Например, Бобцов

ФЕМТОСЕКУНДНОЕ ФОТОННОЕ ЭХО НА НЕОДНОРОДНЫХ ПО РАЗМЕРУ КВАНТОВЫХ ТОЧКАХ ОКСИДА ЦИНКА ПРИ КОМНАТНОЙ ТЕМПЕРАТУРЕ

Н.С. Вашурин, И.И. Попов, С.Э. Путилин, В.Т. Сидорова, С.А. Степанов, Н.И. Сушенцов

УДК 535.015
ФЕМТОСЕКУНДНОЕ ФОТОННОЕ ЭХО НА НЕОДНОРОДНЫХ ПО РАЗМЕРУ КВАНТОВЫХ ТОЧКАХ ОКСИДА ЦИНКА ПРИ КОМНАТНОЙ ТЕМПЕРАТУРЕ
Н.С. Вашурин, И.И. Попов, С.Э. Путилин, В.Т. Сидорова, С.А. Степанов, Н.И. Сушенцов
Сообщается об обнаружении в пленке оксида цинка толщиной 100 нм, состоящей из различных по размеру квантовых точек, фемтосекундных сигналов самодифракции и фотонного эха при комнатной температуре. Получены экспериментальные результаты, подтверждающие проявление эффекта Аутлера–Таунса на экситонных переходах квантовых точек. Ключевые слова: фемтосекундное фотонное эхо, самодифракция, пленка оксида цинка, магнетронное распыление, квантовые точки, эффект Аутлера–Таунса.
Введение
Материалы, содержащие квантовые точки, являются перспективными в области построения оптоэлектронных приборов, в медицине – для визуализации молекулярных объектов, а в биологии – для люминесценции [1]. Интенсивная работа ученых ведущих стран с этими объектами [2] определяется широким спектром их физических свойств и применений [3]. Оптические свойства рассматриваемых материалов интересны тем, что в квантовых точках возникает эффект размерного квантования их энергетического спектра, в то время как в объемных материалах энергетические спектры не зависят от размеров образца резонансной среды. Эти отличия оптических свойств материалов, содержащих квантовые точки, вносят особенность во взаимодействие таких материалов с внешними возмущениями, что приводит к изменению скорости релаксации возбужденных состояний резонансной среды. Применение фотонного эха как высокоразрешающего спектроскопического инструмента позволяет проводить исследования быстропротекающих релаксационных процессов, измерения внутри неоднородно-уширенного контура резонансной спектральной линии. При этом исследуемые релаксационные процессы не подвержены возмущающему действию интенсивного лазерного излучения. Фотонное эхо позволяет не только измерять интегральные релаксационные характеристики уровней и переходов, но и определять вклады в эти характеристики различных механизмов релаксации. В силу изложенного изучение наноразмерных сред, включающих квантовые точки на основе фотонного эха, является весьма перспективным направлением исследований, позволяющим решать актуальные задачи современной науки и техники.
Известны работы по регистрации сигналов аккумулированного фотонного эха при гелиевых температурах на квантовых точках CuBr [4] и сферических квантовых точках, внедренных в стекло CuCl [5]. Эксперименты по наблюдению сигналов фотонного эха в материалах, включающих квантовые точки, при комнатной температуре не проводились. Подобные эксперименты способны значительно повысить практическую значимость подобных работ. Авторами впервые проведено экспериментальное наблюдение фемтосекундных сигналов фотонного эха в пленках оксида цинка (ZnO), включающих квантовые точки, при комнатной температуре. Эксперимент является продолжением ранее выполненной работы [6], где обнаружены фемтосекундные сигналы самодифракции и фотонного эха в пленках ZnO наноразмерной толщины.
Экспериментальная установка
Возбуждение фемтосекундных сигналов фотонного эха проводилось в пленках ZnO толщиной 100 нм, полученных методом вакуумного магнетронного распыления на кремниевой подложке. Это позволило сформировать пленки, включающие квантовые точки, методами Фольмера–Вебера или Странски–Крастанова. Из-за высоких механических напряжений в тонком слое полупроводника, возникающих благодаря рассогласованию постоянных решетки подложки и наносимого материала, имеет место компенсация напряжения, приводящая к образованию трехмерных островков – квантовых точек.
Для возбуждения и регистрации фемтосекундных когерентных сигналов [7] была создана установка на основе титан-сапфировой лазерной системы с усилением чирпованного импульса. Она позволяет обеспечить условия формирования сигнала светового эха в твердом теле и его регистрацию после поступления возбуждающих импульсов, превышающих по интенсивности эхо-сигнал более чем на шесть порядков; дискретно изменять интервал между возбуждающими импульсами с помощью оптической линии задержки на базе линейного транслятора с шаговым двигателем и минимальным шагом 2,5 мкм. Оптическая схема экспериментальной установки для регистрации фемтосекундного фотонного эха приведена на рис. 1.
Фемтосекундная лазерная система 1 на кристаллах титан-сапфира состоит из задающего генератора, лазера накачки задающего генератора, стретчера, многопроходового усилителя, блока синхронизации и управления электрооптическим затвором, лазера накачки многопроходового усилителя и компрессора. Параметры фемтосекундной системы: длительность импульса 40 фс, частота повторения импульса 50 Гц, энергия импульса 1 мДж.
Фемтосекундные импульсы, выходящие из компрессора фемтосекундной лазерной системы, с помощью зеркал 2 и 3 попадают на светоделитель 7, где разделяются на два луча. Оба луча направляются

Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики, 2013, № 1 (83)

65

ФЕМТОСЕКУНДНОЕ ФОТОННОЕ ЭХО НА НЕОДНОРОДНЫХ ПО РАЗМЕРУ ...

на фокусирующую линзу 9: один – через зеркала 4–6, второй – через линию задержки 8 с шагом 2,5 мкм (16,5 фс). Линза 9 с фокусным расстоянием 15 см увеличивает плотность мощности обоих пучков на твердотельном резонансном образце 10, находящемся на расстоянии 7,5 см от нее. Часть возбуждающих импульсов, прошедших через резонансную среду, и сформированный в ней сигнал первичного фотонного эха падают на фотодиод, подключенный к персональному компьютеру через аналогово-цифровой преобразователь.
Возбуждающие импульсы направлялись на твердотельный образец резонансной среды под углом  = 8. Фотонное эхо регистрировалось в направлении kэ под углом  ко второму возбуждающему им-
пульсу, соответственно под углом  к первому возбуждающему импульсу. Подбором зеркал и светоде-
лителя соотношение энергии в направлении k1 и направлении k2 было близко к 1:2. Средняя энергия импульсов, зарегистрированных измерителем мощности Nova 2 Ophir в направлении k1, составляла 7 мВт, а в направлении k2 – 14,7 мВт. Интенсивность первого возбуждающего импульса с учетом потерь на оптических элементах составляла 0,1 ТВт/см2, второго возбуждающего импульса – 0,2 ТВт/см2.

8

4 73

59 kэ=2k1– k2 10
11 k1

6
kэ=2k2– k1 k2 11

12

Рис. 1. Оптическая схема фемтосекундного эхо-спектрометра: 1 – фемтосекундная лазерная система; 2–6 – зеркала; 7 – диэлектрический светоделитель; 8 – оптическая линия задержки; 9 – линза; 10 – объект
исследования; 11 – фотодетектор, спектрометр. k1 – волновой вектор первого возбуждающего импульса; k2 – волновой вектор второго возбуждающего импульса
Для регистрации спада интенсивности самодифракции и эхо-сигнала во временном интервале между возбуждающими импульсами обеспечено плавное изменение длительности этого интервала от нулевого значения до 800 фс. Это достигнуто за счет изменения длины хода второго луча с помощью оптической линии задержки, перестраиваемой с помощью шагового электропривода в сторону запаздывания (+ 12 ) или в сторону опережения (– 12 ) второго импульса относительно первого. По этой причине одной из задач юстировки эхо-спектрометра является получение нулевой разности хода возбуждающих фемтосекундных импульсов в резонансной среде. Для определения нулевой задержки между импульсами используется неколлинеарная генерация второй оптической гармоники. На место объекта 9 ставится нелинейный кристалл ВВО (β-Barium borate), на который под некоторым углом направляются два лазерных пучка в направлении k1 и k2 на частоте первой гармоники. При нулевой разности хода возникает неколлинеарная генерация второй гармоники с волновым вектором, направленным между волновыми векторами возбуждающих лазерных импульсов.
Для определения достоверности регистрации сигнала фотонного эха поочередно перекрывались возбуждающие лазерные пучки в направлении k1 и k2 или изымалась резонансная среда. Во всех этих случаях сигнал фотонного эха исчезал. Это подтверждает, что появление третьего (правого) импульса фотонного эха связано с наличием резонансного взаимодействия двух возбуждающих импульсов с резонансной средой. При этом эхо-сигнал не является переотражением (бликом) на оптических элементах схемы одного из возбуждающих импульсов.
Экспериментальные результаты
В эксперименте, выполненном при комнатной температуре методом фотонного эха, авторами проведено спектроскопическое исследование экситонных квантовых уровней, возбуждаемых в ансамбле квантовых точек пленки ZnO толщиной 100 нм.

66 Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики,
2013, № 1 (83)

Н.С. Вашурин, И.И. Попов, С.Э. Путилин, В.Т. Сидорова, С.А. Степанов, Н.И. Сушенцов

На рис. 2 приведен результат обнаружения фемтосекундных сигналов самодифракции и фотонно-

го эха в зависимости от разности хода между возбуждающими импульсами 12 .

I, о.е.

Фемтосекундный сигнал

самодификации 0,6 Фемтосекундный сигнал
первичного фотонного эха

0,5

0,4

0,3 0,2

0 300 600 900 , фс

Рис. 2. Интенсивность спада фемтосекундного сигнала самодифракции и фотонного эха при различной разности хода между возбуждающими импульсами

На рис. 3 показаны спектры регистрируемых сигналов самодифракции и фотонного эха при разности хода между возбуждающими импульсами 0,240 фс, 480 фс и 720 фс.

Обсуждение результатов

Как видно из рис. 3, имеет место явное «красное» (в сторону больших значений длин волн) смещение и сужение спектра фемтосекундных сигналов самодифракции и фотонного эха. Это явление объясняется эффектом Аутлера–Таунса (или оптическим штарк-эффектом), при котором под действием приложенного нерезонансного, но мощного лазерного импульса наблюдается расщепление квантовых резонансных уровней [8]. В данном случае варьированием средней мощности и изменением разности хода между возбуждающими импульсами падающего на ансамбль квантовых точек пленки ZnO излучения меняется энергия перехода между основным состоянием материала ZnO и сверхтонкими структурами (верхним и нижним) расщепленного биэкситонного уровня (рис. 4). Непропорциональное сужение высокочастотной и низкочастотной части спектра эхо-сигнала (вносящее свой вклад в его смещение в длинноволновую часть) связано с несимметричным расщеплением резонансного уровня: верхняя компонента сверхтонкой структуры уровня имеет больший энергетический сдвиг, чем нижняя. Сканирование энергии запрещенного перехода между основным состоянием и биэкситонным уровнем происходит в пределах спектральной ширины лазерного импульса [9]. Второй причиной этого смещения является энергетическая релаксация экситонов в хаотическом потенциале в плоскости квантовых ям, когда экситоны мигрируют в их плоскости в поисках более низкоэнергетических локальных минимумов хаотического потенциала с испусканием акустических фононов. Такой механизм энергетической релаксации экситонов характеризуется широким распределением времен релаксации [10], а высокоэнергетичные экситоны имеют большую скорость рекомбинации вследствие их большего радиуса локализации.
Данное значение расщепления спектра резонансного биэкситонного уровня позволило определить момент дипольного перехода по формуле

p



1 4



с, J 0

где  – разность между крайними значениями зарегистрированного расщепления резонансного пере-

хода; J0 – среднее значение падающей мощности возбуждения.

Для нашего случая, при максимальном расщеплении 17 мэВ, дипольный момент перехода составил p = 1,34 Д (4,47·10–30 Кл·м).

Аналогичный эксперимент проводился на пленке CuCl толщиной 10 мкм при гелиевых температурах [11]. При интенсивности возбуждения 18 кВт/см2 расщепление Аутлера–Таунса оказалось равным

93 мкэВ. Измеренный в этом случае дипольный момент перехода составил p = 30 Д.

Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики, 2013, № 1 (83)

67

ФЕМТОСЕКУНДНОЕ ФОТОННОЕ ЭХО НА НЕОДНОРОДНЫХ ПО РАЗМЕРУ ...

1200 1000

2000

I, о. е.

800 600 400 200
0 780
2500 2000 1500 1000 500
0

800 820 840 Длина волны, нм
а

860

I, о. е.

I, о. е.

1500

1000

500 0

780 1000

800 820 840
Длина волны, нм б

860

800 600 400 200
0

I, о. е.

780 800 820 840 860
Длина волны, нм в

780 800 820 840 860 Длина волны, нм г

Рис. 3. Спектры фемтосекундных сигналов фотонного эха и самодифракции при различных значениях временного интервала между возбуждающими лазерными импульсами при различных значениях средней
мощности возбуждающего излучения: средняя плотность мощности возбуждения P = 0,3 ТВт/см2, 12 = 0 фс (а); P = 0,0375 ТВт/см2, 12 = 240 фс (б); P = 0,0214 ТВт/см2, 12 = 480 фс (в);
P = 0,0115 ТВт/см2, 12 = 720 фс (г)

0 l 
0


0
Рис. 4. Схема энергетических уровней (0 – основное состояние кристалла; 0 и Ω0 – экситонное и биэкситонное состояние соответственно) и квантовых уровней под действием поля накачки с частотой l
Заключение
При комнатной температуре наблюдался сигнал первичного фотонного эха, формирующийся в пленке оксида цинка 100 нм, включающей различные по величине квантовые точки. Установлен факт сужения и сдвига в длинноволновую часть спектра регистрируемых сигналов самодифракции и фотонного эха при уменьшении значения средней суммарной мощности лазерного импульса, падающего на поверхность пленки ZnO. Произведена оценка величины дипольного момента биэкситонного перехода, составившая p = 30 Д.
Работа поддержана Министерством образования и науки РФ (ГК №14.В37.21.0248) и грантом РФФИ 12-02-00736-а.

68 Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики,
2013, № 1 (83)

Н.С. Вашурин, И.И. Попов, С.Э. Путилин, В.Т. Сидорова, С.А. Степанов, Н.И. Сушенцов

Литература
1. Medintz I.L., Uyeda H.N., Goldman E.R., Mattuosi Y. Quantum dot bioconjugates for imaging, labelling and sensing // Nature Materials. – 2005. – Vol. 4. – P. 435–446.
2. Пул Ч., Оуэнс Ф. Нанотехнологии. – М.: Техносфера, 2006. – 336 с. 3. Суздалев И.П. Нанотехнология: физико-химия нанокластеров, наноструктур и наноматериалов. – М.:
КомКнига, 2006. – 592 с. 4. Kuroda T., Minami F., Inoue K., Baranov A.V. Accumulated photon echo in semiconductor microcrystalline
quantum dots // Phys. Rev. B. – 1998. – V. 57. – № 4. – P. R2077–R2080. 5. Kuribyashi R., Inoue K., Sakoda K. et al. Long phase-relaxation time in CuCl quanum dots: Four-wave-
mixing signals analogous to dye molecules in polymers // Phys. Rev. B. – 1998. – V. 57. – № 24. – P. R15084– R15087. 6. Вашурин Н.С., Попов И.И., Газизов К.Ш., Путилин С.Э., Степанов С.А., Сушенцов Н.И., Сидорова В.Т. Фотонное эхо в парах молекулярного йода и нанопленках как метод оптической обработки информации // Известия РАН. Серия физическая. – 2012. – Т. 76. – № 3. – С. 362–365. 7. Козлов С.А., Самарцев В.В. Основы фемтосекундной оптики. – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2009. – 292 с. 8. Хаджи П.И., Коровай А.В., Ткаченко Д.В. Оптические свойства полупроводников в условиях действия мощной накачки в области М-полосы и двухфотонного зондирования биэкситонного уровня // Физика твердого тела. – 2002. – Т. 44. – Вып. 5. – С. 774–779. 9. Вашурин Н.С., Попов И.И., Путилин С.Э., Сушенцов Н.И., Степанов С.А. Обнаружение и исследование сигналов первичного и обращенного стимулированного фотонного эха в неорганических нанопленках // Материалы Шестой международной научной школы «Наука и инновации – 2011». – Йошкар-Ола: МарГУ, 2011. – С. 58–62. 10. Takagahara T. Localization and energy transfer of quasi-twodimensional excitons in GaAs-AlAs quantumwell heterostructures // Phys. Rev. B. – 1985. – V. 31. – P. 6552. 11. Shimano R., Kuwata-Gonokami M. Observation of Autler-Townes Splitting of Biexctons in CuCl // Phys. Rev. Lett. – 1994. – V. 72. – P. 530–533.

Вашурин Никита Сергеевич Попов Иван Иванович Путилин Сергей Эдуардович
Сидорова Вера Тагировна Степанов Сергей Александрович Сушенцов Николай Иванович

– Поволжский государственный технологический университет, аспирант, Nickita_Vashurin@mail.ru
– Поволжский государственный технологический университет, доктор физ.-мат. наук, профессор, popov@volgatech.net
– Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, кандидат физ.-мат. наук, ст. научный сотрудник, seputilin@yandex.ru Марийский государственный университет, кандидат физ.-мат. наук, доцент, veranig@yandex.ru Марийский государственный университет, аспирант, stepan_mail@mial.ru Поволжский государственный технологический университет, кандидат технических наук, доцент, зав. кафедрой, sni@mari-el.ru

Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики, 2013, № 1 (83)

69