспроизведения значений сопротивления пленки(с учетом контактного сопротивления) для одинакового расстояния междуконтактами и пространственного расположения относительно границ пленки составляла 10-15 %. Типичные значения сопротивлений пленки в нашихэкспериментах составляли 5 − 10кОм, а значения токов и падений напряжений 0−15 мА и 0−40 В соответственно.
Оценочные значения плотноститока составляют 104 − 105 А/см2 .Для обеспечения однозначной связи параметров эксперимента везде вдальнейшем ток и падение напряжения на образце измерялись независимо.Образцы были изготовлены в лаборатории спектроскопии наноматериалов Института Общей Физики РАН под руководством к.ф.-м.н. Е.Д.Образцовой.2.1.2.Экспериментальная установка по наблюдению генерацииВГСхема экспериментальной установки на основе фемтосекундного лазера для наблюдения генерации ВГ представлена на Рис. 2.2.
В качестве накачки используется линейно поляризованное излучение титансапфирового (Ti:Sa)-лазера. Излучение титан-сапфирового лазера представляет собой импульсы длительностью порядка 100 фс, следующие с ча-65стотой 80 МГц. Средняя мощность импульсного излучения порядка 100мВт при мощности накачки (аргонового лазера) около 3 Вт. Длина волны излучения может изменяться в диапазоне 720 - 860 нм. Спектральнаяширина линии на длине волны 800 нм составляет приблизительно 6 нм.Рис.
2.2. Схема экспериментальной установки.Поляризация накачки устанавливалась с помощью двойного ромбаФренеля либо поляризационного компенсатора Бабине-Солея и призмыГлана-Тейлора. Далее излучение накачки проходило через фильтр RG695толщиной 3 мм, подавляющий засветку от аргонового лазера, и при помощи короткофокусной (фокусное расстояние ∼ 50 мм) линзы фокусировалось на образец в пятно диаметром порядка 50 мкм. Фильтры BG39 общейтолщиной 9 мм, расположенные после образца, отрезают излучение накачки и пропускают излучение второй гармоники, которое посредством линзыпреобразуется в параллельный пучок.
Пройдя через призму Глана, определяющую поляризацию регистрируемого излучения, сигнал второй гармоники попадает на ФЭУ Hamamatsu R4220P, работающий в режиме счетафотонов. Сигнал ФЭУ обрабатывается с помощью аналогоцифрового преобразователя (счетчика фотонов). Контроль за длиной волны накачки осуществляется спектрометром. Образец закреплен на столике, который припомощи шагового двигателя может вращаться вокруг своей оси.
Часть излучения Ti:Sa-лазера отводится в канал сравнения. В качестве источника66генерации ВГ в канале сравнения используется пластина кристаллическогокварца, квадратичная восприимчивость которого не имеет спектральныхособенностей в области перестройки Ti:Sa-лазера.
В эксперименте измеряется отношение числа отсчетов ФЭУ сигнального канала к числу отсчетов ФЭУ канала сравнения (Isignal /Iref ), что позволяет уменьшить влияниефлуктуаций мощности и длительности импульсов лазерного излучения навеличину регистрируемого сигнала.2.1.3.Установка для измерения линейных спектровДля измерения линейных спектров используется установка, собранная на основе спектрометра с CCD-матрицей Avesta ASP100М.
Спектральный диапазон спектрометра 160-1200 нм, дисперсионный элемент - дифракционная решетка с 400 штр/мм, калиброваный по длинам волн известных лазеров (аргоновый, гелий-неоновый, неодимовый). Входная апертураспектрометра составляет 1 градус. Спектрометр автоматизирован и управляется при помощи программы, написанной в среде LabView.Рис.
2.3. Принципиальная схема установки для измерения линейных спектров. Измеряются:(a) спектры отражения, (б) спектры пропускания.В случае измерения спектров отражения (Рис. 2.3(а)) свет, генерируемый лампой накаливания, фокусируется линзой, после чего диафрагмой вырезается плоскопараллельный пучок. Расходимость пучка составляет 1,5o . Пучок попадает на образец под заданным углом падения. Отраженное от образца излучение регистрируется спектрометром. В случаеизмерения спектров пропускания (рис. 2.3(а)) пучок проходит через образец и регистрируется спектрометром.Зарегистрированный спектр нормируется. Для нормировки спектровотражения вместо образца помещается зеркало с известным коэффициен-67том отражения, для нормировки спектров пропускания снимается спектрбез образца.Установка позволяет измерять спектры в диапазоне 450-1000 нм(определяется спектром лампы подсветки) с точностью 1 нм (определяетсяспектральным разрешением спектрометра).68§ 2.2.Генерация второй оптической гармоники в многослойномграфене§ 2.3.Линейные спектрыНа рисунках 2.4(a)-(б) предоставлены линейные спектры отраженияобразцов графена на подложке кремния, измеренные под разными угламипадения излучения, и спектры пропускания аналогичных пленок графенана стекле, измеренные под нормалью к поверхности.
Последние демонстрируют постоянное в широком спектральном диапазоне поглощение, согласующееся с литературными данными [10, 72]. Вблизи коротковолновой границы спектра наблюдается уменьшение пропускания, часто связываемоес сингулярностью Ван-Хофа прямых электронных переходов в окрестности M-точки зоны Бриллюэна, сдвинутой за счет экситонного резонанса вобласть энергий в окрестности 4,5 эВ [72]. В спектре отражения для образцов на кремнии наблюдается минимум, связанный с интерференцией светав 300 нанометровом оксидном слое и обеспечивающий хорошую видимостьграфена на подложке(в соответствии с [76, 77])Рис. 2.4. (a) Спектр линейного отражения пленки графена на подложке Si/SiO2 (б) Линейныйспектр пропускания двух различных образцов графена на стеклянной подложкеДля образцов графена на кремнии при угле падения 70o были измерены линейные спектры отражения для разных точек образца.
По измеренным спектрам в области длин волн, где интерференция сказываетсянаименьшим образом, был определен средний разброс по толщине в разныхобластях пленки, составивший 4-7 монослоев..69§ 2.4.Квадратичный нелинейно-оптический оклик многослойного графена в отсутствие внешних полей2.4.1.Анизотропия интенсивности второй гармоникиКак уже обсуждалось в §1.6.3 обзора литературы, посвященном симметрии эффекта ТВГ, ключевым является знание морфологии пленки графена на микро- и нанометровых масштабах. Удобным средством для проверки «интегрально» этих предположений является метод измерения анизотропии отраженной ВГ. Кристаллическая решетка монослоя графенаимеет гексагональную структуру что соответствует группе симметрии D6h(6mm).
Такая симметрия является слишком высокой, для наблюдения анизотропного сигнала ВГ в дипольном приближении, особенно с учетом малой толщины одного моноатомного слоя, что подтверждается экспериментом [13]. В то же время кристаллическая решетка графита (и многослойного графена, получаемого механическим отщеплением) представляет собойпоследовательность сдвинутых на пол периода решетки графеновых слоев(так называемое ABA соединение), что понижает симметрию поверхностидо С3v (3m).
Именно данное понижение симметрии и обуславливает наличие заметного сигнала ВГ от поверхности графита, а также многослойногографена, полученном механическим отщеплением от графита [13]. Такимобразом, в случае однородной и строго ориентированной пленки на масштабах порядка диаметра перетяжки лазерного луча интенсивность ВГ от графена, имеющая симметрию третьего порядка I2ω ∝ |a + bcos(3φ)|2 должнаподавлять квадрупольную гармонику от подложки кремния, азимутальнаязависимость которой (для поверхности (001)) имеет симметрию четвертого порядка I2ω ∝ |a + bcos(4φ)|2 .
В случае же разориентированной и/илиполикристаллической пленки, когда оправдано приближение однороднойпленки, симметрия третьего порядка в отклике отраженной ВГ проявляться не должна.На рисунке 2.5 представлены анизотропные зависимости интенсивности отраженной ВГ от чистой подложки кремния и структурыграфен/SiO2 /Si(001). Измерения проводились при угле падения 45o надлине волны 800 нм в pp комбинациях поляризаций накачки и ВГ. Обе зави-701,3SiO /Si21,2/SiO /Si.)2(a+bsin(4))2(.1,11,00,90,80,70,60,5060120180240(300360)Рис. 2.5. Анизотропия интенсивности отраженной второй гармоники от кремниевой подложкии от структуры графен/SiO2 /Si(001) в pp комбинации поляризаций накачки и ВГ.симости демонстрируют симметрию четвертого порядка, соответствующуюкристаллографической симметрии поверхности кремния (001). Разница винтенсивностях сигналов хорошо описывается поглощением в 5 моноатомных слоях графена исходя из соотношения 2,3% [10] на моноатомный слой.Полученные результаты позволяют сделать вывод об отсутствии у имеющейся пленки графена выделенной кристаллографической ориентации ипренебрежимо малой величине анизотропной ВГ при данных экспериментальных условиях.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
