Коллективные явления в наноструктурах

Фотоника является одной из наиболее актуальных областей современной физики, поскольку построенные на основе контроля потока фотонов приборы и устройства могут обеспечить наиболее быстрый способ передачи и обработки информации. Для создания таких приборов необходимо разработать новые физические принципы управления светом и исследовать как их фундаментальные основы, так и их возможные реализации в рамках имеющихся экспериментальных и промышленных технологий.

Задачей данного направления является изучение фундаментальных физических закономерностей коллективного взаимодействия различных систем локализованных плазмонных и экситонных возбуждений со светом. Количество возможных реализаций таких систем очень велико. Для конкретного изучения выбраны несколько наиболее важных, на наш взгляд, систем, для которых существуют разработанные технологии получения как самих структур, так и комплементарных эффективных источников света - лазеров и светодиодов. Такими системами являются периодические и апериодические системы экситонов в квантовых ямах GaAs-AlGaAs, InGaAs-GaAs, InGaN-GaN, GaN-AlGaN и локализованных плазмонов в системах металлических наночастиц AsSb в полупроводниковых матрицах AlGaAs.
 

Резонансные брэгговские структуры на основе III-арсенидов

Спектры оптического отражения от РБС с 60 периодами (a) и от референтной структуры с одиночной элементарной ячейкой (b). Спектры записаны при 4.2K и при нормальном падении света. Стрелками отмечены особенности, связанные с экситонами с тяжелыми и легкими дырками, x(e1−hh1) и x(e1−lh1), в КЯ и с экситонными возбуждениями в подложке GaAs и барьере AlGaAs. Толщина барьеров в РБС обеспечивает брэгговский резонанс при энергии, близкой к энергии экситонов в квантовых ямах.

Спектры оптического отражения от РБС с 60 периодами при 4.2K и при различных углах падения света с s-поляризацией. При увеличении угла падения брэгговский пик постепенно смещается в сторону больших энергий. Угол 23° соответствует энергии брэгговского резонанса, меньшей энергии экситонов в КЯ. При этом коэффициент брэгговского отражения в максимуме и коэффициент экситонного отражения в максимуме составляют 60%. Совмещение резонансов происходит при угле падения света 45°. При этом возникает полоса отражения шириной 16 мэВ с коэффициентом отражения > 90%. Дальнейшее увеличение угла падения света приводит вновь к расстройке резонансов и расщеплению резонансного пика отражения на экситонную и брэгговскую компоненты.

(a) Спектры фотолюминесценции (ФЛ) из РБС с 60 КЯ в сравнении с референтным образцом с 1 КЯ. ФЛ из 1 КЯ увеличена в 10 раз и смещена на 0.2, чтобы быть видимой, (b) спектр оптического отражения от референтного образца и (c) от РБС при нормальном падении света. Температура 4.2 K.

Спектры оптического отражения, измеренные при нормальном падении света и различных температурах от 10 до 273 K. Черна и белая тонкие линии показывают положение x(e1-hh1) и x(e2-hh2) резонансов, соответственно.

Экситоны являются собственными возбуждениями электронной системы полупроводника. Такие возбуждения характеризуются относительно слабым взаимодействием со светом и обычно изучаются при криогенных температурах. Взаимодействие экситонов со светом можно значительно усилить, если поместить экситоны в квантовые ямы (сделать их квази-двумерными), а сами ямы периодически расположить в пространстве, так чтобы брэгговская дифракция света происходила на резонансной частоте экситонов. В таких резонансных брэгговских структурах (РБС) взаимодействие света с веществом значительно усилено. При создании РБС на основе III-арсенидов, например, квантовых ям (КЯ) GaAs с барьерами AlGaAs, коэффициент отражения света экситонной системой может превышать 90% при совпадении частот экситонного и брэгговского резонансов. То есть экситоны создают резонансный фотонный кристалл. Оказалось, что экситонную РБС можно построить на основе любого квантового состояния экситонов в квантовых ямах, поскольку для формирования когерентной коллективной экситонной моды не требуется заселенности электронных, дырочных или экситонных состояний.

1. Resonant optical properties of AlGaAs/GaAs multiple-quantum-well based Bragg structure at the second quantum state. Y. Chen, N. Maharjan, Z. Liu, M. L. Nakarmi, V. V. Chaldyshev, E. V. Kundelev, A. N. Poddubny, A. P. Vasil’ev, M. A. Yagovkina, and N. M. Shakya. J. Appl. Phys. 121, 103101 (2017).

2. Research of resonant light reflection by a periodic system of GaAs/AlGaAs quantum wells. P.A. Tonkaev, A.A. Kondikov V. V. Chaldyshev. J. of Physics C. 738, 012060 (2016).

3. Резонансное отражение света периодической системой экситонов в квантовых ямах GaAs/AlGaAs. В. В. Чалдышев, Е. В. Кунделев, Е. В. Никитина, А. Ю. Егоров, А. А. Горбацевич,  Физика и техника полупроводников, 46, 8, 1039-1042 (2012).

4. Resonant optical reflection by a periodic system of the quantum well excitons at the second quantum state. V. V. Chaldyshev, Y. Chen, A. N. Poddubny, A. P. Vasil’ev, and Z. Liu, Appl. Phys. Lett., 98, 073112 (2011).

 

Резонансные брэгговские структуры на основе III-нитридов

Спектры оптического отражения от образцов с 1, 10, 30, и 60 КЯ InGaN. Угол падения света 66°, s-поляризация. Множественные квантовые ямы образуют периодическую брэгговскую последовательность.

Спектры оптического отражения от РБС с 60 КЯ InGaN, записанные при различных углах падения света с p-поляризацией. Внизу - спектр фотолюминесценции из этой же РБС.

Преимущество широкозонных III-нитридов по сравнению с III-арсенидами состоит в большей энергии связи экситонов и более сильном взаимодействии экситонов со светом. Создание РБС на основе III-нитридов позволяет дополнительно усилить это взаимодействие. В частности, в периодической системе квантовых ям InGaN возникает коллективная суперизлучательная экситон-поляритонная мода, обеспечивающая эффективное резонансное взаимодействие света с экситонными возбуждениями даже при комнатной температуре. Это делает возможным создание новых фотонных приборов, таких как управляемые экситонные брэгговские отражатели. Активные переключатели световых потоков, обладающие высоким быстродействием и малыми потерями, являются ключевыми элементами будущих фотонных компьютеров.

1. Room temperature exciton-polariton resonant reflection and suppressed absorption in periodic systems of InGaN quantum wells. A.S. Bolshakov, V. V. Chaldyshev, E. E. Zavarin, A. V. Sakharov, W. V. Lundin, A. F. Tsatsulnikov, and M. A. Yagovkina. J. Appl. Phys., 121, 133101 (2017).

2. Оптическая спектроскопия резонансной брэгговской структуры с квантовыми ямами InGaN/GaN. А.С. Большаков, В.В. Чалдышев, Е.Е. Заварин, А.В. Сахаров, В.В. Лундин, А.Ф. Цацульников. Физика и техника полупроводников, 50, 1451 (2016).

3. Resonant Bragg structures based on III-nitrides. A.S. Bolshakov, V. V. Chaldyshev, W. V. Lundin, A. V. Sakharov, A. F. Tsatsulnikov, M. A. Yagovkina. E. E. Zavarin, J. Mater. Res., 30, 603 (2015).

4. Оптические решетки экситонов в системах квантовых ям InGaN/GaN. В.В. Чалдышев, А.С. Большаков, Е.Е. Заварин, А.В. Сахаров, В.В. Лундин, А.Ф. Цацульников. М.А. Яговкина. Физика и техника полупроводников, 49, 6 (2015).

5. Резонансная брэгговская структура со сдвоенными квантовыми ямами InGaN, А.С. Большаков, В.В. Чалдышев, Е.Е. Заварин, А.В. Сахаров, В.В. Лундин, А.Ф. Цацульников, М.А. Яговкина, Физика твердого тела, 55, 9, 1706-1708 (2013).

6.  Optical lattices of InGaN quantum well excitons. V. V.  Chaldyshev, A. S. Bolshakov, E. E. Zavarin, A. V. Sakharov, W. V. Lundin and A. F. Tsatsulnikov, M. A. Yagovkina, T. Kim, Y. Park, Appl. Phys. Lett., 99, 25, 251103 (2011).

 

Метаматериалы и резонансные брэгговские структуры на основе плазмонных металлических наночастиц в полупроводниках

Изображение наночасти As в матрице GaAs, полученное методом просвечивающей электронной микроскопии.

Экспериментальные (черная и красная кривые) и расчетные (синяя кривая) спектры оптической экстинкции в метаматериале AlGaAs-AsSb.

Плазмоны являются собственными электронными возбуждениями в металлах. В объемных плазмонных металлах, таких как серебро или золото, собственный плазмонный резонанс соответствует ультрафиолетовой области спектра. Путем управляемой само-организации плазмонных наночастиц в матрице полупроводника оказалось возможным сместить этот резонанс в инфракрасную область, в которой полупроводниковая матрица прозрачна для света. Из таких наночастиц оказывается возможным составить периодические системы, обеспечивающие брэгговский резонанс на частотах, близких к плазмонному. Как и в случае экситонных РБС, в плазмонных РБС резонансно усиливается взаимодействие света с веществом. За счет этого явления можно создать структуры с ультракоротким (до десятков и даже единиц фемтосекунд) временем переключения оптических свойств.

1. Брэгговский резонанс в системе плазмонных нановключений AsSb в AlGaAs. В.И.Ушанов, В.В. Чалдышев, В.В. Преображенский, М.А. Путято, Б.Р. Семягин, Физика и техника полупроводников, 50, 12, 1620-1624 (2016).

2. Плазмонный резонанс в новых металло-полупроводниковых метаматериалах AsSb-AlGaAs. В.И.Ушанов, В.В. Чалдышев, Н.А. Берт, В.Н. Неведомский, Н.Д. Ильинская, Н.М. Лебедева, В.В. Преображенский, М.А. Путято, Б.Р. Семягин, Физика и техника полупроводников, 49, 12, 1641-1645 (2015).

3. Резонанс Фрелиха в системе AsSb/AlGaAs. В.И.Ушанов, В.В. Чалдышев, Н.Д. Ильинская, Н.М. Лебедева, М.А. Яговкина, В.В. Преображенский, М.А. Путято, Б.Р. Семягин, Физика твердого тела, 56, 10, 1891-1895 (2014).

4. Отражение света от брэгговской решетки металлических нановключений AsSb в матрице AlGaAs. В.И.Ушанов, В.В. Чалдышев, В.В. Преображенский, М.А. Путято, Б.Р. Семягин, Физика и техника полупроводников, 47, 8, 1043-1047 (2013).

5. П.В. Лукин, В.В. Чалдышев, В.В. Преображенский, М.А. Путято, Б.Р. Семягин, Оптические свойства структур GaAs, содержащих периодическую систему слоев металлических нановключений AsSb, Физика и техника полупроводников, 46, 10, 1314-1318 (2012).

Руководитель направления: Владимир Викторович Чалдышев.

Информация © 2015-2017 Университет ИТМО
Разработка © 2015 Департамент информационных технологий