en
Назад
DOI: 10.17586/1023-5086-2024-91-02-112-121
УДК: 544.537
Генерация второй гармоники c эффектом активации в гибкой мембране с кремниевыми нитевидными нанокристаллами
Полный текст на elibrary.ru
Публикация в Journal of Optical Technology
Масталиева В.А, Неплох В.В., Айбуш А.В., Фёдоров В.В., Якубова А.А., Коваль О.Ю., Гудовских А.С., Макаров С.В., Мухин И.С. Генерация второй гармоники c эффектом активации в гибкой мембране с кремниевыми нитевидными нанокристаллами // Оптический журнал. 2024. Т. 91. № 2. С. 112–121.
http://doi.org/10.17586/1023-5086-2024-91-02-112-121
Mastalieva V.A., Neplokh V.V., Aybush V.A., Fedorov V.V., Yakubova A.A., Koval O.Y., Gudovskikh A.S., Makarov S.V., Mukhin I.S. Second harmonic generation with activation effect in a flexible membrane with silicon nanowires [In Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2024. V. 91. № 2. P. 112–121. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2024-91-02-112-121
Viktoriia A. Mastalieva, Vladimir V. Neplokh, V. Arseniy Aybush, Vladimir V. Fedorov, Anastasiya A. Yakubova, Olga Y. Koval, Alexander S. Gudovskikh, Sergey V. Makarov, and Ivan S. Mukhin, "Second harmonic generation with the activation effect in a flexible membrane with silicon nanowires," Journal of Optical Technology. 91(2), 125-130 (2024). https://doi.org/10.1364/JOT.91.000125
Предмет исследования. Нелинейные оптические свойства массивов кремниевых нитевидных нанокристаллов, сформированных методом травления в индуктивно-связанной плазме диаметром 80 нм и высотой 1,3 мкм, инкапсулированные в полидиметилсилоксан. Цель работы. Разработка преобразователя инфракрасного излучения в видимый диапазон на основе гибких полимерных мембран большой площади, инкапсулирующих массивы кремниевых нитевидных нанокристаллов. Диагностика нелинейных оптических свойств массивов нитевидных нанокристаллов, определение механизма преобразования падающего инфракрасного излучения в оптические гармоники высших порядков видимого спектрального диапазона, оценка эффективности генерации второй гармоники. Метод. Возбуждение генерации второй гармоники в области расширенного видимого спектрального диапазона с использованием параметрического усилителя для прецизионного выбора длины волны возбуждения в широком спектральном диапазоне позволяет исследовать нелинейные эффекты разных порядков, а также работать вблизи волноводных резонансов нанокристаллов. Нелинейно-оптические исследования мембран, содержащих кремниевые нитевидные нанокристаллы в полимере, проводились с помощью лазерного сканирующего микроскопа. Через внешний порт акустооптического модулятора микроскопа подавались фемтосекундные лазерные импульсы. Основные результаты. Исследование преобразователей инфракрасного излучения в видимый диапазон на основе кремниевых нитевидных нанокристаллов мотивировано работами по генерации второй гармоники на поверхности кремния и в объёмном кремнии при наличии встроенных электрических полей. Предложенные методы отличаются от рассматриваемых в данной статье как материалами, так и методами диагностики: ранее изучались свойства планарных резонаторов, изготовленных стандартными методами процессирования и паттернирования тонких плёнок, а генерация второй гармоники возникает главным образом в объёмном кремнии, в котором необходимый параметр c(2) возникает при приложении внешнего электрического поля или механического напряжения. Стоит отметить, что спектральная область сигнала второй гармоники лежит в диапазоне окна прозрачности оптического волокна, а диагностика выполнена в современной экспериментальной установке с перестраиваемой длиной волны. Таким образом, в данной работе продемонстрирована усиленная генерация второй гармоники в структурах нового дизайна мембран массивов кремниевых нитевидных нанокристаллов в прозрачном силоксане. В эксперименте обнаружен эффект активации генерации второй гармоники при облучении фемтосекундными лазерными импульсами, приводящий к значительному и необратимому увеличению сигнала генерации второй гармоники, который может быть связан с реструктуризацией поверхностного материала и электро-индуцированной второй гармоникой из-за зарядки электронных ловушек в приповерхностном слое кристалла. Практическая значимость. Полученные результаты представляют новые подходы к проектированию и производству преобразователей инфракрасного диапазона в видимый свет. Разрабатываемые мембраны кремниевых нитевидных нанокристаллов в прозрачном силоксане необходимы для создания интегрированных на кремнии преобразователей света, включая визуализаторы инфракрасного излучения.
нитевидные нанокристаллы, нелинейная оптика, нанофотоника, инфракрасное излучение, вторая гармоника, кремний, гибкие устройства
Благодарность:Коды OCIS: 190.0190, 300.0300
Список источников:1. Han S.T., Peng H., Sun Q., Venkatesh S., Chung K.S., Lau S.C., Roy V.A.L. An overview of the development of flexible sensors // Advanced materials. 2017. V. 29(33). P. 1700375. https://doi.org/10.1002/adma.201700375
2. Fedorov V.V., Bolshakov A., Sergaeva O., Neplokh V., Markina D., Bruyere S., Mukhin I.S. Gallium phosphide nanowires in a free-standing, flexible, and semitransparent membrane for large-scale infrared-to-visible light conversion // ACS nano. 2020. V. 14(8). P. 10624–10632. https://doi.org/10.1021/acsnano.0c04872
3. Hoeh M.A., Neu J., Schmitt K., Rahm M. Optical tuning of ultra-thin, silicon-based flexible metamaterial membranes in the terahertz regime // Optical Materials Express. 2015. V. 5(2). P. 408–415. https://doi.org/ 10.1364/OME.5.000408
4. Bhowmik G., An Y.Q., Schujman S., Diebold A.C., Huang M. Optical second harmonic generation from silicon (100) crystals with process tailored surface and embedded silver nanostructures for silicon nonlinear nanophotonics // Journal of Applied Physics. 2020. V. 128(16). P. 165106. https://doi.org/10.1063/5.0012529
5. Vyacheslavova E.A., Morozov I.A., Kudryashov D.A., Uvarov A.V., Baranov A.I., Maksimova A.A., Gudovskikh A.S. Study of cryogenic unmasked etching of “Black Silicon” with Ar gas additives // ACS omega. 2022. V. 7(7). P. 6053–6057. https://doi.org/10.1021/acsomega.1c06435
6. Schriever C., Bianco F., Cazzanelli M., Ghulinyan M., Eisenschmidt C., de Boor J., Schilling J. Second order optical nonlinearity in silicon waveguides: Inhomogeneous stress and interfaces // Advanced Optical Materials. 2014. V. 3(1). P. 129–136. https://doi.org/10.1002/adom.201400370
7. Borghi M., Castellan C., Signorini S., Trenti A., Pavesi L. Nonlinear silicon photonics // J. Opt. 2017. V. 19. P. 093002. https://doi.org/10.1088/2040-8986/aa7a6d
8. Makarov S.V., Petrov M.I., Zywietz U., Milichko V., Zuev D., Lopanitsyna N., Kivshar Y.S. Efficient second-harmonic generation in nanocrystalline silicon nanoparticles // Nano letters. 2017. V. 17(5). P. 3047–3053. https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.7b00392
9. Cazzanelli M., Bianco F., Borga E., Pucker G., Ghulinyan M., Degoli E., Pavesi L. Second-harmonic generation in silicon waveguides strained by silicon nitride // Nature materials. 2012. V. 11(2). P. 148–154. https://doi.org/10.1038/nmat3200
10. Borghi M., Bazzanella D., Mancinelli M., Pavesi L. On the modeling of thermal and free carrier nonlinearities in silicon-on-insulator microring resonators // Optics Express. 2021. V. 29(3) P. 4363–4377. https://doi.org/10.1364/OE.413572
11. Borghi M., Biasi S., Pavesi L. Reservoir computing based on a silicon microring and time multiplexing for binary and analog operations // arXiv preprint arXiv:2101.01664. 2021
12. Franchi R., Castellan C., Ghulinyan M., Pavesi L. Second-harmonic generation in periodically poled silicon waveguides with lateral pin junctions // Optics letters. 2020. V. 45(12). P. 3188–3191. https://doi.org/10.1364/OL.391988
13. Vecchi C., Castellan C., Ghulinyan M., Bernard M., Pavesi L. Electric field-induced second harmonic generation in silicon waveguide by interdigitated contacts // Integrated photonics platforms: Fundamental research, manufacturing and applications. 2020. V. 11364. P. 113640L. https://doi.org/10.1117/12.2555308
14. Rudenko A., Ladutenko K., Makarov S., Itina T.E. Photogenerated free carrier induced symmetry breaking in spherical silicon nanoparticle // Advanced Optical Materials. 2018. V. 6(7). P. 1701153. https://doi.org/10.1002/adom.201701153
15. Bloembergen N., Chang R.K., Jha S.S., Lee C.H. Optical second-harmonic generation in reflection from media with inversion symmetry // Physical Review. 1968. V. 174(3). P. 813. https://doi.org/10.1103/physrev.174.813
16. Kochetkov F.M., Neplokh V., Fedorov V.V., Bolshakov A.D., Sharov V.A., Eliseev I.E., Mukhin I.S. Fabrication and electrical study of large area free-standing membrane with embedded GaP NWs for flexible devices // Nanotechnology. 2020. V. 31(46). P. 46LT01. https://doi.org/10.1088/1361-6528/abae98
17. Nasibulin A.G., Ollikainen A., Anisimov A.S., Brown D.P., Pikhitsa P.V., Holopainen S., Kauppinen E.I. Integration of single-walled carbon nanotubes into polymer films by thermo-compression // Chemical engineering journal. 2008. V. 136(2–3). P. 409–413. https://doi.org/10.1016/j.cej.2007.04.033
18. Bonse J., Brzezinka K.W., Meixner A.J. Modifying single-crystalline silicon by femtosecond laser pulses: an analysis by micro Raman spectroscopy, scanning laser microscopy and atomic force microscopy // Applied surface science. 2004. V. 221(1–4). P. 215–230. https://doi.org/10.1016/S0169-4332(03)00881-X
19. Hoh K., Koyama H., Uda K., Miura Y. Incorporation of oxygen into silicon during pulsed-laser irradiation // Japanese Journal of Applied Physics. 1980. V. 19(7). P. L375. https://doi.org/10.1143/JJAP.19.L375
20. Fomenko V., Lami J., Borguet E. Nonquadratic second-harmonic generation from semiconductor-oxide interfaces // Phys. Rev. 2001. V. 63. P. 121316. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.63.121316