Гресько Владислав Романович — младший научный сотрудник, ассистент
Санкт-Петербург, 197101
Vladislav R. Gresko — Junior Researcher, Assistant
Saint Petersburg, 197101
Сергеев Максим Михайлович — кандидат технических наук, старший научный сотрудник, доцент
Санкт-Петербург, 197101
Maksim M. Sergeev — PhD, Senior Researcher
Saint Petersburg, 197101
Долгополов Артур Джуракулович — инженер
Санкт-Петербург, 197101
Arthur D. Dolgopolov — Engineer
Saint Petersburg, 197101
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
Григорьев Евгений Анатольевич — специалист по сканирующей электронной микроскопии
Санкт-Петербург, 199034
Evgeniy A. Grigoryev — Scanning Electron Microscopy Specialist
Saint Petersburg, 199034
Введение. Пленки ZnO:Ag применяются в качестве фотопоглощающих слоев в плазмонных фотодетекторах. Применение лазерного излучения при изготовлении фотодетекторов позволяет управлять параметрами пика плазмонного резонанса и изменять диапазон спектральной чувствительности устройства. Известные исследования по лазерному воздействию на подобные фотопоглощающие пленки с наночастицами уделяют мало внимания эффекту дихроизма, возникающему в результате лазерного воздействия. При наличии дихроизма эффективность плазмонного фотодетектора зависит от поляризации детектируемого излучения. В работе исследован эффект дихроизма, возникающий в ZnO:Ag пленках при воздействии фемтосекундного лазерного излучения с длинами волн вблизи плазмонного резонанса наночастиц и вдали от него. Метод. Для получения эффекта дихроизма в пленках использовались лазерные импульсы с длиной волны вблизи плазмонного резонанса наночастиц (515 ± 5 нм) и вдали от него (1030 ± 5 нм). Применены импульсы с линейной поляризацией длительностью 224 ± 15 фс и частотой следования 200 кГц. Спектры пропускания линейно- поляризованного света с областями пленок ZnO:Ag, модифицированными лазерным излучением, получены с помощью микроскопа-спектрофотометра. Размер, концентрация, форма и расположение наночастиц в пленках, морфология поверхности пленок оксида цинка (ZnO) исследовались методами электронной микроскопии. Основные результаты. Показано, что лазерное излучение с длиной волны вблизи плазмонного резонанса наночастиц с плотностью энергии в импульсе выше 43 ± 0,5 мДж/см2, приводит к появлению в пленках эффекта дихроизма. Возникновение этого эффекта связано с переориентацией наночастиц. Лазерное воздействие приводит к переориентации исходного хаотичного расположения наночастиц в направление, параллельное вектору поляризации лазерного излучения. Наибольшее значение величины линейного дихроизма достигается в области длин волн плазмонного резонанса 515 ± 5 нм при плотности энергии излучения 66 ± 0,5 мДж/см2. Дальнейшее увеличение плотности энергии приводит к уменьшению дихроизма за счет возвращения хаотической ориентации. Воздействие излучения с длиной волны вдали от плазмонного резонанса 1030 ± 5 нм с эквивалентными плотностями энергии не приводит к переориентации наночастиц и, как следствие, изменение величины линейного дихроизма оказывается значительно ниже. Обсуждение. Согласно предложенной гипотезе отличия между результатами лазерного воздействия могут быть связаны с различными механизмами поглощения излучения в материале. Излучение с длиной волны 515 ± 5 нм поглощается наночастицами. В случае линейной поляризации излучения происходит ионизация наночастиц и их переориентация параллельно вектору поляризации. На длине волны 1030 ± 5 нм излучение поглощается матрицей ZnO. Это приводит к нагреву пленки, передаче тепла к наночастицам, в результате процесс переориентации наночастиц параллельно вектору поляризации затрудняется, а эффект дихроизма проявляется значительно меньше. Результаты проведенного исследования могут быть использованы при проектировании и изготовлении фотодетекторов за счет выявленной возможности смещать пик плазмонного резонанса наночастиц в фотопоглощающем слое фотодетектора. Управление эффектом дихроизма позволяет управлять диапазоном чувствительности детекторов.
ZnO:Ag films are used as photoabsorbing layers in plasmonic photodetectors. The use of laser radiation in the manufacture of photodetectors allows one to control the parameters of the plasmon resonance peak and change the range of spectral sensitivity of the device. Known studies on laser action on similar photoabsorbing films with nanoparticles pay little attention to the dichroism effect arising as a result of laser action. In the presence of dichroism, the efficiency of a plasmonic photodetector depends on the polarization of the detected radiation. The aim of this work is to study the dichroism effect arising in ZnO:Ag films under the action of femtosecond laser radiation with wavelengths near the plasmon resonance of nanoparticles and far from it. To obtain the dichroism effect in the films, laser pulses with a wavelength near the plasmon resonance of nanoparticles (515 ± 5 nm) and far from it (1030 ± 5 nm) were used. Linearly polarized pulses of 224 ± 15 fs duration and 200 kHz repetition rate were used. Transmission spectra of linearly polarized light by areas of ZnO:Ag films modified by laser radiation were obtained using a spectrophotometer microscope. The size, concentration, shape and arrangement of nanoparticles in the films, and the surface morphology of zinc oxide (ZnO) films were studied using electron microscopy methods. It was shown that laser radiation with a wavelength near the plasmon resonance of nanoparticles with an energy density in a pulse higher than 43 ± 0.5 mJ/cm2 leads to the appearance of a dichroism effect in the films. The occurrence of this effect is associated with the reorientation of nanoparticles. Laser action leads to a reorientation of the initially chaotic arrangement of nanoparticles in the direction parallel to the polarization vector of the laser radiation. The highest value of the linear dichroism is achieved in the region of plasmon resonance wavelengths of 515 ± 5 nm at a radiation energy density of 66 ± 0.5 mJ/cm2. A further increase in the energy density leads to a decrease in dichroism due to the return of chaotic orientation. The effect of radiation with a wavelength far from the plasmon resonance of 1030 ± 5 nm with equivalent energy densities does not lead to a reorientation of nanoparticles and, as a consequence, the change in the linear dichroism value is significantly lower. According to the proposed hypothesis, the differences between the results of laser exposure are associated with different mechanisms of radiation absorption in the material. Radiation with a wavelength of 515 ± 5 nm is absorbed by nanoparticles. In the case of linear polarization of radiation, ionization of nanoparticles and their reorientation parallel to the polarization vector occur. At a wavelength of 1030 ± 5 nm, radiation is absorbed by the ZnO matrix. This leads to heating of the film, heat transfer to the nanoparticles, as a result of which the process of reorientation of nanoparticles parallel to the polarization vector is complicated, and the dichroism effect is much less pronounced. The results of the study can be used in the design and manufacture of photodetectors due to the identified possibility of shifting the peak of plasmon resonance of nanoparticles in the photoabsorbing layer of the photodetector. Control of the dichroism effect allows controlling the sensitivity range of detectors.
The authors declare that there are no conflicts of interest present.