Preview

Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики

Расширенный поиск

Фемтосекундная лазерная модификация золь-гель пленок ZnO:Ag с проявлением дихроизма

https://doi.org/10.17586/2226-1494-2024-24-3-384-398

Аннотация

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. 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. 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.

Об авторах

В. Р. Гресько
Университет ИТМО
Россия

Гресько Владислав Романович — младший научный сотрудник, ассистент

Санкт-Петербург, 197101



М. М. Сергеев
Университет ИТМО
Россия

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

Санкт- Петербург, 197101



В. В. Смирнова
Университет ИТМО
Россия

Смирнова Виктория Викторовна — старший лаборант

Санкт-Петербург, 197101



А. Д. Долгополов
Университет ИТМО
Россия

Долгополов Артур Джуракулович — инженер

Санкт-Петербург, 197101



Л. А. Сокура
Университет ИТМО; Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе
Россия

Сокура Лилия Александровна — научный сотрудник; научный сотрудник

Санкт-Петербург, 197101

Санкт-Петербург, 194021



Г. К. Костюк
Университет ИТМО
Россия

Костюк Галина Кирилловна — кандидат технических наук, научный сотрудник

Санкт-Петербург, 197101



Е. А. Григорьев
Санкт-Петербургский государственный университет
Россия

Григорьев Евгений Анатольевич — специалист по сканирующей электронной микроскопии

Санкт-Петербург, 199034



Список литературы

1. Srikant 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/10.1063/1.367375

2. Jia 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.2022.108634

3. Lee 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.77.234

4. Huang 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.202200327

5. Tang 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/10.1063/5.0005334

6. Klochko 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.2021.12.051

7. Shougaijam 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.2017.2648500

8. Gresko 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.90.000192

9. Varlamov 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.2022.132605

10. Andreeva 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.0c01092

11. Miranda 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.70.161401

12. Stalmashonak 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/10.1088/1464-4258/11/6/065001

13. Shirshneva-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-2018-0061

14. Sergeev 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.2022.108059

15. Bohren C.F., Huffman D.R. Absorption and Scattering of Light by Small Particles. John Wiley & Sons, 2008. 552 p.

16. 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/s100530170100

17. Buividas 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.2014.03.002

18. Royon 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.1.000866


Рецензия

Для цитирования:


Гресько В.Р., Сергеев М.М., Смирнова В.В., Долгополов А.Д., Сокура Л.А., Костюк Г.К., Григорьев Е.А. Фемтосекундная лазерная модификация золь-гель пленок ZnO:Ag с проявлением дихроизма. Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2024;24(3):384-398. https://doi.org/10.17586/2226-1494-2024-24-3-384-398

For citation:


Gresko V.R., Sergeev M.M., Smirnova V.V., Dolgopolov A.D., Sokura L.A., Kostyuk G.K., Grigoryev E.A. Femtosecond laser modification of the ZnO:Ag sol-gel films within dichroism emergence. Scientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics. 2024;24(3):384-398. (In Russ.) https://doi.org/10.17586/2226-1494-2024-24-3-384-398

Просмотров: 12


Creative Commons License
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.


ISSN 2226-1494 (Print)
ISSN 2500-0373 (Online)