ntvНаучно-технический вестник информационных технологий, механики и оптикиScientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics2226-14942500-0373Университет ИТМО10.17586/2226-1494-2024-24-3-384-398ntv-267Research ArticleОПТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ И ТЕХНОЛОГИИOPTICAL ENGINEERINGФемтосекундная лазерная модификация золь-гель пленок ZnO:Ag с проявлением дихроизмаFemtosecond laser modification of the ZnO:Ag sol-gel films within dichroism emergencehttps://orcid.org/0000-0003-3308-6034ГреськоВ. Р.GreskoV. R.

Гресько Владислав Романович — младший научный сотрудник, ассистент

Санкт-Петербург, 197101

Vladislav R. Gresko — Junior Researcher

Saint Petersburg, 197101

https://orcid.org/0000-0003-2854-9954СергеевМ. М.SergeevM. M.

Сергеев Максим Михайлович — кандидат технических наук, старший научный сотрудник, доцент

Санкт- Петербург, 197101

Maksim M. Sergeev — PhD, Senior Researcher, Associate Professor

Saint Petersburg, 197101

https://orcid.org/0000-0002-0349-2296СмирноваВ. В.SmirnovaV. V.

Смирнова Виктория Викторовна — старший лаборант

Санкт-Петербург, 197101

Victoria V. Smirnova — Senior Laboratory Assistant

Saint Petersburg, 197101

https://orcid.org/0000-0002-9548-791XДолгополовА. Д.DolgopolovA. D.

Долгополов Артур Джуракулович — инженер

Санкт-Петербург, 197101

Arthur D. Dolgopolov — Engineer

Saint Petersburg, 197101

https://orcid.org/0000-0001-9725-5912СокураЛ. А.SokuraL. A.

Сокура Лилия Александровна — научный сотрудник; научный сотрудник

Санкт-Петербург, 197101

Санкт-Петербург, 194021

Liliia A. Sokura — Scientific Researcher; Scientific Researcher

Saint Petersburg, 197101

Saint Petersburg, 194021

https://orcid.org/0000-0002-7998-1686КостюкГ. К.KostyukG. K.

Костюк Галина Кирилловна — кандидат технических наук, научный сотрудник

Санкт-Петербург, 197101

Galina K. Kostyuk — PhD, Scientific Researcher

Saint Petersburg, 197101

https://orcid.org/0000-0003-0614-6695ГригорьевЕ. А.GrigoryevE. A.

Григорьев Евгений Анатольевич — специалист по сканирующей электронной микроскопии

Санкт-Петербург, 199034

Evgeniy A. Grigoryev — Scanning Electron Microscopy Specialist

Saint Petersburg, 199034

Университет ИТМОРоссияITMO UniversityRussian FederationУниверситет ИТМО; Физико-технический институт им. А.Ф. ИоффеРоссияITMO University; Ioffe InstituteRussian FederationСанкт-Петербургский государственный университетРоссияSt. Petersburg State UniversityRussian Federation202416122024243384398Copyright © Гресько В.Р., Сергеев М.М., Смирнова В.В., Долгополов А.Д., Сокура Л.А., Костюк Г.К., Григорьев Е.А., 20242024Гресько В.Р., Сергеев М.М., Смирнова В.В., Долгополов А.Д., Сокура Л.А., Костюк Г.К., Григорьев Е.А.Gresko V.R., Sergeev M.M., Smirnova V.V., Dolgopolov A.D., Sokura L.A., Kostyuk G.K., Grigoryev E.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://ntv.elpub.ru/jour/article/view/267Введение

Введение. Исследовано влияние поляризации фемтосекудного лазерного излучения на формирование эллипсоидных наночастиц серебра (Ag) и их ориентацию в золь-гель пленках оксида цинка (ZnO). Влияние поляризации является причиной возникновения дихроизма в пленках после облучения. В отличие от серебросодержащих стекол, где этот механизм впервые был обнаружен, в тонких золь-гель пленках данный эффект практически не исследован, что определяет актуальность работы. Метод. Управление формой, размерами и ориентацией наночастиц Ag осуществлялось путем воздействия лазерными фемтосекундными импульсами с высокой частотой повторения и линейной поляризацией, ориентированной вдоль и поперек направлений сканирования. Для возникновения дихроизма требовалось обеспечить высокое поглощение лазерного излучения наночастицами и отсутствие поглощения в матрице ZnO. Дихроизм в пленках ZnO с наночастицами Ag (ZnO:Ag) исследовался методами оптической микроскопии и спектрофотометрии в проходящем свете. Анализ размера, концентрации, формы и ориентации наночастиц в пленке проводился с применением электронной микроскопии. 

Основные результаты

Основные результаты. Показано, что возникновение дихроизма происходит в результате воздействия на пленки лазерным излучением с плотностью энергии от 43 до 99 мДж/см2 за импульс при скорости сканирования 1 мм/с. Выявлено, что при данных значениях плотности энергии происходит формирование эллипсоидных наночастиц, большая ось которых преимущественно ориентирована вдоль линии поляризации фемтосекундного излучения вне зависимости от направления сканирования. В результате лазерного облучения модифицированные области пленки приобрели дихроизм. При параллельном расположении оси поляризации падающего света с направлением линейной поляризации фемтосекундного излучения, с помощью которого осуществляется запись, происходит смещение пика плазмонного резонанса в длинноволновую область спектра. При повороте модифицированных областей на 90° пик плазмонного резонанса смещается в коротковолновую область спектра. При плотности энергии выше 99 мДж/см2 дихроизм сохраняется, но эффект дихроизма снижается, размер наночастиц уменьшается и начинается постепенное разрушение матрицы пленки с образованием наноразмерных пор и трещин. 

Обсуждение

Обсуждение. Полученные результаты могут найти применение при записи поляризационно- чувствительных элементов малых размеров, спектральное пропускание которых зависит от ориентации вектора линейной поляризации падающего на них света. Предложенный подход позволяет корректировать положение пика плазмонного резонанса в спектральном диапазоне от 450 до 650 нм и может найти применение для повышения чувствительности фотодетекторов в требуемом спектральном диапазоне.

Polarization of femtosecond laser radiation influence on the windings of ellipsoidal silver nanoparticles and their orientation in zinc oxide sol-gel films was studied, which caused the appearance of dichroism in the films of the irradiation field. Unlike silver-containing glasses, where this mechanism was discovered, it has hardly been studied in thin sol-gel films before. Femtosecond laser pulses with a high degree of repetition and linear polarization controlled the shape, size and orientation of silver nanoparticles which was oriented horizontally along and across the direction. For dichroism to occur, it is necessary to ensure high-quality separation of laser transducers by Ag nanoparticles and the absence of differences in the zinc oxide matrix. Dichroism in such ZnO:Ag films was investigated by optical microscopy and spectrophotometry away from light. Analysis of the size, content, shape and location of nanoparticles in the film was conducted taking into account electron microscopy. It has been shown that the relationship between dichroism as a result of exposure of the film to laser radiation with energy density ranging from 43 to 99 mJ/cm2 per pulse and flow velocity of 1 mm/s. It was investigated that at given fluence, the interruption of ellipsoidal nanoparticles, most of which are simply oriented along the polarization line of the femtosecond transformation, occurs depending on the direction of the transformation. As a result of laser treatment, modified areas of the film acquired dichroism. When the polarization axis of the incident light was parallel to the direction of linear polarization of the femtosecond radiation with which the regions were recorded, the plasmon resonance peak shifted to the long-wavelength deflection region. When the changed zones were rotated by 90°, the peak of the plasmon resonance shifted to a shorter wavelength region relative to. At fluence above 99 mJ/cm2, dichroism remained, but it decreased sharply, the size of nanoparticles decreased and began to gradually destroy the film matrix with the formation of nanoscale pores and cracks. Obtained results can be used to register polarization-sensitive elements of small sizes, the spectral transmission of which will depend on the orientation of the linear polarization vector of the light incident on them. The proposed method allows adjustment of plasmon resonance peak position in the spectral range from 450 to 650 nm, which can also be used to increase the sensitivity of photodetectors in the specified spectral range.

фемтосекундные лазерные импульсыдихроизмзоль-гель пленкипленки оксида цинкананочастицы серебраплазмонный резонанслазерная модификацияfemtosecond laser pulsesdichroismsol-gel filmszinc oxide filmssilver nanoparticlesplasmon resonancelaser modificationИсследования финансировались за счет гранта Российского научного фонда (проект № 19-79-10208). Исследование структуры методом СЭМ-электронной микроскопии проведено в Центре нанотехнологий Научного парка Санкт-Петербургского государственного университета в рамках проекта № АААА-А19-119091190094-6.This work was funded by the Russian Science Foundation (No. 19-79-10208). The investigation of the structure by means of scanning electron microscopy was carried out at the IRC for Nanotechnology of the Science Park of St. Petersburg State University within the framework of project No. АААА-А19-119091190094-6.ReferencesSrikant V., Clarke D.R. On the optical band gap of zinc oxide // Journal of Applied Physics. 1998. V. 83. N 10. P. 5447–5451. https:// doi.org/10.1063/1.367375Srikant V., Clarke D.R. On the optical band gap of zinc oxide. Journal of Applied Physics, 1998, vol. 83, no. 10, pp. 5447–5451. https://doiorg/10.1063/1.367375Jia M., Wang F., Tang L., Xiang J., Teng K.S., Lau S.P., Lü Y. Lowpower-consumption ultraviolet photodetector based on p-NiO/SiO2/nZnO // Optics & Laser Technology. 2023. V. 157. P. 108634. https:// doi.org/10.1016/j.optlastec.2022.108634Jia M., Wang F., Tang L., Xiang J., Teng K.S., Lau S.P., Lü Y. Lowpower-consumption ultraviolet photodetector based on p-NiO/SiO2/nZnO. Optics & Laser Technology, 2023, vol. 157, pp. 108634. https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2022.108634Lee S.Y., Oh G., Kim E.K. Performance enhancement of a ZnO-based UV photodetector using patterned Ag nanoparticles // Journal of the Korean Physical Society. 2020. V. 77. N 3. P. 234–239. https://doi.org/10.3938/jkps.77.234Lee S.Y., Oh G., Kim E.K. Performance enhancement of a ZnO-based UV photodetector using patterned Ag nanoparticles. Journal of the Korean Physical Society, 2020, vol. 77, no. 3, pp. 234–239. https://doi.org/10.3938/jkps.77.234Huang J., Li Q., Lu X., Meng J., Li Z. LSPR-enhanced pyrophototronic effect for UV detection with an Ag–ZnO Schottky junction device // Advanced Materials Interfaces. 2022. V. 9. N 23. P. 2200327. https://doi.org/10.1002/admi.202200327Huang J., Li Q., Lu X., Meng J., Li Z. LSPR-enhanced pyrophototronic effect for UV detection with an Ag–ZnO Schottky junction device. Advanced Materials Interfaces, 2022, vol. 9, no. 23, pp. 2200327. https://doi.org/10.1002/admi.202200327Tang H., Chen C.J., Huang Z., Bright J., Meng G., Liu R.S., Wu N. Plasmonic hot electrons for sensing, photodetection, and solar energy applications: A perspective // The Journal of Chemical Physics. 2020. V. 152. N 22. P. 220901. https://doi.org/10.1063/5.0005334Tang H., Chen C.J., Huang Z., Bright J., Meng G., Liu R.S., Wu N. Plasmonic hot electrons for sensing, photodetection, and solar energy applications: A perspective. The Journal of Chemical Physics, 2020, vol. 152, no. 22, pp. 220901. https://doi.org/10.1063/5.0005334Klochko N.P., Klepikova K.S., Khrypunova I.V., Kopach V.R., Tyukhov I.I., Petrushenko S.I., Dukarov S.V., Sukhov V.M., Kirichenko M.V., Khrypunova A.L. Solution-processed flexible broadband ZnO photodetector modified by Ag nanoparticles // Solar Energy. 2022. V. 232. P. 1–11. https://doi.org/10.1016/j.solener.2021.12.051Klochko N.P., Klepikova K.S., Khrypunova I.V., Kopach V.R., Tyukhov I.I., Petrushenko S.I., Dukarov S.V., Sukhov V.M., Kirichenko M.V., Khrypunova A.L. Solution-processed flexible broadband ZnO photodetector modified by Ag nanoparticles. Solar Energy, 2022, vol. 232, pp. 1–11. https://doi.org/10.1016/j.solener.2021.12.051Shougaijam B., Ngangbam C., Lenka T.R. Plasmon-sensitized optoelectronic properties of Au nanoparticle-assisted vertically aligned TiO2 nanowires by GLAD technique // IEEE Transactions on Electron Devices. 2017. V. 64. N 3. P. 1127–1133. https://doi.org/10.1109/TED.2017.2648500Shougaijam B., Ngangbam C., Lenka T.R. Plasmon-sensitized optoelectronic properties of Au nanoparticle-assisted vertically aligned TiO2 nanowires by GLAD technique. IEEE Transactions on Electron Devices, 2017, vol. 64, no. 3, pp. 1127–1133. https://doi.org/10.1109/TED.2017.2648500Gresko V.R., Smirnova V.V., Sergeev M.M., Pushkareva A.E., Dolgopolov A.J., Sokura L.A., Bryukhanova V.V. Laser-induced improvement of the photoelectric characteristics of ZnO:Ag thin films // Journal of Optical Technology. 2023. V. 90. N 4. P. 192–198. https://doi.org/10.1364/JOT.90.000192Gresko V.R., Smirnova V.V., Sergeev M.M., Pushkareva A.E., Dolgopolov A.J., Sokura L.A., Bryukhanova V.V. Laser-induced improvement of the photoelectric characteristics of ZnO:Ag thin films. Journal of Optical Technology, 2023, vol. 90, no. 4, pp. 192–198. https://doi.org/10.1364/JOT.90.000192Varlamov P.V., Sergeev M.M., Zakoldaev R.A., Grigoryev E.A. Femtosecond wavelength influence on TiO2:Ag film spectral changes: Comparative study // Materials Letters. 2022. V. 323. P. 132605. https://doi.org/10.1016/j.matlet.2022.132605Varlamov P.V., Sergeev M.M., Zakoldaev R.A., Grigoryev E.A. Femtosecond wavelength influence on TiO2:Ag film spectral changes: Comparative study. Materials Letters, 2022, vol. 323, pp. 132605. https://doi.org/10.1016/j.matlet.2022.132605Andreeva Y., Sharma N., Rudenko A., Mikhailova J., Sergeev M., Veiko V.P., Vocanson F., Lefkir Y., Destouches N., Itina T.E. Insights into ultrashort laser-driven Au:TiO2 nanocomposite formation // The Journal of Physical Chemistry C. 2020. V. 124. N 18. P. 10209– 10219. https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.0c01092Andreeva Y., Sharma N., Rudenko A., Mikhailova J., Sergeev M., Veiko V.P., Vocanson F., Lefkir Y., Destouches N., Itina T.E. Insights into ultrashort laser-driven Au:TiO2 nanocomposite formation. The Journal of Physical Chemistry C, 2020, vol. 124, no. 18, pp. 10209– 10219. https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.0c01092Miranda M.H.G., Falcão-Filho E.L., Rodrigues Jr.J.J., de Araújo C.B., Acioli L.H. Ultrafast light-induced dichroism in silver nanoparticles // Physical Review B. 2004. V. 70. N 16. P. 161401. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.70.161401Miranda M.H.G., Falcão-Filho E.L., Rodrigues Jr.J.J., de Araújo C.B., Acioli L.H. Ultrafast light-induced dichroism in silver nanoparticles. Physical Review B, 2004, vol. 70, no. 16, pp. 161401. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.70.161401Stalmashonak A., Seifert G., Graener H. Spectral range extension of laser-induced dichroism in composite glass with silver nanoparticles // Journal of Optics A: Pure and Applied Optics. 2009. V. 11. N 6. P. 065001. https://doi.org/10.1088/1464-4258/11/6/065001Stalmashonak A., Seifert G., Graener H. Spectral range extension of laser-induced dichroism in composite glass with silver nanoparticles. Journal of Optics A: Pure and Applied Optics, 2009, vol. 11, no. 6, pp. 065001. https://doi.org/10.1088/1464-4258/11/6/065001Shirshneva-Vaschenko E.V., Sokura L.A., Shirshnev P.S., Kirilenko D.A., Snezhnaia Z.G., Bauman D.A., Bougrov V.E., Romanov A.E. Preparation of transparent N-Zno:Al / P-Cualcro2 heterojunction diodeby sol-gel technology // Reviews on Advanced Materials Science. 2018. V. 57. N 2. P. 167–174. https://doi.org/10.1515/rams-2018-0061Shirshneva-Vaschenko E.V., Sokura L.A., Shirshnev P.S., Kirilenko D.A., Snezhnaia Z.G., Bauman D.A., Bougrov V.E., Romanov A.E. Preparation of transparent N-Zno:Al / P-Cualcro2 heterojunction diodeby sol-gel technology. Reviews on Advanced Materials Science, 2018, vol. 57, no. 2, pp. 167–174. https://doi.org/10.1515/rams-2018-0061Sergeev M.M., Gresko V.R., Andreeva Y.M., Sokura L.A., Shirshneva-Vaschenko E.V., Itina T.E., Varygin G.V. Precise laserinduced local modification of AZO:Ag films and their optical properties // Optics & Laser Technology. 2022. V. 151. P. 108059. https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2022.108059Sergeev M.M., Gresko V.R., Andreeva Y.M., Sokura L.A., Shirshneva-Vaschenko E.V., Itina T.E., Varygin G.V. Precise laserinduced local modification of AZO:Ag films and their optical properties. Optics & Laser Technology, 2022, vol. 151, pp. 108059. https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2022.108059Bohren C.F., Huffman D.R. Absorption and Scattering of Light by Small Particles. John Wiley & Sons, 2008. 552 p.Bohren C.F., Huffman D.R. Absorption and Scattering of Light by Small Particles. John Wiley & Sons, 2008, 552 p.Kaempfe M., Seifert G., Berg K.-J., Hofmeister H., Graener H. Polarization dependence of the permanent deformation of silver nanoparticles in glass by ultrashort laser pulses // The European Physical Journal D Atomic, Molecular, Optical and Plasma Physics. 2001. V. 16. P. 237–240. https://doi.org/10.1007/s100530170100Kaempfe M., Seifert G., Berg K.-J., Hofmeister H., Graener H. Polarization dependence of the permanent deformation of silver nanoparticles in glass by ultrashort laser pulses. The European Physical Journal D — Atomic, Molecular, Optical and Plasma Physics, 2001, vol. 16, pp. 237–240. https://doi.org/10.1007/s100530170100Buividas R., Mikutis M., Juodkazis S. Surface and bulk structuring of materials by ripples with long and short laser pulses: Recent advances // Progress in Quantum Electronics. 2014. V. 38. N 3. P. 119–156. https://doi.org/10.1016/j.pquantelec.2014.03.002Buividas R., Mikutis M., Juodkazis S. Surface and bulk structuring of materials by ripples with long and short laser pulses: Recent advances. Progress in Quantum Electronics, 2014, vol. 38, no. 3, pp. 119–156. https://doi.org/10.1016/j.pquantelec.2014.03.002Royon A., Petit Y., Papon G., Richardson M., Canioni L. Femtosecond laser induced photochemistry in materials tailored with photosensitive agents [Invited] // Optical Materials Express. 2011. V. 1. N 5. P. 866– 882. https://doi.org/10.1364/OME.1.000866Royon A., Petit Y., Papon G., Richardson M., Canioni L. Femtosecond laser induced photochemistry in materials tailored with photosensitive agents [Invited]. Optical Materials Express, 2011, vol. 1, no. 5, pp. 866–882. https://doi.org/10.1364/OME.1.000866

The authors declare that there are no conflicts of interest present.