Изготовление и исследование гибридных металл-диэлектрических наноструктур с органическими светоизлучающими слоями тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.10, кандидат наук Морозов Константин Михайлович

• Морозов Константин Михайлович
• кандидат наук
• 2021

Оглавление диссертации кандидат наук Морозов Константин Михайлович

Реферат

Synopsis

Введение

ГЛАВА 1. Гибридные металл-диэлектрические наноструктуры содержащие слои органических полупроводниковых материалов (обзор)

1.1 Органические светоизлучающие материалы и светодиоды

1.2 Люминесценция и нерадиационная рекомбинация в органических полупроводниковых материалах

1.3 Экситоны в органических полупроводниках

1.4 Взаимодействие света и вещества в фотонных наноструктурах

1.5 Режим сильной связи

1.6 Металл-диэлектрические резонаторы

1.7 Периодические металл-диэлектрические структуры

1.8 Методы изготовления светоизлучающих структур и приборов с органическими слоями

ГЛАВА 2. Изготовление гибридных наноструктур и

экспериментальные методы их исследования

2.1 Изготовление металл-диэлектрических структур с органическими слоями

2.2 Эллипсометрия и измерение спектров отражения с угловым разрешением

2.3 Стационарная фотолюминесценция с угловым разрешением

2.4 Спектроскопия с временным разрешением

ГЛАВА 3. Металл-диэлектрические резонаторы с органическими

светоизлучающими слоями

3.1 Металл-диэлектрические резонаторы, излучающие в ближнем ультрафиолетовом диапазоне

3.1.1 Дизайн металл-диэлектрического резонатора излучающего в ближнем ультрафиолетовом диапазоне

3.1.2 Анализ спектров отражения

3.1.3 Анализ спектров фотолюминесценции с угловым разрешением

3.1.4 Спектроскопия с временным разрешением

3.2 Поляризационное расщепление в металл-диэлектрических резонаторах

3.2.1 Теоретическое моделирование поляризационного расщепления

3.2.2 Дизайн металл-диэлектрических резонаторов с материалом DPAVBi

3.2.3 Анализ спектров отражения с угловым разрешеним

3.3 Использование фотонных квазикристаллов в дизайне металл-диэлектрических резонаторов

3.3.1 Металл-диэлектрический резонатор с фотонным квазикристаллом

3.3.2 Субволновое структурирование металлического слоя с квазикристаллической ячейкой

3.4 Краткие итоги

ГЛАВА 4. Периодические структуры на основе металлических,

диэлектрических и органических слоев

4.1 Периодические металл-диэлектрические структуры

4.1.1 Поверхностный плазмон-поляритон и эффект Парселла в периодических металл-диэлектических структурах

4.1.2 Фотолюминесценция периодических структур

4.1.3 Спектроскопия с временным разрешением

4.2 Сдвиг локальной плотности состояний

4.3 Краткие итоги

Заключение

Список сокращений и условных обозначений

Список литературы

Список таблиц

Приложение A. Метод матриц переноса

Приложение B. Метод S-квантования

Тексты публикаций

Реферат

Общая характеристика диссертации

Актуальность темы

Прогресс технологии фотонных наноструктур позволил создавать новые оптоэлектронные приборы (такие как вертикально-излучающие лазеры [1], резонансные светодиоды [2], сенсоры [3], фотоакустические приборы [4]). Развитие оптоэлектроники тесно связано с использованием новых материалов, позволяющих осваивать новые спектральные диапазоны, снижать энергоемкость и стоимость, а также повышать эффективность приборов. Так, освоение технологии светодиодов с электрической накачкой на основе нитрида галлия произвело революцию в области осветительных приборов и было удостоено нобелевской премии по физике 2014 года [5].

В последнее десятилетие бурно развиваются исследования органических светоизлучающих материалов и фотонных наноструктур с металлическими элементами (плазмонных наноструктур) [6; 7]. В отличие от неорганических полупроводников, для которых важно согласование по параметру решетки в рамках гетероструктуры, для органических материалов несущественны ограничения, связанные с кристаллической структурой. Кроме этого, различные семейства неорганических полупроводников могут излучать в определенных спектральных областях, а с помощью органических материалов можно заполнить весь спектральный диапазон от инфракрасного до ультрафиолетового [8;9]. В органических полупроводниковых материалах сила взаимодействия света с веществом может быть значительно больше, чем в неорганических полупроводниках. Например, значение силы осциллятора экситона в органических материалах может на порядки превосходить аналогичную величину для неорганических полупроводников [10], что при использовании резонаторов может

приводить к расщеплению поляритонных мод (режиму сильной связи) при комнатной температуре. Оптоэлектронные приборы, работающие в режиме сильной связи, могут быть использованы для создания эффективных источников излучения [11; 12], низкопороговых лазеров [13], генерации второй и третьей гармоники [14; 15].

Важным направлением исследования органических светоизлучающих материалов, является модификация структуры органических молекул под действием света (поляритонная химия). Режим сильной связи с экситонными состояниями или с колебательными подуровнями экситонов [16] позволяет модифицировать молекулярную структуру (или энергетический спектр) органических соединений. При этом возможен нерадиационный перенос энергии между донором и акцептором превосходящей предел Ферстера [17], усиление процессов обратной интеркомбинационной конверсии триплетов в синглеты в органических молекулах, поддерживающих задержанную флуоресценцию [18-20], а также увеличение проводимости композитных плазмонных органических структур, стимулированное сильной связью [21].

Интерес к плазмонным структурам связан с возможностью локализации света в областях пространства, существенно меньше длины волны, что приводит к усилению взаимодействия света и вещества. Такое усиление позволяет наблюдать ряд интересных эффектов, например, поверхностно-усиленное рамановское рассеяние света [22; 23] и использоваться для создания новых оптоэлектронных приборов, таких, как нанолазеры [24; 25], разработке новых типов сенсоров [26]. В последние годы активно исследуется возможность модификации вероятности спонтанной эмиссии излучения (эффект Парселла) в различных плазмонных структурах [27-29], в частности в структурах на основе таммовских плазмонов [30] и периодических металл-диэлектрических структур [31]. Некоторые теоретические работы предсказывают гигантские значения коэффициента Парселла в периодических металл-диэлектрических структурах вблизи плазменной частоты. Кроме этого, использование металлических элементов в качестве зеркал (вместо многослойных брэгговских) и одновременно контактов позволит упростить создание новых оптоэлектронных приборов. Использование органических

материалов в плазмонных наноструктурах может обеспечить возможность согласования частот поверхностных плазмонов и излучаемых фотонов, и позволит экспериментально проверить многие теоретические идеи и исследовать новые типы оптоэлектронных приборов, в частности для ультрафиолетовой области спектра, когда в металлах существенным становится поглощение света.

Перечисленное выше подтверждает актуальность темы диссертации и важность исследования фотонных наноструктур, содержащих органические полупроводниковые материалы в качестве светоизлучающих элементов для создания оптоэлектронных приборов нового поколения.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Изготовление и исследование гибридных металл-диэлектрических наноструктур с органическими светоизлучающими слоями»

Цель работы

Целью настоящего исследования является изготовление, экспериментальное и теоретическое исследование гибридных металл-диэлектрических наноструктур, в которых в качестве светоизлучающего материала выступают органические соединения.

Задачи работы

1. Изготовить планарные металл-диэлектрические структуры с заданными толщинами слоев, с использованием метода термического осаждения в вакууме в едином технологическом процессе на заданных подложках.

2. Экспериментально исследовать свойства изготовленных гибридных металл-диэлектрических наноструктур с различными органическими излучателями. Измерить спектры отражения и люминесценции.

3. Исследовать поляризационное расщепление для верхней и нижней поля-ритонных мод в металл-диэлектрических наноструктурах, находящихся в режиме ультрасильной связи.

4. Исследовать влияние изготовленных многослойных периодических структур, состоящих из органических и металлических слоев на скорость затухания люминесценции органического эмиттера.

Методы исследования

1. Метод термического осаждения в вакууме использовался для нанесения органических и металлических слоев.

2. Растровая электронная микроскопия использовалась для изучения структурных свойств изготовленных образцов.

3. Для изучения люминесцентных свойств структур проводилось измерение спектров стационарной люминесценции с угловым разрешением.

4. Измерение спектров отражения с угловым разрешением проводилось для определения спектрального положения собственных оптических состояний изготовленных образцов.

5. Эллипсометрия использовалась для определения толщин нанесенных слоев, а также измерения спектральной зависимости показателей преломления используемых материалов.

6. Для анализа динамики затухания интенсивности люминесценции проводились измерения спектров фотолюминесценции с временным разрешением с помощью метода коррелированного счета одиночных фотонов.

7. Теоретические численные (метод матриц переноса, метод 8-квантования) и аналитические методы (метод связанных осцилляторов, метод вычисления полюсов матрицы переноса) также использовались в работе.

Научная новизна работы

В работе было продемонстрирована возможность реализации режима сильной связи в металл-диэлектрическом резонаторе с тонким органическим слоем в ближнем ультрафиолетовом (УФ) спектральном диапазоне, где коэффициент отражения металлического зеркала снижен, что позволит создать новые источники синего и УФ диапазона на основе поляритонной эмиссии. Впервые было продемонстрировано, что режим ультрасильной связи может приводить к реализации противоположного знака поляризационного расщепления для нижней и верхней поляритонных ветвей в металл-диэлектрических резонаторах с органической активной областью.

Теоретическая и практическая значимость работы

Использованные в работе материалы и методы изготовления образцов широко применяются в современной полупроводниковой индустрии, в том числе при изготовлении органических светодиодов. Таким образом, наноструктуры, которые были исследованы в настоящей работе, могут быть имплементированы в современную полупроводниковую промышленность в качестве структурных компонентов существующих и новых оптоэлектронных приборов.

Положения, выносимые на защиту

1. Метод термического осаждения в вакууме позволяет создавать многослойные планарные наноструктуры на основе органических материалов и металлов, осажденных в едином технологическом процессе, излучаю-

щие в широком интервале от ультрафиолетового до синего спектрального диапазона при комнатной температуре.

2. Установлена возможность реализации режима сильной связи и продемонстрирована поляритонная люминесценция при комнатной температуре в планарных металлодиэлектрических резонаторных структурах с органическим светоизлучающим материалом в качестве эмиттера в ближней ультрафиолетовой спектральной области, где отражение от металлического зеркала снижено.

3. Экспериментально продемонстрирована реализация режима ультрасильной связи в металлодиэлектрических резонаторных структурах с органическими полупроводниковыми слоями, приводящая к противоположному знаку поляризационного расщепления для нижней и верхней поляритон-ных ветвей.

4. Экспериментально продемонстрировано, что в периодических наноструктурах на основе металлических (серебро) и органических светоизлу-чающих (4,4'-бис^-карбазолил)-1,1'-бифенил) слоев, время затухания люминесценции сокращается не более чем в 10 раз по сравнению с объемным материалом.

Апробация работы

Основные положения и результаты диссертационной работы были представлены на следующих конференциях: Международная конференция «ФизикА.СПб» (Санкт-Петербург, 2018, 2019), Всероссийская молодежная конференция по физике полупроводников и наноструктур, полупроводниковой опто- и наноэлектронике (Санкт-Петербург, 2018), Международная школа-конференция «Saint-Petersburg OPEN» (Санкт-Петербург, 2019), Международная конференция «SPb-POEM» (Санкт-Петербург, 2019), Международная школа-конференция по физике полупроводников «Jaszowiec» (Щирк, Польша, 2019), Российская конференция по физике полупроводников (Новосибирск,

2019), Всероссийская научная конференция с международным участием «Енисейская фотоника 2020» (Красноярск, 2020), Международный симпозиум "Nanostructures: Physics and Technology" (Минск, 2020).

Достоверность научных достижений

Каждая структура, исследуемая в рамках настоящей работы, была изготовлена в нескольких экземплярах для воспроизводимости экспериментальных результатов. Было продемонстрировано согласование между полученными теоретическими (полученных аналитически и численно) и экспериментальными результатами. Основные результаты диссертационной работы были представлены на международных и всероссийских конференциях, а также опубликованы в рецензируемых научных изданиях, входящих в базы цитирования ВАК, Scopus и Web of Science, в том числе в журналах, входящих в первый квартиль.

Личный вклад автора

В диссертации изложены результаты, полученные автором лично, либо при его непосредственном участии. Автор лично занимался изготовлением образцов (осаждением тонких органических и металлических слоев) и характеризацией изготовленных структур. Также автор принимал участие в получении результатов, полученных с помощью теоретических методов, представленных в работе.

Публикации

Основные результаты по теме диссертации изложены в 10 публикациях. Из них 4 изданы в журналах, рекомендованных ВАК, 6 опубликованы в изданиях, индексируемых в базе цитирования Scopus и Web of Science.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 118 наименований и 2 приложений. Текст диссертации изложен на 163 страницах, содержит 53 формулы, 55 рисунков и 3 таблицы.

Содержание работы

Во введении обосновывается актуальность исследований, проводимых в рамках настоящей диссертационной работы, формулируется цель, ставятся задачи, обосновывается научная новизна и практическая значимость настоящей диссертационной работы.

В первой главе «Гибридные металл-диэлектрические наноструктуры содержащие слои органических полупроводниковых материалов» приводится обзор литературы, определяющий область исследований и тенденций в области изучения свойств наноструктур с органическими светоизлучающими материалами. Обсуждаются основные механизмы люминесценции и релаксации в органических полупроводниковых материалах, рассматриваются основные типы и методы изготовления исследуемых наноструктур и перспективные эффекты, проявляющиеся в них.

Во второй главе «Изготовление гибридных наноструктур и экспериментальные методы их исследования» разбираются этапы изготовления исследуемых в работе образцов: периодических металл-диэлектрических многослойных структур и металл-диэлектрических резонаторов с органическими светоизлучающи-ми слоями материалов 4,4'-бис(К-карбазолил)-1,1'-бифенил (СВР) и 4,4'-бис [4-(диптолиламино)стирил]бифенил (БРЛУВ1). Изображения, полученные с помощью растрового электронного микроскопа (РЭМ) представлены на рисунке 0.1. Также приводится обзор установок, используемых при синтезе и экспериментальном исследовании изготовленных структур.

Рисунок 0.1 — РЭМ изображения изготовленных структур: (а) - периодической металл-диэлектрической структуры, (б) - металл-диэлектрического резонатора. В качестве органического светоизлучающего слоя - материал СВР (4,4'-бис(К-карбазолил)-1,1 '-бифенил).

Третья глава «Металл-диэлектрические резонаторы с органическими све-тоизлучающими слоями» посвящена результатам исследования гибридных металл-диэлектрических резонаторов с органическими светоизлучающими слоями материалов СВР (4,4'-бис(К-карбазолил)-1,1'-бифенил) и БРЛУВ (4,4'-бис [4-(диптолиламино)стирил]бифенил), находящихся в режиме сильной связи экситона и оптической моды. Исследуемые образцы были изготовлены и исследованы с помощью технологии и оборудования, подробно рассмотренных во второй главе. В конце главы представлены результаты теоретического анализа металл-диэлектрических резонаторов, в которых используются элементы с квазикристаллической симметрией.

В разделе § 3.1 описана разработка дизайна металл-диэлектрического резонатора (рисунок 0.2а) для исследования взаимодействия локализованной оптической моды металл-диэлектрического резонатора с экситонным резонансом органического материала СВР в режиме сильной связи в ближнем УФ спектральном диапазоне. Разбираются и анализируются оптические свойства материала СВР, тонкого слоя серебра и материалов, составляющих брэгговский отражатель (БО). Органический материал СВР (рисунок 0.2б), обладающий ши-

Рисунок 0.2 — (а) Схема металл-диэлектрического резонатора. (б) Структура молекулы СВР. (в) Правая ось ординат: мнимая (синие кружки и линия) и действительная (красные кружки и линия) части показателя преломления СВР. Левая ось ординат: спектр люминесценции СВР (фиолетовая область), спектр отражения брэгговского отражателя (оранжевая пунктирная линия), спектр отражения серебряного зеркала (зеленая пунктирная линия).

роким спектром люминесценции в ближнем-УФ спектральном диапазоне (от 2.8 эВ до 3.3 эВ), имеет ярко выраженную экситонную особенность в спектре показателя преломления (рисунок 0.2в) с энергией 3.5 эВ. Дизайн структуры был разработан таким образом, чтобы мода металл-диэлектрического микрорезонатора при нормальном падении имела энергию 3.2 эВ, а при 45° падении, ее энергия была равна энергии экситона СВР. При анализе спектров отражения от серебряного слоя, было установлено, что коэффициент отражения монотонно уменьшается от 90% (на энергии 2.5 эВ) до 10% (на энергии 4 эВ).

Далее в разделе представлены результаты исследования спектров отражения и фотолюминесценции (ФЛ) образцов, изготовленных по разработанному дизайну. Поляритонные состояния проявляют себя в спектре отражения как провалы, с увеличением угла имеющие характер антипересечения. Спектры отражения при различных углах падения были измерены с помощью эллипсометра J A Woollam VASE. Было продемонстрировано, что измеренные (рисунок 0.3а) и промоделированные с помощью метода матриц переноса спектры и аналитические дисперсии поляритонных ветвей, полученные с помощью модели связанных осцилляторов, хорошо согласуются между собой, что означает, что области с низким коэффициентом отражения соответствуют поляритонным модам (рисунок 0.3а,б).

Рисунок 0.3 — (а) Измеренные (красные линии) и рассчитанные (синие линии)

спектры отражения от структуры металл-диэлектрического резонатора для углов 25°, 45° и 60°. Пунктирные серые линии показывают дисперсии нижней и

верхней поляритонных ветвей. (б) Рассчитанное (левая часть) и измеренное (правая часть) угловое распределение коэффициента отражения. Зеленые точки - результат аппроксимации провалов в измеренных спектрах. Зеленые кривые -аналитические зависимости для дисперсии поляритонных ветвей. (в) Спектры ФЛ для различных углов. Вертикальная и горизонтальные черные пунктирные линии показывают энергию экситона в CBP.

Однако, было отмечено, что по сравнению со случаем нижней поляритонной моды, провал, соответствующий верхней поляритонной моде менее выражен и уширен. Данное наблюдение связано с вышеупомянутым уменьшением отражательной способности серебряного зеркала в спектральной области выше энергии

экситона (рисунок 0.3в). Измерение спектров ФЛ с угловым разрешением показало люминесценцию из области, соответствующей нижней поляритонной ветви. Пик люминесценции демонстрирует угловую дисперсию (сдвиг в синюю область при увеличении угла эмиссии), а полуширина полосы излучения уменьшена практически в два раза по сравнению со спектром излучения СВР в свободном пространстве. Таким образом, на основании вышеизложенного было заключено, что исследуемая структура находится в режиме сильной связи в ближнем УФ диапазоне, несмотря на снижение коэффициента отражения тонкого слоя серебра.

Раздел § 3.2 посвящен разработке дизайна (рисунок 0.4а) металл-диэлектрического резонатора с разными толщинами органического материала БРАУВ (рисунок 0.4б), позволяющего изучить свойства режима ультрасильной связи в зависимости от величины энергетической отстройки между энергией экситона в БРЛУВ и оптической моды структуры. Молекула БРЛУВ1 обладает мощным экситонным резонансом с энергией 3.05 эВ и широкой полосой люминесценции (от 1.6 до 2.8 эВ) с пиком в 2.6 эВ (рисунок 0.4в). С помощью аналитической модели, основанной на вычислении полюсов матрицы переноса металл-диэлектрического резонатора в направлении оси роста, предсказывается возможность наблюдения противоположного знака поляризационного расщепления (разницы между энергией собственного состояния в ТЕ и ТМ поляризациях). Кроме этого, модель предсказывает зависимость величины поляризационного расщепления от величины энергетической отстройки и как следствие толщины слоя БРЛУВь Был выбран набор из трех толщин БРАУВк 21 нм, 40 нм, 60 нм, которые соответствуют энергетическим отстройкам в 200, 300, 450 мэВ.

Затем, в разделе представлены экспериментальные результаты исследования поляризационного расщепления для структур с различными толщинами БРЛУВь Были измерены спектры отражения для различных углов и обеих ТЕ и ТМ поляризаций (рисунок 0.5а,б), затем спектры были аппроксимированы контуром Лоренца.

Полученные точки определяют экспериментальную дисперсию поляритон-ных мод, и были использованы для определения расщепления Раби и получения

Рисунок 0.4 — (а) Схема металл-диэлектрического резонатора. (б) Структура молекулы БРАУВь (в) Правая ось ординат: мнимая (синие кружки и линия) и

действительная (красные кружки и линия) части показателя преломления БРАУВь Левая ось ординат: спектр люминесценции БРАУВ (зеленая область), спектр отражения БО (оранжевая пунктирная линия), спектр отражения серебряного зеркала (серая пунктирная линия).

величины поляризационного расщепления. Для случая ТЕ-поляризации наблюдается гигантская величина расщепления в точке антипересечения мод: 487, 676 и 717 мэВ (для структур с толщинами БРАУВ 21, 40, 60 нм, соответственно). Полученные величины расщепления (для структур с толщинами 40 и 60 нм), составляют величину порядка 20% от энергии экситона БРАУВ1, что свидетельствует о реализации режима ультрасильной связи [32; 33]. Кроме того, было обнаружено, что для трех типов изготовленных структур энергия нижнего поляритона в случае ТМ-поляризации выше, чем его энергия в случае ТЕ-поля-ризации (ТМ-ТЕ расщепление имеет положительный знак), а энергия верхнего поляритона в случае ТМ-поляризации ниже его энергии в случае ТЕ-поляриза-ции (ТМ-ТЕ расщепление имеет отрицательный знак). Зависимость величины ТМ-ТЕ расщепления от угла показана на рисунке 0.5в. Экспериментальные результаты хорошо согласуются с угловой зависимостью расщепления, получен-

Рисунок 0.5 — (а,б) Измеренные спектры отражения от структуры металл-диэлектрического резонатора с материалом БРЛУБ (толщина 21 нм)

для различных углов в случае ТЕ (а) и ТМ (б) поляризации. Кружки показывают положение провалов в спектрах, соответствующих поляритонным модам. Вертикальная серая линия показывает энергию экситона в БРЛУБь (в) Зависимость величины поляризационного расщепления для нижней (черный цвет) и верхней (красный цвет) поляритонных ветвей в зависимости от угла

(для структуры с 40-нм слоем БРЛУБ1): кружки - экспериментальные результаты, линии - численный расчет, пунктирные линии - аналитическая

модель.

ной с помощью численного моделирования спектров отражения методом матриц переноса. Максимальная величина поляризационного расщепления для нижней поляритонной моды составляет 200 мэВ (для структуры с 40 нм БРЛУБ1) и -180 мэВ для верхней (для структуры с 60 нм БРЛУБ1).

В Разделе § 3.3 представлены результаты теоретического исследования свойств металл-диэлектрических резонаторов, в которых имеются элементы с фотонными квазикристаллами. Было продемонстрировано, что использование решетки Фибоначчи вместо брэгговского зеркала приводит к формированию множества локализованных оптических состояний в широком спектральном диапазоне. В свою очередь, латеральное периодическое субволновое структурирование металлического слоя с ячейкой Фибоначчи, приводит к изменению структуры и дисперсии локализованных мод в направлении структурирования.

Результаты расчета показали, что в зонной структуре возникают дополнительные фотонные запрещенные зоны, а их число и суммарная ширина увеличиваются при увеличении номера последовательности Фибоначчи. Было показано, что дисперсионные поверхности представляют собой соединения параболоидов и гиперболоидов, частота чередования которых увеличивается при увеличении номера последовательности Фибоначчи, что вместе с падением групповой скорости состояний может приводить к увеличению темпа спонтанной эмиссии в широком спектральном диапазоне.

Четвертая глава «Периодические структуры на основе металлических, диэлектрических и органических слоев» посвящена теоретическому и экспериментальному исследованию многослойных периодических плазмонных систем, состоящих из слоев металла и слоев органического материала.

В разделе § 4.1 обсуждаются свойства периодической структуры (рисунок 0.6а), состоящей из слоев СВР и серебра, а также результаты экспериментального исследования люминесценции таких структур для различных соотношений между толщинами металлического и органического слоев. Граница между СВР и серебром поддерживает поверхностный плазмон с энергией, находящейся в полосе люминесценции СВР в ближнем УФ диапазоне, поэтому эта пара материалов была выбрана для исследования эффекта Парселла в металл-диэлектрических структурах. В данном случае материал СВР выступает в качестве слоя диэлектрика и, одновременно, светоизлучающего материала. Оптические свойства СВР и тонких слоев серебра детально разобраны в третьей главе, а детали изготовления и измерения свойств периодических структур представлены во второй главе. Измерение спектров затухания люминесценции изготовленных структур с их последующей аппроксимацией двумя экспонентами, позволили определить отношение между временем жизни объемного СВР ко времени жизни в периодической структуре (рисунок 0.6б). Полученные результаты позволяют подтвердить возможность модификации времени жизни излучателя в периодических металл-диэлектрических структурах посредством эффекта Пар-селла, однако, максимальные значения ограничены значением 10. Это можно

Рисунок 0.6 — (а) Схема периодической структуры СВР/Серебро. (б) Левая ось ординат: спектр люминесценции СВР в свободном пространстве и в периодической структуре 15 нм СВР/15 нм серебро (структура 15/15). Отношение времени жизни возбужденного состояния СВР в свободном пространстве к модифицированному времени внутри структуры: черные квадраты - структура 10/15, красные кружки - структура 15/15, зеленые треугольники - структура 20/15, синий квадрат - структура 30/15 (правая ось

ординат).

объяснить сильным поглощением света в металле в исследуемой спектральной области.

Раздел § 4.2 посвящен исследованию сдвига пика в плотности фотонных состояний, связанного с поверхностными плазмонами в область с меньшими энергиями, при вариации параметров структуры, что может привести к уменьшению поглощения и увеличению коэффициента Парселла.

Был рассмотрен интерфейс между периодической металл-диэлектрической структурой, исследованной в предыдущем разделе, и слоем диэлектрика (рисунок 0.7а). В качестве материала диэлектрика в расчете был выбран кремний. Параметр а - это фактор заполнения периодической структуры металлом (случай а =1 соответствует сплошному слою металла). Расчет в приближении эффективной среды демонстрирует сдвиг пика плотности фотонных состояний в

(а) (б)

а

Рисунок 0.7 — (а) Изображение интерфейса между периодической металл-диэлектрической структурой и диэлектриком. (б) Зависимость максимального значения коэффициента Парселла структуры от величины параметра а для обыкновенного (сплошные кривые) и необыкновенного (пунктирные кривые) поверхностных плазмонов.

область меньших энергий, сопровождающийся увеличением максимального значения коэффициента Парселла при уменьшении величины фактора заполнения а (рисунок 0.7б). Структура была рассмотрена как анизотропная среда, в которой формируются обыкновенный и необыкновенный поверхностные плазмоны. Снижение поглощения наиболее ярко проявляется в случае обыкновенного поверхностного плазмона, который распространяется в материале с диэлектрической проницаемостью, эквивалентной металлу с уменьшенной плазменной частотой.

В заключении приведены основные результаты работы:

1. С помощью метода термического осаждения в вакууме были изготовлены образцы металл-диэлектрических резонаторов с органическими материалами СВР и БРЛУВ1 и серебром, а также многослойных периодических металл-диэлектрических структур.

2. Показано, что изготовленные структуры металл-диэлектрических резонаторов с органическим материалом СВР находятся в режиме сильной связи, а также демонстрируют фотолюминесценцию в ближнем ультрафиолетовом диапазоне при комнатной температуре.

3. Продемонстрировано, что изготовленные структуры металл-диэлектрических резонаторов с материалом БРЛУВ1, находятся в режиме ультрасильной связи: величина энергии расщепления Раби составляет величину около 20% от энергии экситона в БРЛУВь

4. Измерение спектров отражения для ТЕ и ТМ поляризации с угловым разрешением показало противоположный знак поляризационного расщепления для нижней и верхней поляритонных ветвей.

5. Расчет дисперсий локализованных состояний металл-диэлектрического резонатора с субволновым структурированием металлического слоя показал, что увеличение порядка квазикристаллической ячейки, может приводить к модификации скорости спонтанной эмиссии в широком спектральном диапазоне благодаря падению групповой скорости и увеличению частоты чередований параболоидов и гиперболоидов дисперсионных поверхностей.

6. Измерения затухания интенсивности фотолюминесценции периодических структур СВР/серебро показывают уменьшение времен жизни возбужденных состояний СВР в структуре на значения, не превышающие 10.

7. Теоретически продемонстрировано, что пик локальной плотности состояний поверхностного плазмона, может быть сдвинут в область меньших энергий в структуре с интерфейсом между периодической металл-диэлектрической структурой и диэлектриком, что может сопровождаться увеличением максимального значения коэффициента Парселла.

Публикации по теме работы

В изданиях из перечня ВАК РФ:

Л1. Экспериментальное исследование усиления спонтанной эмиссии в микрорезонаторах на основе таммовских плазмонов с органической активной областью / К. М. Морозов, К. А. Иванов, N. 8е1ешп, 8. М1кИпп, Б. ёе 8а Регека, С. Мепе1аои, Л. Р. Мопктап, М. А. Калитеевский // Физика и техника полупровод-

ников. - 2018. - Т. 52, № 11. - С. 1308.

A2. Взаимодействие таммовского плазмона и экситона в органическом материале в режиме сильной связи / К. М. Морозов, А. В. Белоновский, К. А. Иванов, Е. И. Гиршова, М. А. Калитеевский // Физика и техника полупроводников. — 2018.-Т. 53, №10.-С. 1349.

A3. Свойства микрорезонатора на основе таммовского плазмона с внутрирезо-наторными металлическими слоями и органической активной областью / К. М. Морозов, А. В. Белоновский, Е. И. Гиршова, К. А. Иванов, М. А. Калитеевский // Физика и техника полупроводников. - 2020. - Т. 54, № 3. - С. 280. A4. Губайдуллин, А. Р. Таммовские плазмоны в структурах с квазипериодическими металлическими решетками / А. Р. Губайдуллин, К. М. Морозов, М. А. Калитеевский // Письма в журнал экспериментальной и теоретической физики. - 2020. - Т. 111, № 11. - С. 763-766.

В международных изданиях, индексируемых в базах данных Scopus и Web of Science:

A5. Spontaneous emission amplification in silver-organic periodic structures and tamm plasmon structures / K. M. Morozov, K. A. Ivanov, N. Selenin, S. Mikhrin, D. de Sa Pereira, C. Menelaou, A. P. Monkman, M. A. Kaliteevski // Semiconductors. -2018. - Vol. 52, no. 8. - P. 1861-1864.

A6. Emission enhancement in hybrid Tamm plasmon/photonic quasicrystal structure / K. M. Morozov, K. A. Ivanov, A. V. Belonovskii, E. I. Girshova // SN Applied Sciences. - 2019. - Vol. 1, no. 11. - P. 1349.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Морозов Константин Михайлович, 2021 год

Список литературы

1. Iga K., Koyama F., Kinoshita S. Surface emitting semiconductor lasers // IEEE Journal of Quantum Electronics. — 1988. — 9. — Vol. 24.

2. Resonant cavity light-emitting diode / E. F. Schubert, Y.-H. Wang, A. Y. Cho et al. // Applied Physics Letters. — 1992. — 2. — Vol. 60.

3. Lee Jong-Heun. Gas sensors using hierarchical and hollow oxide nanostructures: Overview // Sensors and Actuators B: Chemical. — 2009. — 6. — Vol. 140.

4. Optimizing the Geometry of Photoacoustically Active Gold Nanoparticles for Biomedical Imaging / Rafaela Garcia-Alvarez, Lisa Chen, Alexander Nedilko et al. // ACS Photonics. — 2020. — 3. — Vol. 7.

5. Metalorganic vapor phase epitaxial growth of a high quality GaN film using an AlN buffer layer / H. Amano, N. Sawaki, I. Akasaki, Y. Toyoda // Applied Physics Letters. — 1986. — 2. — Vol. 48.

6. Plasmonics for extreme light concentration and manipulation / Jon A. Schuller, Edward S. Barnard, Wenshan Cai et al. // Nature Materials. — 2010. — 3. — Vol. 9.

7. Maier Stefan A. Plasmonics: Fundamentals and applications. — 2007. — Pp. 1-223.

8. Cao Hui, Wiersig Jan. Dielectric microcavities: Model systems for wave chaos and non-Hermitian physics // Reviews of Modern Physics. — 2015. — Vol. 87, no. 1. — Pp. 61-111.

9. Zampetti Andrea, Minotto Alessandro, Cacialli Franco. Near-Infrared (NIR) Organic Light-Emitting Diodes (OLEDs): Challenges and Opportunities // Advanced Functional Materials. — 2019. — 5. — Vol. 29.

10. Guillet Thierry, Brimont Christelle. Polariton condensates at room temperature // Comptes Rendus Physique. — 2016. — 10. — Vol. 17.

11. Hybrid organic-inorganic polariton laser / G. G. Paschos, N. Somaschi, S. I. Tsintzos et al. // Scientific Reports. — 2017. — 12. — Vol. 7.

12. A hybrid organic-inorganic polariton LED / Rahul Jayaprakash, Kyriacos Geor-giou, Harriet Coulthard et al. // Light: Science & Applications. — 2019. — 12. — Vol. 8.

13. Kena-Cohen S., Forrest S. R. Room-temperature polariton lasing in an organic single-crystal microcavity // Nature Photonics. — 2010. — 6. — Vol. 4.

14. High-Efficiency Second-Harmonic Generation from Hybrid Light-Matter States / Thibault Chervy, Jialiang Xu, Yulong Duan et al. // Nano Letters. — 2016. — 12. — Vol. 16.

15. Tunable Third-Harmonic Generation from Polaritons in the Ultrastrong Coupling Regime / Fabio Barachati, Janos Simon, Yulia A. Getmanenko et al. // ACS Photonics. — 2018. — 1. — Vol. 5.

16. Ground-State Chemical Reactivity under Vibrational Coupling to the Vacuum Electromagnetic Field / Anoop Thomas, Jino George, Atef Shalabney et al. //

Angewandte Chemie International Edition. — 2016. — 9. — Vol. 55.

17. Energy Transfer between Spatially Separated Entangled Molecules / Xi-aolan Zhong, Thibault Chervy, Lei Zhang et al. // Angewandte Chemie International Edition. — 2017. — 7. — Vol. 56.

18. Manipulating molecules with strong coupling: harvesting triplet excitons in organic exciton microcavities / Daniel Polak, Rahul Jayaprakash, Thomas P. Lyons et al. // Chemical Science. — 2020. — Vol. 11.

19. Inverting singlet and triplet excited states using strong light-matter coupling / Elad Eizner, Luis A. Martinez-Martinez, Joel Yuen-Zhou, Stephane Kena-Cohen // Science Advances. — 2019. — 12. — Vol. 5.

20. Barrier-free reverse-intersystem crossing in organic molecules by strong lightmatter coupling / Yi Yu, Suman Mallick, Mao Wang, Karl Borjesson // Nature Communications. — 2021. — 12. — Vol. 12.

21. Conductivity in organic semiconductors hybridized with the vacuum field / E. Orgiu, J. George, J. A. Hutchison et al. // Nature Materials. — 2015. — 11. — Vol. 14.

22. Metallic Nanoparticle Arrays: A Common Substrate for Both Surface-Enhanced Raman Scattering and Surface-Enhanced Infrared Absorption / Fei Le, Daniel W. Brandl, Yaroslav A. Urzhumov et al. // ACS Nano. — 2008. — 4. — Vol. 2.

23. Nanogap-engineerable Raman-active nanodumbbells for single-molecule detection / Dong-Kwon Lim, Ki-Seok Jeon, Hyung Min Kim et al. // Nature Materials. — 2010. — 1. — Vol. 9.

24. Plasmon lasers at deep subwavelength scale / Rupert F. Oulton, Volker J. Sorger, Thomas Zentgraf et al. // Nature. — 2009. — 10. — Vol. 461.

25. Room-temperature sub-diffraction-limited plasmon laser by total internal reflection / Ren-Min Ma, Rupert F. Oulton, Volker J. Sorger et al. // Nature Materials.

— 2011. —2. — Vol. 10.

26. Brolo Alexandre G. Plasmonics for future biosensors // Nature Photonics. — 2012. — 11. — Vol. 6.

27. Multifold Enhancement of Quantum Dot Luminescence in Plasmonic Metamaterials / K. Tanaka, E. Plum, J. Y. Ou et al. // Physical Review Letters. — 2010.

— 11. — Vol. 105.

28. Controlling Spontaneous Emission with Plasmonic Optical Patch Antennas / C. Belacel, B. Habert, F. Bigourdan et al. // Nano Letters. — 2013. — 4. — Vol. 13.

29. Navarro-Cia Miguel, Maier Stefan A. Broad-Band Near-Infrared Plasmonic Nanoantennas for Higher Harmonic Generation // ACS Nano. — 2012. — 4.

— Vol. 6.

30. Enhancement of spontaneous emission in Tamm plasmon structures / A. R. Gubaydullin, C. Symonds, J. Bellessa et al. // Scientific Reports. — 2017.

— Vol. 7, no. 1. — P. 9014.

31. Spontaneous emission enhancement in metal-dielectric metamaterials / Ivan Iorsh, Alexander Poddubny, Alexey Orlov et al. // Physics Letters A. — 2012. — 1. — Vol. 376.

32. Signatures of the ultrastrong light-matter coupling regime / Aji A. Anappara, Simone De Liberato, Alessandro Tredicucci et al. // Physical Review B. — 2009.

— 5. — Vol. 79.

33. Ultrastrong light-matter coupling in electrically doped microcavity organic light emitting diodes / M. Mazzeo, A. Genco, S. Gambino et al. // Applied Physics Letters. — 2014. — 6. — Vol. 104.

34. Pope M., Kallmann H. P., Magnante P. Electroluminescence in Organic Crystals // The Journal of Chemical Physics. — 1963. — 4. — Vol. 38.

35. Helfrich W., Schneider W. G. Recombination Radiation in Anthracene Crystals // Physical Review Letters. — 1965. — 2. — Vol. 14.

36. Tang C. W., VanSlyke S. A. Organic electroluminescent diodes // Applied Physics Letters. — 1987. — 9. — Vol. 51.

37. Light-emitting diodes based on conjugated polymers / J. H. Burroughes, D. D. C. Bradley, A. R. Brown et al. // Nature. — 1990. — 10. — Vol. 347.

38. Synthesis of electrically conducting organic polymers: halogen derivatives of polyacetylene, (CH) x / Hideki Shirakawa, Edwin J. Louis, Alan G. MacDiarmid

et al. // Journal of the Chemical Society, Chemical Communications. — 1977.

39. Geffroy Bernard, le Roy Philippe, Prat Christophe. Organic light-emitting diode (OLED) technology: materials, devices and display technologies // Polymer International. — 2006. — 6. — Vol. 55.

40. Borchardt John K. Developments in organic displays // Materials Today. — 2004. — 9. — Vol. 7.

41. Tyan Yuan-Sheng. Organic light-emitting-diode lighting overview // Journal of Photonics for Energy. — 2011. — 1. — Vol. 1.

42. Blue organic light-emitting diodes realizing external quantum efficiency over 25% using thermally activated delayed fluorescence emitters / Takuya Miwa, Shosei Kubo, Katsuyuki Shizu et al. // Scientific Reports. — 2017. — Vol. 7, no. 1. — P. 284.

43. An Ultraviolet Thermally Activated Delayed Fluorescence OLED with Total External Quantum Efficiency over 9% / Yanju Luo, Shuaibing Li, Yihuan Zhao et al. // Advanced Materials. — 2020. — Vol. 32, no. 32. — P. 2001248.

44. All-organic thermally activated delayed fluorescence materials for organic light-emitting diodes / Yuchao Liu, Chensen Li, Zhongjie Ren et al. // Nature Reviews Materials. — 2018. — 4. — Vol. 3.

45. Unlocking the full potential of organic light-emitting diodes on flexible plastic / Z. B. Wang, M. G. Helander, J. Qiu et al. // Nature Photonics. — 2011. — 12. — Vol. 5.

46. Organic Solar Cells: A Review of Materials, Limitations, and Possibilities for Improvement / Omar A. Abdulrazzaq, Viney Saini, Shawn Bourdo et al. // Particulate Science and Technology. — 2013. — 9. — Vol. 31.

47. Murawski Caroline, Gather Malte C. Emerging Biomedical Applications of Organic Light-Emitting Diodes // Advanced Optical Materials. — 2021. — 7. — Vol. 9.

48. Morse Philip M. Diatomic Molecules According to the Wave Mechanics. II. Vibrational Levels // Physical Review. — 1929. — 7. — Vol. 34.

49. Lax Melvin. The Franck-Condon Principle and Its Application to Crystals // The Journal of Chemical Physics. — 1952. — 11. — Vol. 20.

50. Bayliss Noel S., McRae Elon G. Solvent Effects in Organic Spectra: Dipole Forces and the Franck-Condon Principle // The Journal of Physical Chemistry. — 1954. — 11. — Vol. 58.

51. Kasha Michael. Characterization of electronic transitions in complex molecules // Discussions of the Faraday Society. — 1950. — Vol. 9.

52. Forrest Stephen R. Excitons and the lifetime of organic semiconductor devices //

Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences. — 2015. — 6. — Vol. 373.

53. Strong coupling and hybridization of Frenkel and Wannier-Mott excitons in an organic-inorganic optical microcavity / R. J. Holmes, S. Kena-Cohen, V. M. Menon, S. R. Forrest // Physical Review B. — 2006. — 12. — Vol. 74.

54. Strong exciton-photon coupling in an organic semiconductor microcavity / D. G. Lidzey, D. D.C. Bradley, M. S. Skolnick et al. // Nature. — 1998. — Vol. 395, no. 6697. — Pp. 53-55.

55. Sanvitto Daniele, Kena-Cohen Stephane. The road towards polaritonic devices // Nature Materials. — 2016. — 10. — Vol. 15.

56. Purcell E. M., Torrey H. C., Pound R. V. Resonance absorption by nuclear magnetic moments in a solid // Physical Review. — 1946. — Vol. 69, no. 1-2. — Pp. 37-38.

57. Noda Susumu, Fujita Masayuki, Asano Takashi. Spontaneous-emission control by photonic crystals and nanocavities // Nature Photonics. — 2007. — 8. — Vol. 1.

58. Vahala Kerry J.Optical microcavities // Nature. — 2003. — 8. — Vol. 424.

59. Observation of the coupled exciton-photon mode splitting in a semiconductor quantum microcavity / C. Weisbuch, M. Nishioka, A. Ishikawa, Y. Arakawa // Physical Review Letters. — 1992. - Vol. 69, no. 23. - Pp. 3314-3317.

60. Microwave photonics with superconducting quantum circuits / Xiu Gu, Anton Frisk Kockum, Adam Miranowicz et al. // Physics Reports. — 2017. — 11.

- Vol. 718-719.

61. Superconducting qubit-oscillator circuit beyond the ultrastrong-coupling regime / Fumiki Yoshihara, Tomoko Fuse, Sahel Ashhab et al. // Nature Physics.

— 2017. — 1. — Vol. 13.

62. Menon Vinod M., Deych Lev I., Lisyansky Alexander A. Towards polaritonic logic circuits // Nature Photonics. — 2010. — 6. — Vol. 4.

63. Ballarini Dario, Liberato Simone De. Polaritonics: from microcavities to sub-wavelength confinement // Nanophotonics. — 2019. — 2. — Vol. 8.

64. Baldo M. A., Holmes R. J., Forrest S. R. Prospects for electrically pumped organic lasers // Physical Review B. — 2002. — 7. — Vol. 66.

65. Polariton chemistry: controlling molecular dynamics with optical cavities / Raphael F. Ribeiro, Luis A. Martinez-Martinez, Matthew Du et al. // Chemical Science. — 2018. — Vol. 9, no. 30. — Pp. 6325-6339.

66. Exploring Light-Matter Interaction Phenomena under Ultrastrong Coupling Regime / Salvatore Gambino, Marco Mazzeo, Armando Genco et al. // ACS Photonics. — 2014. — 10. — Vol. 1.

67. Ultrastrong coupling between light and matter / Anton Frisk Kockum, Adam Mi-ranowicz, Simone De Liberato et al. // Nature Reviews Physics. — 2019. — 1. — Vol. 1.

68. Ultrastrong coupling regimes of light-matter interaction / P. Forn-Diaz, L. Lama-ta, E. Rico et al. // Reviews of Modern Physics. — 2019. — 6. — Vol. 91.

69. Gubbin Christopher R., Maier Stefan A., Kéna-Cohen Stéphane. Low-voltage polariton electroluminescence from an ultrastrongly coupled organic light-emitting diode // Applied Physics Letters. - 2014. - Vol. 104, no. 23. - P. 233302.

70. Ultrafast quantum computation in ultrastrongly coupled circuit QED systems / Yimin Wang, Chu Guo, Guo-Qiang Zhang et al. // Scientific Reports. — 2017.

- 5. - Vol. 7.

71. Confined Tamm Plasmon Lasers / C. Symonds, G. Lheureux, J. P. Hugonin et al. // Nano Letters. - 2013. - 7. - Vol. 13.

72. Room-Temperature Lasing in a Low-Loss Tamm Plasmon Cavity / Vincent Toa-nen, Clementine Symonds, Jean-Michel Benoit et al. // ACS Photonics. - 2020.

- 11. - Vol. 7.

73. Phase-locked coherent modes in a patterned metal-organic microcavity / R. Brückner, A. A. Zakhidov, R. Scholz et al. // Nature Photonics. - 2012.

- 5. - Vol. 6.

74. Tamm plasmon sub-wavelength structuration for loss reduction and resonance tuning / A. R. Gubaydullin, C. Symonds, J. M. Benoit et al. // Applied Physics Letters. - 2017. - Vol. 111. - P. 261103.

75. Tamm plasmon photonic crystals: From bandgap engineering to defect cavity / Lydie Ferrier, Hai Son Nguyen, Cecile Jamois et al. // APL Photonics. - 2019.

- 10. - Vol. 4.

76. Generation and Spatial Control of Hybrid Tamm Plasmon/Surface Plasmon Modes / Stefano Azzini, Guillaume Lheureux, Clementine Symonds et al. // ACS Photonics. - 2016. - 10. - Vol. 3.

77. Observation of hybrid state of Tamm and surface plasmon-polaritons in one-dimensional photonic crystals / B. I. Afinogenov, V. O. Bessonov, A. A. Nikulin, A. A. Fedyanin // Applied Physics Letters. - 2013. - 8. - Vol. 103.

78. Single photon source using confined Tamm plasmon modes / O. Gazzano, S. Michaelis De Vasconcellos, K. Gauthron et al. // Applied Physics Letters.

— 2012. — Vol. 100. — P. 232111.

79. Novel sensing concept based on optical Tamm plasmon / Wei Li Zhang, Fen Wang, Yun Jiang Rao, Yao Jiang // Optics Express. — 2014. — 6. — Vol. 22.

80. Huang Syuan-Guei, Chen Kuo-Ping, Jeng Shie-Chang. Phase sensitive sensor on Tamm plasmon devices // Optical Materials Express. — 2017. — 4. — Vol. 7.

81. Hot-electron photodetector with wavelength selectivity in near-infrared via Tamm plasmon / Zhiyu Wang, J. Kenji Clark, Ya-Lun Ho, Jean-Jacques De-launay// Nanoscale. — 2019. — Vol. 11.

82. Ultraviolet Nanoplasmonics: A Demonstration of Surface-Enhanced Raman Spectroscopy, Fluorescence, and Photodegradation Using Gallium Nanoparti-cles / Yang Yang, John M. Callahan, Tong-Ho Kim et al. // Nano Letters. — 2013. — 6. — Vol. 13.

83. The UV Plasmonic Behavior of Distorted Rhodium Nanocubes / Yael Gutierrez, Dolores Ortiz, Jose Saiz et al. // Nanomaterials. — 2017. — 12. — Vol. 7.

84. Plasmonics in the Ultraviolet with Aluminum, Gallium, Magnesium and Rhodium / Yael Gutierrez, Dolores Ortiz, Jose Saiz et al. // Applied Sciences. — 2018.

— 1. — Vol. 8.

85. Barnes William L., Dereux Alain, Ebbesen Thomas W. Surface plasmon sub-wavelength optics // Nature. — 2003. — 8. — Vol. 424.

86. Photoluminescence control by hyperbolic metamaterials and metasurfaces: a review / Leonid Yu. Beliaev, Osamu Takayama, Pavel N. Melentiev, Andrei V. Lavrinenko // Opto-Electronic Advances. — 2021. — Vol. 4.

87. Engineering photonic density of states using metamaterials / Z. Jacob, J.-Y. Kim, G. V. Naik et al. // Applied Physics B. — 2010. — 7. — Vol. 100.

88. Vinogradov A.P., Dorofeenko A.V., Nechepurenko I.A. Analysis of plasmonic Bloch waves and band structures of 1D plasmonic photonic crystals // Metamaterials. - 2010. - 12. - Vol. 4.

89. Dependence of Purcell effect on fluorescence wavelength in dye molecules on metal-dielectric multilayer hyperbolic metamaterials / Noriaki Tsurumachi, Hay-ato Izawa, Ryo Tomioka et al. // Japanese Journal of Applied Physics. — 2016.

- 2. - Vol. 55.

90. Topological Transitions in Metamaterials / Harish N. S. Krishnamoorthy, Zubin Jacob, Evgenii Narimanov et al. // Science. - 2012. - 4. - Vol. 336.

91. Control of spontaneous emission in a volume of functionalized hyperbolic metamaterial / T. Tumkur, G. Zhu, P. Black et al. // Applied Physics Letters. - 2011.

- 10. - Vol. 99.

92. Krishna K. H., Sreekanth K. V., Strangi G. Dye-embedded and nanopatterned hyperbolic metamaterials for spontaneous emission rate enhancement // Journal of the Optical Society of America B. - 2016. - 6. - Vol. 33.

93. A review on fabrication process of organic light emitting diodes / Arnob Islam, Mamun Rabbani, Mehedy Hasan Bappy et al. // 2013 International Conference on Informatics, Electronics and Vision (ICIEV). -2013.-5.

94. Strong coupling and energy funnelling in an electrically conductive organic blend / Matthew S. Rahme, Randy P. Sabatini, Sarah K. M. McGregor et al. // Journal of Materials Chemistry C. - 2020. - Vol. 8.

95. de Sa Pereira Daniel, Monkman Andrew P., Data Przemyslaw. Production and Characterization of Vacuum Deposited Organic Light Emitting Diodes // Journal of Visualized Experiments. - 2018. - 11.

96. Strong light-matter coupling for reduced photon energy losses in organic pho-tovoltaics / Vasileios C. Nikolis, Andreas Mischok, Bernhard Siegmund et al. // Nature Communications. - 2019. - 12. - Vol. 10.

97. Kuehne Alexander J. C., Gather Malte C. Organic Lasers: Recent Developments on Materials, Device Geometries, and Fabrication Techniques // Chemical Reviews. — 2016. — 11. — Vol. 116.

98. Self-consistent optical constants of SiO_2 and Ta_2O_5 films / Luis V. Rodriguez-de Marcos, Juan I. Larruquert, Jose A. Mendez, Jose A. Aznarez // Optical Materials Express. — 2016. — Vol. 6, no. 11. — P. 3622.

99. Tamm plasmon-polaritons: Possible electromagnetic states at the interface of a metal and a dielectric Bragg mirror / M. Kaliteevski, I. Iorsh, S. Brand et al. // Physical Review B - Condensed Matter and Materials Physics. — 2007. — Vol. 76, no. 16. — P. 165415.

100. A CBP derivative as bipolar host for performance enhancement in phosphorescent organic light-emitting diodes / Ting Zhang, Yunjing Liang, Jinling Cheng, Jiuyan Li // J. Mater. Chem. C. — 2013. — Vol. 1.

101. Management of singlet and triplet excitons for efficient white organic light-emitting devices / Yiru Sun, Noel C. Giebink, Hiroshi Kanno et al. // Nature. — 2006. — 4. — Vol. 440.

102. Controlling the optical parameters of self-assembled silver films with wetting layers and annealing / Arkadiusz Ciesielski, Lukasz Skowronski, Marek Trzcin-ski, Tomasz Szoplik // Applied Surface Science. — 2017. — Vol. 421. — Pp. 349-356.

103. Babar Shaista, Weaver J. H. Optical constants of Cu, Ag, and Au revisited // Applied Optics. — 2015. — Vol. 54, no. 3. — P. 477.

104. Quantization of electromagnetic field in an inhomogeneous medium based on scattering matrix formalism (S-quantization) / M. A. Kaliteevski, V. A. Mazlin, K. A. Ivanov, A. R. Gubaydullin // Optics and Spectroscopy. — 2015. — 11. — Vol. 119.

105. Cavity-polariton dispersion and polarization splitting in single and coupled semiconductor microcavities / G. Panzarini, L. C. Andreani, A. Armitage et al. // Physics of the Solid State. — 1999. - 8. - Vol. 41.

106. Lodden Grant H., Holmes Russell /.Polarization splitting in polariton electroluminescence from an organic semiconductor microcavity with metallic reflectors // Applied Physics Letters. — 2011. — 6. — Vol. 98.

107. Parabolic polarization splitting of Tamm states in a metal-organic microcavity / R. Brückner, M. Sudzius, S. I. Hintschich et al. // Applied Physics Letters. — 2012. —2. — Vol. 100.

108. Kena-Cohen Stephane, Maier Stefan A., Bradley Donal D. C. Ultrastrongly Coupled Exciton-Polaritons in Metal-Clad Organic Semiconductor Microcavities // Advanced Optical Materials. — 2013. — 11. — Vol. 1.

109. Kavokin A.V., Kaliteevski M.A. Excitionic light reflection and absorption in semiconductor microcavities at oblique incidence // Solid State Communications. — 1995. — 9. — Vol. 95.

110. Optimizing the Charge Balance of Fluorescent Organic Light-Emitting Devices to Achieve High External Quantum Efficiency Beyond the Conventional Upper Limit / Yong-Jin Pu, Go Nakata, Fumiya Satoh et al. // Advanced Materials. — 2012. —4. — Vol. 24.

111. Extremely efficient flexible organic light-emitting diodes with modified graphene anode / Tae-Hee Han, Youngbin Lee, Mi-Ri Choi et al. // Nature Photonics. — 2012. — 2. — Vol. 6.

112. Mandel S. Even-Dar, Lifshitz R. Electronic energy spectra of square and cubic Fibonacci quasicrystals // Philosophical Magazine. — 2008. — 5. — Vol. 88.

113. Bandgap structure of optical Fibonacci lattices after light diffraction / M. A. Kaliteevski, V. V. Nikolaev, R. A. Abram, S. Brand // Optics and Spectroscopy. — 2001. — 7. — Vol. 91.

114. Highly Efficient Colored Perovskite Solar Cells Integrated with Ultrathin Sub-wavelength Plasmonic Nanoresonators / Kyu-Tae Lee, Ji-Yun Jang, Jing Zhang et al. // Scientific Reports. — 2017. — 12. — Vol. 7.

115. Color generation via subwavelength plasmonic nanostructures / Yinghong Gu, Lei Zhang, Joel K. W. Yang et al. // Nanoscale. — 2015. — Vol. 7.

116. Complex Photonic Structures for Light Harvesting / Matteo Burresi, Filip-po Pratesi, Francesco Riboli, Diederik Sybolt Wiersma // Advanced Optical Materials. — 2015. — 6. — Vol. 3.

117. Properties of two-dimensional photonic crystals with octagonal quasicrystalline unit cells / D. T. Roper, D. M. Beggs, M. A. Kaliteevski et al. // Journal of Modern Optics. — 2006. — 2. — Vol. 53.

118. Johnson P. B., Christy R. W. Optical constants of the noble metals // Physical Review B. — 1972. — Vol. 6. — Pp. 4370-4379.

156

Список таблиц

1 Параметры экситонов в неорганических и органических полупроводниковых материалах [10]: энергия экситона при комнатной температуре (Тъшехс), энергия связи (Ев), энергия расщепления Раби (Шда^)..........................60

2 Параметры МДР с материалом БРЛУЫ..................100

3 Конфигурация первых 7 порядков решеток Фибоначчи..........107

157

Приложение A

Метод матриц переноса

Матрица переноса связывает продольные компоненты электрического и магнитного поля при одном значении координаты г (^0) с компонентами при другом значении г (г{).

Е, (г = г°Л = й Еу (г = г1 Л (АЛ)

Нх(г = 20 У \Нх(х = г!))

Удобство матрицы переноса заключается в том, что для структуры, состоящей из однородных слоёв и квантовых ям, полная матрица переноса является произведением матриц переноса через последовательные слои. Зная полную матрицу переноса, можно вычислить коэффициент отражения от структуры:

= (Мц + М12Р1>0 - (М21 + М22Р1) Г (Мц + М12Р1)Р0 + (М21 + М22Р1) (-)

и коэффициент пропускания:

г =_2И__(А3)

(Мц + М12Р1)Р0 + (М21 + М22Р1) ^ ' J

Величины р0 и р1 характеризуют полубесконечные среды, ограничивающие структуру слева и справа и определяются выражениями:

кх = \ / п0 1^0 — '

V 0,1 0 х (А.4)

Р = кг/ко

158

Приложение B

Метод S-квантования

В данном приложении получены основные выражения метода 8-квантования. Как показано на рисунке В.1, будет рассмотрена одномерная структура, внутри ящика квантования со стороной Ь, слои которой ориентированы по нормали к оси ^. Для такой произвольной одномерной структуры, моду электромагнитного

Рисунок В.1 — Схематическое изображение произвольной планарной структуры

в ящике квантования.

поля можно записать как:

Екх,кч (г) = Е(х) ехр (гкхх) ехр (гкуу)

(В.1)

Компоненты волнового вектора кх, ку связаны со значением волнового вектора в свободном пространстве ящика квантования к = — как:

7 Ш Г\

кх = — sin 0 cos ф,

СШ (B.2)

ку = — sin 0 sin ф

TE-поляризованная волна имеет компоненту электрического поля перпендикулярную плоскости падения на границу раздела сред (в рассматриваемой геометрии компоненту Еу), а TM-поляризованная - компоненту магнитного поля перпендикулярную плоскости падения (соответственно, электрическое поле будет иметь компоненты Ех, Ez). В отличие от метода матриц переноса, который был описан ранее, матрица рассеяния связывает амплитуды падающих на структуру (Е +(0), Е-(LZ)) и рассеяных (Е-(0), Е + (LZ)) от нее плоских волн как:

(Чл(LЛ = á ( Е+(0) ) , (B.3)

V (°) / Vе-(L у

где S - матрица рассеяния структуры, которая может быть выражена через амплитудные коэффициенты пропускания t и отражения г1, г2, нарисованные на рисунке B.1:

С ?) ■

S = | * 2t\ . (B.4)

Если написать выражение (В.3) для ящика квантования в целом, нужно учесть, что когда волна будет проходить через части с однородной средой (свободном от структуры пространстве) в ящике квантования, она наберет фазу Л1;2 = ехр (гкгЬ1;2) или Л*,2 = ехр (—гк^Ь1;2) в зависимости от положения структуры в ящике (параметров Ь1, Ь2) и направления распространения волны. С учетом набега фазы, амплитуды падающего и убегающего поля на границах ящика квантования запишем:

'Л2^Л(Ь)\ = /* /Ль

Л\Е-х^у (0)/ г ) \Л2^ (Ь)

Раскрыв матричное соотношение (В.5), домножив с обеих сторон каждое получившееся уравнение на соответствующую фазу Л1 или Л2 и обратившись обратно

A2EU(LЛ = (t í \iE + (0) \ (B5)

(0)/ Vi tJ V2E-(L)J

к матричному представлению, получим выражение, связывающее амплитуды волн, на границах ящика квантования:

(Кл,^Л = ЛЬ \ ( Е+(0) \ (В6)

(0)У \ЛЬ л^у V

У новой матрицы рассеяния через ящик квантования 5, собственные числа можно определить по известному соотношению:

ае1 - ЛЁ^ =

МЫ - в(1'2) А2г2

Л2П мм - в(1'2)

= 0. (В.7)

Пропустив несложные алгебраические выкладки, получим пары собственных чисел матрицы

в(1,2) = Л1Л2 {г ± , (В.8)

а также собственных векторов

в (1,2) =

1 ± Л1^ Р

Л2\ Г2

(В.9)

Условие, которое позволит получить спектр собственных частот для непоглоща-ющей структуры в ящике квантования, это приравнивание собственных чисел матрицы рассеяния единице (приравнивание амплитуд полей падающих на и рассеявшихся от структуры).

|3(1'2) = 1. (В.10)

После чего, зная спектр собственных частот, возможно определить соответствующие им собственные векторы (В.9), которые являются ничем иным как комплексные амплитуды полей, позволяющие рассчитать поля собственных мод, используя метод матриц переноса. В данном рассмотрении каждая собственная мода будет суперпозицией волн бегущих Мода соответствующая собственному вектору В(1) будем называть симметричной, а вектору В(2) антисимметричной, с соответствующими профилями электрического поля £(1), е(2). Каждая собственная мода, рассматривается как элементарный квантовый осциллятор, подчиняющаяся условию нормировки !у п2Е2<Л3г = ^.

Легко показать, как условие (B.10) дает аналогичный ответ для однородной среды, т.е. отсутствия неоднородности в ящике квантования. Для такого случая амплитудные коэффициента отражения и пропускания будут принимать значения v12 = 0 и t = 1. Тогда условие (B.10) обретает вид AiA2 = 1 = exp (2гkzL) - результат, который аналогичен постановке периодических граничных условий. на ящике квантования.

Для простоты дальнейшего анализа рассмотрим частный случай структуры, обладающей центром симметрии: Ai = Л2, г1 = г2 = г. В этом случае, условие равенства собственных чисел матрицы рассеяния будет выглядеть

в(1'2) = Л2 (t ± r) = exp (гkzLi:2 + ф) = 1, (B.11)

где постулируется |£±г| = 1, а ф - есть некторая фаза, которую приобретает волна при прохождении симметричной структуры. При устремлении к бесконечности объема ящика квантования, в аргументе экспоненты выражения (B.11) слагаемое, содержащее ikzL1j2 будет расти значительно быстрее фазы ф, а значит им можно асимптотически пренебречь. Тогда плотность фотонных состояний будет аналогичной случаю однородной среды в ^-пространстве р^ = рпр, или плотности мод в единице энергии р^ = .

В итоге, мы имеем все величины, для расчета темпа спонтанной эмиссии

^ «-< П rn2V

в однородной среде: плотность состояний р^ = , распределение элек-

трического поля собственных мод е(1'2) (для расчета дипольного матричного элемента), а также в произвольной слоистой среде: плотность состояний будет аналогична случаю однородной среды, распределение электрического поля собственных мод е(1'2), используя золотое правило Ферми. Все величины полученны в рамках единого формализма S-квантования. Определим, фактор Парселла для определенной моды и направления излучения, как отношение скоростей спонтанной эмиссии эмиттера при наличии неоднородности (Wi^.fjinh) к однородному случаю (Wi^f) :

WUf,;„„ =Fq = a|(/| e^ ■ г = |(/| ё(1'2) ■ r Ю|2 (B 12)

W^f 9 a 1 (/| e(1,2) ■ г li)\24nf \(/| e(1,2) ■ г |i)\2 '

Теперь обратимся к вычислению матричных элементов в выражении (B.12). Как было сказано ранее, свет имеет две независимые (TE, TM) поляризации. Для

TE-поляризованной волны, имеющей компоненту электрического поля только

вдоль оси , можно ввести константу

Y(i'2) =

х(1,2)

-¡¡12Т, тогда скалярное произведение

в числителе выражения (B.12) будет выглядеть

e(1,2) ,r = ~(1,2) =Y(1'2)е(1'2)г

с 1 = су 1 У = 1 су 'У •

(B.13)

В свою очередь, для TM-поляризованной волны введем константы X(1'2) = -

(1,2)

и Я^ = Цщ и в этом случае скалярное произведение можно преобразовать как

Р(1,2)

£(1

С(1'2) • r = ei1'2) • гж + ei1'2) • = X(1'2)e<b1'2)гж + Z• (B.14)

В рассматриваемой геометрии, введем полярный 0¿ и азимутальный ф^ углы, описывающие положение диполя относительно координатных осей. Тогда компоненты вектора r, которые описывают ориентацию диполя, можно переписать в сферической системе координат, как: rx = г sin 0^ cos ф^ cos 0, ry = г sin 0¿ sin ф^, rz = r cos 0¿ sin 0. Подставив последние соотношения в выражения для скалярного произведения (B.13, B.14), а затем и в формулу для фактора Парселла (B.12), получим для TE-поляризации:

гТЕ = =

2

</| Y(1'2)41,2) • ry [i) (/| Y(1'2)41,2) • rsin 0,sin ф, |г>

Y(i,2)

( /I •rli>

22 sin 0d sin фа

( /I •rli>

( /141,2) • t к >

(B.15)

( /141,2) • г к >

E |y w

i=1,2

22 sin 0d sin фа •

По аналогии, для TM-поляризации:

г тм = =

2

( /IX(1'2)eÜ'2) • ГЖ К> (/|Z(1'2)£Í1,2) • ^ К>

(/I eí1,2) •rli >

+

(/| X (1'2)£ж'2) • rsin 0¿ cos ф^ cos 0 |г>

( /I eí1,2) •rli>

+

( /I 41,2) •rIi>

( fIZ (1'2)¿1,2) • t cos 0d sin 0 I¿>

J21 X(i) sin2 0d cos2 фа cos2 0 + ^ |z(í)

( /I 41,2) • r Ii>

O O

cos 0яsin 0.

(B.16)

У

x

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

В частном случае, для ТЕ-поляризованной волны, при ориентации диполя вдоль оси Оу:

рТЕ = £|у „

г=1,2

= у.

(В.17)

Для ТМ-поляризованной волны и диполя ориентированного вдоль оси Ох:

вдоль оси О :

= ^ \х«

=1,2

сое2 0 = X сое2 0,

(В.18)

Ре™ = Е (°

=1,2

вт2 0 = £вт2 0.

| у(г)\2 V = у^

■ =1,2 у , ^ =

=1,2

(В.19)

| X«|2 и ^ =

Выражения (В.15, В.16), через У = Хл Хл=1 2 | %(г) | для каждой (г = 1 - симметричной и г = 2 - антисимметричной) моды определяют величину фактора Парселла для определенного направления, для структуры с произвольным профилем диэлектрической проницаемости. Фактор Парселла в его классическом понимании (отношение скорости спонтанной эмиссии во всех направлениях для эмиттера в полости к скорости эмиссии в случае однородного пространства) может быть получен путем усреднения по всем углам излучения, поляризациям и, если потребуется, ориентациям диполя.

2

2

2

164

Тексты публикаций

Экспериментальное исследование усиления спонтанной эмиссии в микрорезонаторах на основе таммовских плазмонов с органической активной областью

© К.М. Морозов12, К.А. Иванов2'^, N. Selenin3, S. Mikhrin3,

D. deSaPereira4, C. Menelaou4, A.P. Monkman4, М.А. Калитеевский125

1 Санкт-Петербургский Академический университет, 194021 Санкт-Петербург, Россия

2 Университет ИТМО,

197101 Санкт-Петербург, Россия

3 Innolume GmbH, D-44263 Dortmund, Germany

4 Physics Department, Durham University, Durham DH1 3LE, United Kingdom

5 Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия

4 E-mail: [e-mail], [e-mail] (Получена 25 апреля 2018 г. Принята к печати 7 мая 2018 г.)

Проведено теоретическое и экспериментальное исследование усиления спонтанной эмиссии излучения в микрорезонаторе на основе таммовского плазмона с активной областью из органического материала 4.4'-Bis(W-carbazolyl)-1.1'-biphenyl (CBP). Микрорезонатор состоял из брэгговского отражателя из оксида кремния и оксида тантала, поверх которого были нанесены слои СВР и серебра. Были рассчитаны зависимости модального фактора Парселла от направления излучения и частоты, а также спектр фактора Парселла. Были измерены спектры излучения и затухания флуоресценции во времени в ультрафиолетовом диапазоне. Установлено, что на частотах, соответствующих собственным модам таммовского плазмона, вероятность спонтанной эмиссии увеличивается, максимальное значение фактора Парселла достигает трех.

DOI: 10.21883/FTP.2018.11.46589.11

1. Введение

Таммовские плазмоны (ТП) — состояние электромагнитного поля, локализованного на границе металла и брэгговского отражателя, недавно были предсказаны теоретически [1,2] и экспериментально продемонстрированы [3,4]. В структурах на основе таммовских плазмонов были продемонстрированы макроскопическая оптическая когерентность [5], лазерная генерация [6] и излучение одиночных фотонов [7]. Недавно также была продемонстрирована возможность увеличения скорости спонтанной эмиссии при взаимодействии излучателя с таммовским плазмоном [8], несмотря на поглощение света в металле [9,10]. Цель данной работы — исследование влияния таммовских плазмонов на скорость эмиссии излучения органическими материалами (4.4'-Bis(V-carbazolyl)-1Л'-Ыphenyl (CBP)), излучающими в ультрафиолетовом диапазоне [11].

2. Изготовление образца и методика измерений

На подложке кристаллического SiO2 методом маг-нетронного распыления был выращен четвертьволновый брэгговский отражатель в системе материалов Ta2O5/SЮ2 (5 пар слоев, толщина слоя Ta2O5 составляет

43.2 нм, толщина слоя SiO2 — 66.4 нм) с центром фотонной запрещенной зоны на энергии 3.17 эВ.

Для дальнейшего создания микрорезонаторной структуры использовалась установка Kurt. J. Lesker Spectres, которая позволяет термически осаждать органические и неорганические материалы в виде тонких слоев при вакууме в 10-5 мбар. Осаждение 26 нм слоя CBP на готовую структуру Ta2O5/SiO2 распределенного брэг-говского отражателя происходило со скоростью около 0.1нм/с. Осаждение 50 нм серебра было осуществлено со скоростью около 0.05 нм/с. Схема полученной структуры и ее фотография на электронном микроскопе продемонстрированы на рис. 1. Также был осажден слой материала CBP толщиной 26 нм на сапфировой подложке для сравнения с результатами, полученными при исследовании флуоресценции СBP, помещенного в микрорезонатор на основе таммовского плазмона.

Спектр флуоресценции слоя CBP при комнатной температуре (рис. 2) был получен с помощью спектрометра Jobin-Yvon Horiba Fluorolog FL3-22. Динамика затухания возбужденных состояний в изготовленной структуре измерялась с помощью метода, использующего счет одиночных фотонов с корреляцией по времени (Time Correlated Single Photon Counting, далее TCSPC). Данный метод основан на возбуждении исследуемой структуры импульсным лазером с дальнейшей регистрацией единичных фотонов флуоресцентного излучения и построе-

Silver

CBP

Si02

TaQ5

Si02

TaQ5

Si02

TaQ5

Si02

TaQ5

Si02

TaQ5

Si02 substrate

Рис. 1. а — схема исследуемой таммовской структуры на основе распределенного брэгговского отражателя. Ь — изображение скола исследуемой структуры, полученное с помощью электронного микроскопа.

1.0

V/ Vn

0

2.6

3.0 3.2 Energy, eV

Рис. 2. Молекулярная структура (а) и спектр флуоресценции (Ь) материала CBP (4.4'-Bis(W-carbazolyl)-1Л'-Ыphenyl), выполняющего роль активной области в таммовской структуре.

а

а

ния гистограммы плотности распределения фотонов во временной области [12].

В процессе измерения образец находился в вакууме при комнатной температуре. Возбуждение осуществлялось на длине волны 262 нм — удвоенная частота лазера длины волны 525 нм (область поглощения материала CBP) через слой серебра исследуемой микрорезонатор-ной структуры под углом в 45°. Регистрация флуоресценции от образца также осуществлялась под углом в 45°. Была проведена серия измерений на различных энергиях: 3.44, 3.35, 3.3 эВ, в области эмиссии CBP.

3. Результаты и обсуждение

Дизайн таммовской микрорезонаторной структуры был рассчитан таким образом, чтобы обеспечить соответствие частоты собственной моды таммовского плаз-мона для нормального распространения света максимуму спектра флуоресценции CBP (3.3 эВ). При таком выборе параметров структуры максимум спектра коэффициента Парселла располагается на частоте 3.35 эВ, на краю полосы спектра флуоресценции (рис. 3,а). Спектр коэффициента Парселла был рассчитан методом

Energy, eV Angle, deg

Рис. 3. a — интегральный фактор Парселла, рассчитанный теоретически методом ^-квантования (сплошная линия) для микрорезонатора на основе таммовского плазмона. Круги и треугольники показывают отношение обратных времен радиационного затухания для микрорезонатора на основе таммовского плазмона и CBP. b — распределение модового фактора Парселла в зависимости от энергии и угла излучения.

Рис. 4. Результаты временно-разрешающих экспериментальных измерений на основе методики ТСБРС. а — профиль затухания интенсивности флуоресценции от 26 нм слоя СВР на частоте 3.35 эВ. Профиль затухания интенсивности люминесценции микрорезонаторной таммовской структуры с СВР, соответствующими энергиям 3.44 (Ь), 3.35 (с), 3.3 эВ (д). Для сравнения показаны области зависимости затухания люминесценции для одиночного слоя СВР. Прямые линии — результат аппроксимации экспоненциального затухания люминесценции в областях „быстрого" и „медленного" затухания.

^-квантования [13]. На рис. 3, Ь показана зависимость модального фактора Парселла (отношения плотности вероятности спонтанной эмиссии для излучателя в структуре и в свободном пространстве) [8,13]. Результаты измерений ТСВРС в логарифмическом масштабе представлены на рис. 4. На рис. 4, а показана динамика затухания люминесценции слоя СВР на подложке А12О3 на частоте 3.35 эВ. Можно выделить две области: область „быстрого" затухания и область „медленного" затухания — данная зависимость является суммой двух затухающих экспонент. Время и быстрого, и медленного затухания примерно сохраняют свое значение во всей полосе люминесценции СВР.

На рис. 4, Ь—ё представлены результаты, полученные при измерении люминесценции микрорезонатора, показанного на рис. 1, на частотах 3.44, 3.35 и 3, 3.3 эВ соответственно. Для сравнения показаны временные зависимости затухания фотолюминесценции СВР без резонатора. Видно, что по сравнению со случаем люминесценции органического эмиттера в свободное пространство интенсивность люминесценции затухает быстрее — время излучательной рекомбинации уменьшается, что является экспериментальным подтверждением существования эффекта Парселла в исследуемой таммовской структуре с органической активной областью. Можно заметить, что характер затухания также определяется двумя областями. Таким образом, экспериментально измеренный фактор Парселла — отношение обратных времен жизни возбужденных состояний — определяется также двумя областями.

На рис. 3, а приведено сопоставление экспериментальных результатов (отношения обратных времен радиационного затухания в области быстрого затухания — кружки и в области медленного затухания — треугольники) с теоретически рассчитанным интегральным фактором Парселла (черная сплошная линия) — усредненным по всем углам эмиссии.

Для наглядности на рис. 3, а также представлен спектр флуоресценции органического активного слоя (пунктирная линия) .

В пределах погрешности эксперимента наблюдается четкая корреляция теоретической зависимости с экспериментом. Интересно отметить, что значения экспериментально определенных коэффициентов Парселла для быстрого и медленного участков затухания близки друг к другу и к теоретически рассчитанному значению коэффиента Парселла, что подтверждает радиационный характер релаксации носителей и на медленном", и на быстром" участках, а также то обстоятельство, что уменьшение времени жизни обусловлено эффектом Парссела. Необходимо также отметить, что экспериментально наблюдаемое уменьшение времени жизни несколько больше, чем теоретически рассчитанное. Данное обстоятельство, вероятно, обусловлено некоторым увеличением безызлучательной рекомбинации вблизи границ СВР—серебро. Кроме этого, для СВР, помещенного в таммовскую структуру, изменяется спектр,

спектры издучения, измеренные под разными углами, корелируют с модальным коэффициентом Парселла, показанным на рис. 3, b.

4. Заключение

Проведено исследование изменения скорости спонтанной эмиссии излучения в ультрафиолетовой области спектра 4.4-Bis(N-carbazolyl)-1.1'-biphenyl (CBP) при связи с таммовским плазмоном. Рассчитана зависимость модального и интегрального коэффициентов Парселла. Изготовлен микрорезонатор на основе брэгговского зеркала из оксида кремния и оксида тантала, серебряного металлического зеркала, и активной области из СВР. Теоретически показано и экспериментально установлено, что в рассмотренной структуре модальный фактор Парселла достигает значения десяти, а интегральный фактор Парселла — трех.

Авторы выражают благодарность Российскому научному фонду (проект № 16-12-10503) и Министерству образования и науки России (государственное задание № 16.9789.2017/БЧ).

Список литературы

[1] A.P. Vinogradov, A.V. Dorofeenko, S.G. Erokhin, M. Inoue,

A.A. Lisyansky, A.M. Merzlikin, A.B. Granovsky Phys. Rev.

B, 74 (4), 045128 (2006).

[2] M.A. Kaliteevski, I. Iorsh, S. Brand, R.A. Abram, J.M. Chamberlain, A.V. Kavokin, I.A. Shelykh. Phys. Rev. B, 76, 165415

(2007).

[3] T. Goto, A.V. Dorofeenko, A.M. Merzlikin, A.V. Baryshev, A.P. Vinogradov, M. Inoue, A.A. Lisyansky, A.B. Granovsky. Phys. Rev. Lett., 101, 113902 (2008).

[4] M.E. Sasin, R.P. Seisyan, M.A. Kalitteevski, S. Brand, R.A. Abram, J.M. Chamberlain, A.Yu. Egorov, A.P. Vasil'ev, V.S. Mikhrin, A.V. Kavokin. Appl. Phys. Lett., 92 (25), 251112

(2008).

[5] R. Bruckner, A.A. Zakhidov, R. Scholz, M. Sudzius, S.I. Hint-schich, H. Frob, V.G. Lyssenko, K. Leo. Nature Photonics, 6 (5), 322 (2012).

[6] C. Symonds, G. Lheureux, J.P. Hugonin, J.J. Greffet, J. Laver-dant, G. Brucoli, A. Lemaitre, P. Senellart, J. Bellessa. Nano Lett., 13 (7), 3179 (2013).

[7] O. Gazzano, S. Michaelis de Vasconcellos, K. Gauthron, A. Lemaitre, P. Senellart. Appl. Phys. Lett., 100, 232111 (2012).

[8] A.R. Gubaydullin, C. Symonds, J. Bellessa, K.A. Ivanov, E.D. Kolykhalova, M.E. Sasin, A. Lemaitre, P. Senellart, G. Pozina, M.A. Kaliteevski. Sci. Rep., 7, 9014 (2017).

[9] J.B. Khurgin. Nature Nanotechnology, 10 (1), 2 (2015).

[10] S. Brand, R.A. Abram, M.A. Kaliteevski. Phys. Rev. B, 75 (3), 035102 (2007).

[11] R.S. Nobuyasu, Z.J. Ren, G.C. Griffiths, A.S. Batsanov, P. Data, S.K. Yan, A.P. Monkman, M.R. Bryce, F.B. Dias. Adv. Optical Mater., 4 (4), 597 (2016).

[12] L.M. Bollinger, G.E. Thomas. Rev. Sci. Instrum., 32, 1044 (1961).

[13] М.А. Калитеевский, А.Р. Губайдуллин, К.А. Иванов, В.А. Мазлин. Опт. и спектр., 121 (3), 446 (2016).

Редактор Г.А. Оганесян

Experimental investigation of spontaneous emission amplification in Tamm plasmon structures with organic active area

K.M. Morozov1'2, K.A. Ivanov2, N. Selenin3, S. Mikhrin3, D. de Sa Pereira4, C. Menelaou4, A.P. Monkman4, M.A. Kaliteevski1'2'5

1 St.Petersburg Academic University, 194021 St.Petersburg, Russia 2ITMO Univesity, 197101 St.Petersburg, Russia

3 Innolume GmbH, D-44263 Dortmund, Germany

4 Physics Department, Durham University, South Road, Durham, DH1 3LE, United Kingdom

5 Ioffe Institute,

194021 St.Petersburg, Russia

Abstract We have experimentally studied phenomenon of amplification of spontaneous emission rate in Tamm plasmon based microcavity structure with organic material 4.4'-Bis(W-carbazolyl)-1.1'-biphenyl (CBP) as active layer. Investigated Tamm structure was based on 5 pairs Ta2O5/SiO2 Bragg reflector with thermally evaporated layers of CBP and silver on top of it. Dependencies of modal Purcell factor on emission direction and angle and Purcell factor spectrum was calculated. Decay dynamics and spectrum of fluorescence in UV range was measured. Fact that on frequencies corresponding to Tamm plasmon eigenfrequencies, increasing of spontaneous emission probability was demonstrated. Maximum value of Purcell factor reaches 3.

Взаимодействие таммовского плазмона и экситона в органическом материале в режиме сильной связи

© К.М. Морозов 1, А.В. Белоновский 1, К.А. Иванов2, Е.И. Гиршова1,3, М.А. Калитеевский

1 Санкт-Петербургский Академический университет,

194021 Санкт-Петербург, Россия

2 Университет ИТМО,

197101 Санкт-Петербург, Россия

3 Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук,

194021 Санкт-Петербург, Россия

1 E-mail: [e-mail]

Поступила в Редакцию 24 апреля 2019 г.

В окончательной редакции 29 апреля 2019 г.

Принята к публикации 29 апреля 2019 г.

Проведено теоретическое исследование взаимодействия таммовского плазмона с экситоном в органическом материале в режиме сильной связи. Структура представляла собой брэгговский отражатель из 5 пар слоев оксида кремния и оксида тантала, органического светоизлучающего слоя материала 4' -Bis(N-carbazolyl)-1,1'-biphenyl и слоя серебра. Показано, что в такой структуре имеет место расщепление поляритонных мод (расщепление Раби) величиной > 400 мэВ, что может сопровождаться увеличением ширины полосы люминесценции до 700 мэВ.

Ключевые слова: таммовский плазмон, органический светодиод, экситон, режим сильной связи.

Ш! 10.2Ш3/БТР.2019.10.48288.34

1. Введение

Перспективные источники [1-4] и детекторы света [5,6] на основе таммовских плазмонов (состояний электромагнитного поля, локализованных на границе брэгговского отражателя и металла [7]) интенсивно исследуются в последнее время. В некоторых органических светоизлучающих материалах экситоны обладают очень высокой силой осциллятора, что приводит к взаимодействию экситона в органическом материале и собственной оптической моды микрорезонатора в режиме сильной связи [8], причем величина расщепления поляритонных мод (расщепление Раби) может достигать нескольких сотен мэВ. В микрорезонаторах с органическими материалами люминесценция в режиме сильной связи наблюдается только из нижней поляри-тонной моды. В структурах с таммовскими плазмонами и полупроводниковыми квантовыми ямами люминесценция экспериментально наблюдалась и для верхней поляритонной ветки [9].

Недавно было продемонстрировано увеличение скорости спонтанной эмиссии в структурах с таммовским плазмоном с активной областью из квантовых точек [10], таким образом, структуры с таммовскими плазмонами могут использоваться для высокоэффективных резонансных светодиодов.

Данная работа посвящена теоретическому исследованию взаимодействия таммовского плазмона и экситона в органическом материале с целью определения дизайна структуры, обеспечивающей люминесценцию как из нижней, так и из верхней поляритонной моды.