Влияние плазмонных элементов на теплопроводность и оптические свойства фотонных наноструктур тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Гиршова Елизавета Ильинична

• Гиршова Елизавета Ильинична
• кандидат наук
• 2024

Оглавление диссертации кандидат наук Гиршова Елизавета Ильинична

Реферат

Synopsis

Введение

ГЛАВА 1. Оптоакустические генераторы на базе структур с Таммовским плазмоном

1.1. Оптоакустические генераторы ультразвука (литературный обзор)

1.2. Теоретическое описание принципа работы оптоакустического генератора на основе структур с Таммовским плазмоном

1.3 Перспективы применения полимерных материалов

1.4 Перспективы применения гибридных материалов

1.5 Выбор материалов Брэгговского отражателя

1.6 Краткие итоги

ГЛАВА 2. Оптимизация многослойных диэлектрических и гибридных отражателей

2.1 Оптимизация оптических многослойных наноструктур (литературный обзор)

2.2 Комбинированные металло-диэлектрические отражатели

2.3 Применение генетических алгоритмов в оптимизации многослойных зеркал

2.4 Результаты применения генетических алгоритмов в оптимизации многослойных зеркал

2.5 Краткие итоги

ГЛАВА 3. Влияние плазмонных наночастиц на излучательную рекомбинацию в нанопроводах InGaN

3.1 Влияние металлических наночастиц на оптические свойства нанопроводов

3.2 Экспериментальное исследование фотолюминесценции нанопроводов InGaN c нанесением наночастиц серебра

3.3 Теоретическое исследование фотолюминесценции нанопроводов InGaN c нанесением наночастиц серебра

3.4 Краткие итоги

Заключение

Список сокращений и условных обозначений

Список литературы

Тексты публикаций

Реферат

Общая характеристика диссертации

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Влияние плазмонных элементов на теплопроводность и оптические свойства фотонных наноструктур»

Актуальность темы.

Фотоника - междисциплинарная область науки, претерпевшая за последние несколько десятилетий бурное развитие. В основе принципа работы фотонных устройств лежит контролируемое распространение света, его локализация и взаимодействие с веществом [1-4]. Толчком к активному расширению границ практического применения этих механизмов стало не только совершенствование производственных технологий, но и углубление теоретических представлений в областях оптики, плазмоники и материаловедения, а также развитие вычислительных техник и алгоритмов, позволяющих в настоящий момент существенно упростить этап моделирования [5-7]. Использование плазмонных наноструктур позволяет локализовывать свет в области пространства много меньшей длины волны, что интенсифицирует взаимодействие света и среды и приводит к ряду интересных эффектов, которые могут найти применение в фотонных устройствах нового поколения [8-11].

Недавний прогресс индустрии фотонных наноструктур позволил создавать новые оптоэлектронные приборы, такие как вертикально-излучающие лазеры [12], резонансные светодиоды [13], сенсоры [14], фотоакустические преобразователи [15]). Дальнейшие перспективы развития оптоэлектроники связаны с разработкой и использованием новых материалов, в том числе гибридных, позволяющих комбинировать оптические, теплофизические и механически свойства разных веществ, за счёт чего могут быть расширены функционал приборов, спектральные диапазоны их использования, а также повышена их энергоэффективность.

В свете вышесказанного ясно, что развитие современной оптоэлектроники предполагает постоянный поиск новых материалов и дизайнов фотонных структур. Оптимизация оптоэлектронного устройства подразумевает улучшение совокупности его характеристик, таких как энергоэффективность, простота

изготовления, экономическая доступность, ожидаемый срок службы, спектральный диапазон.

Работа оптоэлектронного прибора не исчерпывается только оптическими характеристиками структуры, любой процесс, проистекающий в реальном устройстве, является многофакторным, то есть не может быть описан с точки зрения только одной области физики. Так, в процессе взаимодействия света с веществом выделяется тепло. В некоторых ситуациях это негативный эффект, порождающий тепловые шумы, вносящие возмущения в работу прибора или приводящие к его перегреву [16]. В некоторых ситуациях контролированное выделение тепла лежит в основе самого принципа функционирования прибора, например, в оптоакустических генераторах ультразвука. В любом случае, для проектирования и последующей работы оптоэлектронного устройства необходимо понимание происходящих в нём процессов тепловыделения, перераспределения тепла и температурной релаксации, поэтому исследование возможности контроля теплопроводности элементов фотонных наноструктур является важной задачей.

Поскольку разнообразие материалов, топологий структур и их сочетаний, которые могут использоваться в современной фотонике, практически неограниченно, а их выбор должен обеспечивать многофакторную оптимизацию с учётом спектральных оптических характеристик и теплопроводности, на первый план выходит возможность предварительного моделирования предлагаемых структур и материалов. Но даже для моделирования объём возможных комбинаций столь велик, что процесс отбора потенциальных структур и материалов должен происходить с некоторой степенью автоматизации. В этом вопросе на помощь могут прийти современные алгоритмические решения (нейросети, машинное обучение, генетические алгоритмы). Применение более продвинутых и адаптированных к поставленным задачам компьютерных алгоритмов позволит экономить время и ресурсы на этапах как предварительного моделирования, так и изготовления и исследования прототипа прибора. Генетические алгоритмы являются перспективной методикой, позволяющей

быстро проводить многофакторную оптимизацию. В основе генетического алгоритма лежат процессы, аналогичные естественной эволюции, повторяющие ее основные этапы: смена поколений, отбор лучших представителей каждого поколения, кроссинговер, случайные мутации. Генетический алгоритм можно запускать из некоторого исходного сочетания входных параметров или генерировать их случайно. Алгоритм является эвристическим, поэтому не может гарантировать нахождение абсолютного оптимума, но зато отличается очень высокой скоростью и всегда предоставляет решение, не уступающее изначальной комбинации, что делает его очень привлекательным для оптимизации задач, уже имеющих общепринятое решение (например, Брэгговские отражатели как эталон многослойного отражателя).

Оптоакустические преобразователи, принцип работы которых основан на эффекте расширения оптического поглощающего слоя, нагреваемого лазерными импульсами [17, 18] применяются в качестве альтернативы классическим пьезоэлектрическим устройствам в медицине, дефектоскопии и во многих других высокотехнологичных методиках. Принцип действия обеспечивает ряд преимуществ: надежность, компактность, полную гальваническую развязку [19], широкополосность [20], высокую устойчивость к неблагоприятным условиям окружающей среды и электромагнитным помехам. В то же время развитие медицинских и производственных технологий требует дальнейшей миниатюризации, расширения полосы рабочих частот, а также повышения функциональной гибкости генерации ультразвука. Такие цели могут быть достигнуты за счет применения плазмонных структур, в том числе Таммовских плазмонных структур [21, 22]. Для увеличения энергоэффективности оптоакустического преобразования возможно использование в конструкции оптоакустического преобразователя дополнительных слоёв из органических или гибридных металлополимерных материалов, позволяющих комбинировать оптические, механические и термофизические свойства металлов и полимеров для достижения их оптимальных сочетаний [23, 24].

Использование материалов, содержащих в своём объёме интегрированные плазмонные наночастицы позволяет добиться высокой локализации света, что приводит к усилению взаимодействия света с веществом и позволяет добиваться модификации спектральных характеристик наноструктуры. Способность контролировать пространственные, поляризационные и спектральные характеристики излучения оптического диапазона является актуальной задачей современной фотоники, так как может способствовать расширению элементной базы и повышению энергоэффективности существующих функциональных элементов оптических устройств.

Таким образом, исследование влияния интегрированных плазмонных элементов на оптические характеристики и тепловые свойства фотонных наноструктур является актуальной задачей современной физики.

Научная специальность, которой соответствует диссертация - 01.04.07 -Физика конденсированного состояния, отрасль - физико-математические науки. Диссертация соответствует пунктам 1, 2 и 4 паспорта специальности 01.04.07.

Целью диссертационной работы является исследование влияния плазмонных элементов на теплопроводность и оптические свойства фотонных наноструктур, в том числе высокоэффективных многослойных отражателей, оптоакустических генераторов ультразвука, полупроводниковых нанопроводов.

Для достижения данной цели в рамках диссертации были поставлены и решены следующие задачи:

Задача 1.

Разработка дизайна оптоакустического генератора на базе структур с Таммовским плазмоном. Выбор материалов структуры. Моделирование теплофизических и оптических свойств структуры: спектров отражения и пропускания, распределения поля внутри структуры при падении света рабочей длины волны, плотность тепловыделения при поглощении лазерного излучения, температурная релаксация после поглощения лазерных импульсов разных форм. Моделирование механических колебаний поверхности структуры при

поглощении лазерных импульсов разных частот, определение рабочей полосы частот, оценка энергоэффективности оптоакустического преобразования.

Задача 2.

Оценка влияния дополнительного слоя полидиметилсилоксана на оптические и теплофизические свойства оптоакустического генератора на базе структур с Таммовским плазмоном. Расчёт распределения температуры в структуре при поглощении серии лазерных импульсов, моделирование механических колебаний поверхности. Анализ полученных результатов с целью выявления полосы частот, в которой дополнительный полимерный слой положительно влияет на энергоэффективность оптоакустического преобразования.

Задача 3.

Построение методики применения генетических алгоритмов к оптимизации многослойных наноструктур. Построение функции, позволяющей сравнивать два отражателя с точки зрения сочетания их толщины и отражательной способности. Анализ свойств структур, полученных с помощью оптимизации генетическим алгоритмом.

Задача 4.

Моделирование влияния плазмонных наночастиц на спектр излучения полупроводниковых наноструктур.

Методы исследования. В ходе решения поставленных задач использовались следующие методы и подходы:

1) Аналитические модели, которые описывают взаимодействие фотонных и экситонных мод в резонаторах, предоставляя теоретическую основу для исследования.

2) Метод матриц переноса, который используется для моделирования распространения излучения через оптические системы, позволяя оценить их оптические характеристики.

3) Методы конечных элементов, применяемые в программном продукте COMSOL Multiphysics, для численного моделирования и анализа поведения физических систем.

4) Генетические алгоритмы оптимизации библиотеки PyGad на языке Python, которые применялись для настройки параметров систем и поиска оптимальных решений.

5) Аналитические методы, используемые для проверки результатов численного моделирования и их интерпретации.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Сильная локализация электромагнитного поля вблизи границы металл/Брэгговский отражатель в оптоакустических генераторах на базе структур с Таммовским плазмоном обеспечивает эффективное преобразование светового импульса в ультразвуковой на произвольной длине волны.

2. Эффективность преобразования лазерного излучения в ультразвук на частотах до ~50 МГц в оптоакустических генераторах на базе структур с Таммовским плазмоном может быть увеличена вплоть до 4 порядков за счет использования дополнительного слоя органического материала с высоким коэффициентом температурного расширения, покрытого металлом.

3. Существуют апериодические структуры как чисто диэлектрических зеркал, так и комбинированных металлодиэлектрических отражателей, не уступающие Брэгговским зеркалам по отражательной способности, но имеющие существенно меньшую толщину диэлектрической части.

4. Плазмонные наночастицы на поверхности полупроводниковых нанопроводов InGaN приводят к модификации спектров люминесценции вследствие изменения скорости спонтанной эмиссии.

Научная новизна диссертации отражена в следующих пунктах: 1. Предложен и обоснован дизайн структуры оптоакустического генератора, в котором благодаря использованию структуры с Таммовским плазмоном

может быть обеспечено полное поглощение лазерного импульса с требуемой длиной волны.

2. Показано, что использование полимерных материалов с высоким коэффициентом теплового расширения в качестве дополнительного слоя структуры оптоакустического преобразователя может на порядки повышать эффективность энергопреобразования в некотором диапазоне частот.

3. Разработан подход к оптимизации многослойных фотонных структур с применением генетических алгоритмов. Показано, что, если учитывать даже незначительное поглощение в материалах отражателя, могут быть найдены структуры, превосходящие классические Брэгговские зеркала по отражательной способности, но более тонкие.

4. Показано, что изменение спектра фотолюминесценции полупроводниковых нанопроводов при нанесении на их поверхность плазмонных наночастиц может быть теоретически описано в терминах резонанса Фрёлиха, причём возможно учесть уширение спектра, возникающее из-за неоднородности химического состава нанопровода.

Объектом исследования являются фотонные наноструктуры с плазмонными элементами.

Предметом исследования является влияние плазмонных элементов на тепловые и оптические свойства фотонных наноструктур.

Теоретическая и практическая значимость результатов диссертационной' работы состоит в том, что уточнение механизмов взаимодействия между светом и веществом вносит вклад в создание и усовершенствование различных оптических, электрооптических и оптоэлектронных устройств. Оптоакустические генераторы ультразвука на базе структур с Таммовскими плазмонами могут найти применение в высокоточной дефектоскопии и медицинской диагностике. Создание ультратонких многослойных отражателей, в том числе для вертикально-

излучающих лазеров, позволит уменьшить стоимость изготовления приборов и расширить их внедрение в различные области науки и техники, а также продлит срок службы за счёт снижения рабочей температуры.

Достоверность

Высокая достоверность результатов подтверждается их представлением на российских и международных конференциях, а также публикацией в научных журналах, включенных в базы цитирования ВАК, Scopus и WoS, в том числе в журналах первого квартиля. Все теоретические выводы основаны на использовании признанных программных пакетов для численного моделирования с соблюдением границ их применимости.

Апробация результатов работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: Всероссийская молодежная конференция по физике полупроводников и наноструктур, полупроводниковой опто- и наноэлектронике (Санкт-Петербург, 2018), Международная школа-конференция «Saint-Petersburg OPEN» (Санкт-Петербург, 2019), Российская конференция по физике полупроводников (Новосибирск, 2019), XII Международная научно-техническая конференция по квантовой электронике, (Минск, 2019), 28ой Международный Симпозиум "Nanostructures: Physics and Technology" (Минск, 2020), XII Международная научно-техническая конференция «Микро- и нанотехнологии в электронике» (пос. Эльбрус, 2021), XVIII Молодежная конференция с международным участием по люминесценции и лазерной физике (Иркутск, 2021), XXVI симпозиум «Нанофизика и наноэлектроника» (Нижний Новгород, 2022), Всероссийская научная конференция с международным участием «Енисейская фотоника 2022» (Красноярск, 2022).

Личный вклад автора.

В диссертации приведены результаты, полученные автором лично или при его активном участии. Автор самостоятельно разрабатывал теоретические модели и проводил численные расчеты, что обеспечивает высокий уровень непосредственной причастности к исследовательскому процессу и достоверности полученных данных.

Структура и объем диссертации.

Диссертация включает введение, четыре главы, заключение, а также полный список литературы, состоящий из 161 наименования. Общий объем текста составляет 159 страниц. В ней содержится 27 формул, которые служат основой для математического описания и анализа исследуемых явлений. Также представлены 27 рисунков, используемых для визуализации результатов исследований, и 6 таблиц, облегчающих систематизацию и представление данных.

Публикации.

Основные результаты по теме диссертации изложены в 9 публикациях. Из них 5 изданы в журналах, рекомендованных ВАК, 4 опубликованы в изданиях, индексируемых в базе цитирования Scopus.

В международных изданиях, индексируемых в базе данных Scopus:

1. Proposal for a photoacoustic ultrasonic generator based on Tamm plasmon structures / E.I. Girshova, A.P. Mikitchuk, A.V. Belonovski, K.M. Morozov, K.A. Ivanov, G. Pozina, K.V. Kozadaev, A.Yu. Egorov, M.A. Kaliteevski // Optics Express. — 2020. — Vol. 28, no. 18. — P. 26161—26169.

2. Photoluminescence Redistribution of InGaN Nanowires Induced by Plasmonic Silver Nanoparticles / Т. Shugabaev, V.O. Gridchin, S.D. Komarov, D.A. Kirilenko, N.V.Kryzhanovskaya, K.P. Kotlyar, R.R. Reznik, E.I.Girshova, V.V.Nikolaev, M.A.Kaliteevski, G.E. Cirlin// Nanomaterials. — 2023. — Vol. 13, no. 6. — P. 1069.

3. Current state of the research on optoacoustic fiber-optic ultrasonic transducers based on thermoelastic effect and fiber-optic interferometric receivers / A.P.

Mikitchuk, E.I. Girshova, V.V. Nikolaev // Computer Optics. — 2023. — Vol. 47, no. 4. — P. 503—523.

4. Genetic algorithm for optimizing Bragg and hybrid metal-dielectric reflectors / E.I. Girshova, A.V. Ogurtcov, A.V. Belonovski, K.M. Morozov, M.A.Kaliteevski // Computer Optics. — 2022. — Vol. 46, no. 4. — P. 561— 566.

В изданиях из перечня ВАК РФ:

1. Потенциал применения органических и металлополимерных материалов в оптоакустических генераторах ультразвука / Гиршова Е.И., Микитчук Е.П., Белоновский А.В., Морозов К. М., Калитеевский М.А. // Известия Российской Академии наук. Серия физическая -2022. - Т. 86. - № 7. - С. 1001-1006

2. Оптоакустический генератор ультразвука на основе структуры с таммовским плазмоном и органическим активным слоем / Гиршова Е.И., Микитчук Е.П., Белоновский А.В., Морозов К.М., Иванов К.А.// Письма в Журнал технической физики -2021. - Т. 47. - № 7. - С. 17-21

3. Оптические и тепловые свойства гибридного металлодиэлектрического отражателя / Харитонова Е.А., Гиршова Е.И., Белоновский А.В., Морозов К.М., Иванов К.А., Симчук О.И. // Письма в Журнал технической физики -2021. - Т. 47. - № 2. - С. 14-17

4. Гибридный металлополимер на основе полиметилметакрилата с внедренными металлическими наночастицами как активная среда оптоакустического генератора ультразвука / Е.И. Гиршова, Е.П. Микитчук, А.В. Белоновский, K.M. Moрозов // Физика и техника полупроводников. — 2022. — Vol. 56, no. 7. — P. 630.

5. Гибридный металлополимер как потенциальная активная среда оптоакустического генератора /Гиршова Е.И., Микитчук Е.П., Белоновский А.В., Морозов К.М. // Письма в Журнал технической физики -2022. - Т. 48. - № 3. - С. 36-39

Содержание работы

Во введении перечислены цели и задачи исследования, сформулированы основные результаты, в том числе положения, выносимые на защиту, обоснована актуальность проведённых исследований, их теоретическая и практическая значимость. Так же приведена информация о публикациях и конференциях, на которых были представлены полученные материалы.

Глава 1 «Оптоакустические генераторы на базе структур с Таммовским плазмоном» посвящена теоретическому исследованию оптоакустических генераторов на базе структур с Таммовским плазмоном и вопросу энергоэффективности этих приборов.

В параграфе 1.1 представлен исторический обзор теоретических и экспериментальных исследований в области оптоакустики, начиная с первых оптоакустических исследований научной группы Л.М. Лямшева и К.А.Наугольных [25, 26] в 70-ых годах прошлого века, когда в Акустическом институте имени академика Н.Н. Андреева была создана лаборатория оптоакустики с целью изучения взаимодействия мощного лазерного излучения с веществом для создания гидроакустических радаров, до обзора современного состояния этой области науки. «Оптоакустические преобразователи являются привлекательной альтернативой для пьезоэлектрических генераторов ультразвука [17, 18]. Принцип их работы состоит в том, что активная среда нагревается и охлаждается, что приводит к циклическому чередованию расширения и сжатия, что порождает акустические волны в окружающей среде [27]. Принцип действия обеспечивает ряд преимуществ: надежность, компактность, полную гальваническую развязку [19], широкополосность [20], возможность преобразователя на краю оптического волокна [28], что, в свою очередь, приводит к невосприимчивости к неблагоприятным условиям окружающей среды и электромагнитным помехам. В то же время современные высокотехнологические области применения (например, медицина, дефектоскопия) требуют дальнейшей

миниатюризации, увеличения полосы рабочих частот, а также повышения функциональной гибкости генерации ультразвука.» [60] Такие цели могут быть достигнуты за счет применения плазмонных структур, особенно таммовских плазмонных структур [21, 22].

В параграфе 1.2 описана предлагаемая схема структуры оптоакустического генератора на базе структур с Таммовским плазмоном. На рисунке 0.1 приведена схема работы прибора, основанная на циклах расширения и сжатия материала в результате нагрева при поглощении лазерного импульса и последующей температурной релаксации.

В результате выполнения научно-исследовательской работы была предложена новая схема оптоакустического генератора на основе структуры с Таммовским плазмоном. Предложенный принцип организации активной среды оптоакустического генератора позволяет свободно выбирать рабочую длину волны используемого лазера, так как за счёт плазмонных эффектов позволяет добиться полного поглощения на произвольно выбранной длине волны. Продемонстрирована возможность настроить прибор для работы с лазером на

арсениде галлия (980 нм). Определены принципы подбора материалов для активной среды прибора.

Выведена формула, позволяющая оценивать эффективность преобразования электромагнитной энергии в механическую: «когда слой материала с коэффициентом теплового расширения е поглощает лазерный импульс с плотностью энергии G, толщина слоя увеличивается на величину В, определяемую выражением

В = £в/(ср), (0.1)

где с и р — удельная теплоемкость и плотность материала соответственно. В случае гармонического колебания поверхности с амплитудой колебаний В и частотой f интенсивность звука J имеет вид [18]:

/ = ^(2я/Я)2, (0.2)

где рт и V — плотность и скорость звука для среды, в которую излучается ультразвук. Таким образом, эффективность преобразования лазерного излучения в ультразвуковые волны п можно оценить как

Т}=^= 2 ъ2РтУ (¿)2 С/ (0.3)

Из формулы 0.3 ясно, что ключевым параметром, определяющим эффективность энергопреобразования, является отношение е/(ср) для металла, образующего верхний слой конструкции. Проанализированы характеристики разных металлов, для дальнейшего моделирования выбран магний.

На рисунке 0.2а показана структура предлагаемого прибора. Зеркало из магния нанесено на структуру распределённого Брэгговского отражателя. Полупроводниковые материалы отражателя - диоксиды кремния и титана. Толщина диоксида кремния 168 нм, диоксида титана - 118 нм. Слой отражателя, контактирующий непосредственно с металлическим зеркалом, немного уменьшен для смещения частоты Таммовского плазмона к центру запрещённой зоны многослойного отражателя. Это способствует локализации света. Ширина слоя металла 1000 нм.

«Спектры коэффициентов поглощения А(Х) и отражения R(X) структуры ОАП с Таммовским плазмоном показаны на рисунке 0.2(б). Спектры отражения и поглощения, а также пространственное распределение электромагнитного поля в структуре были получены путем решения уравнений Максвелла методом матриц переноса. Видно, что имеется резкий пик поглощения на длине волны 980 нм, соответствующей резонансу Таммовского плазмона, с максимальным значением, близким к единице. Зеленая линия на рисунке 0.2(а) показывает пространственный профиль |Е(х)|2, где Е(х) — электрическое поле, установившееся внутри структуры при освещении светом с длиной волны 980 нм. Видно, что электрическое поле локализовано вблизи границы раздела Брэгговского отражателя и металла.» [60]

«Поскольку мощность звука, излучаемого колеблющейся поверхностью, пропорциональна квадрату амплитуды колебаний, было бы целесообразно после окончания нагревательного импульса обеспечить максимальное охлаждение конструкции, в идеале до исходного уровня, что может быть достигнуто либо увеличением теплопроводности металлического слоя, либо уменьшением частоты повторения.» [60]

I(ПБ) I(пэ)

Рис. 0.3. Колебания поверхности структуры при нагреве лазером: (а) при синусоидальной модуляции мощности лазера 1(1) с частотой 100 МГц и средней по времени плотности потока = 106 Вт/см2; б) с последовательностью синусоидальных импульсов длительностью 10 не

На рисунке 0.3 приведены зависимости механических колебаний поверхности структуры при нагреве лазерными импульсами разной модуляции.

При сравнении рисунков 0.3а и 0.3б видно, что уменьшение частоты импульсов приводит к увеличению амплитуды колебаний и повышению эффективности энергопреобразования.

Параграф 1.3 посвящён возможности применения полимерных материалов в оптоакустических генераторах с Таммовским плазмоном с целью повышения их энергоэффективности. Органические соединения обладают более высоким коэффициентом теплового расширения, чем диэлектрики, причем рекордными характеристиками обладает полидиметилсилоксан (PDMS), что обеспечивает высокие (порядка 10-5) значения энергоэффективности оптоакустических генераторов на основе PDMS с металлическими наночастицами [28].

На рисунке 0.4 изображена исследуемая структура. Базовая структура с таммовским плазмоном состоит из распределённого Брэгговского отражателя, составленного из 9 пар чередующихся слоёв оксида кремния толщиной (169 нм) и нитрида кремния толщиной (122 нм), и металлического слоя толщиной 100 нм. В предлагаемой усовершенствованной схеме поверх золота наносится 100 нм полидиметилсилоксана, а на него - слой золота толщиной 500 нм для облегчения отведения тепла от органического слоя (дополнительные слои изображены на рисунке 0.3 справа). Суммарная толщина базовой структуры составляет 2719 нм, структуры с дополнительными слоями - 3319 нм.

Рис. 0.4. Схема оптоакустического преобразователя на основе структуры с Таммовским плазмоном и дополнительным слоем полидиметилсилоксана (РЭМБ). Слева изображена базовая структура с таммовским плазмоном, состоящая из распределённого Брэгговского отражателя, составленного из чередующихся слоёв оксида кремния толщиной (169 нм) и нитрида кремния толщиной (122 нм), и металлического слоя толщиной 100 нм. Справа показаны дополнительные слои: слой полидиметилсилоксана (100 нм) и слой золота (500 нм). Сплошной линией показано распределение квадрата электрического поля в структуре при облучении лазером на длине волны 980 нм

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Гиршова Елизавета Ильинична, 2024 год

Список литературы

1) Inhibited Spontaneous Emission in Solid-State Physics and Electronics / E. Yablonovitch // Physical Review Letters. — 1987. — Vol. 58. — P. 2059.

2) Strong localization of photons in certain disordered dielectric superlattices / S. John // Physical Review Letters. — 1987. — Vol. 58. — P. 2486.

3) Applications: Nanophotonics and Plasmonics. In Nanotechnology Research Directions for Societal Needs in 2020 / E.L. Hu [et al.] // Springer, Dordrecht, The Netherlands. 2008. — P. 318—340.

4) Self-assembled photonic structures / J.F. Galisteo-Lopez [et al.] // Advanced Materials. — 2011. — Vol. 23. — P. 30-69.

5) Modelling and optimisation of single-step laser-based gold nanostructure deposition with tunable optical properties / C.Hughes [et al.] //Optics & Laser Technology. - 2018. - V. 108. - P. 295-305.

6) Nanoplasmonics: The physics behind the applications/ Stockman M. I. //Physics Today. - 2011. - V. 64. - №. 2. - P. 39-44.

7) Kawata S. (ed.). Near-field optics and surface plasmon polaritons. - Springer Science & Business Media, 2001. - Т. 81.

8) Zakharko Y. et al. Plasmon-enhanced nonlinear optical properties of SiC nanoparticles //Nanotechnology. - 2013. - T. 24. - №. 5. - C. 055703.

9) Zhou W. et al. Lasing action in strongly coupled plasmonic nanocavity arrays //Nature nanotechnology. - 2013. - T. 8. - №. 7. - C. 506-511.

10) Shao D. B., Chen S. C. Surface-plasmon-assisted nanoscale photolithography by polarized light //Applied physics letters. - 2005. - T. 86. - №. 25.

11) Li F., Josephson D. P., Stein A. Colloidal assembly: the road from particles to colloidal molecules and crystals //Angewandte Chemie International Edition. - 2011. -T. 50. - №. 2. - C. 360-388.

12) Iga K., Koyama F., Kinoshita S. Surface emitting semiconductor lasers //IEEE Journal of Quantum Electronics. - 1988. - T. 24. - №. 9. - C. 1845-1855.

13) Schubert E. F. et al. Resonant cavity light-emitting diode //Applied physics letters. - 1992. - T. 60. - №. 8. - C. 921-923.

14) Lee J. H. Gas sensors using hierarchical and hollow oxide nanostructures: overview //Sensors and Actuators B: Chemical. - 2009. - T. 140. - №. 1. - C. 319336.

15) Garcia-Alvarez R. et al. Optimizing the geometry of photoacoustically active gold nanoparticles for biomedical imaging //ACS photonics. - 2020. - T. 7. - №. 3. -C. 646-652.

16) Baffou G., Quidant R. Thermo-plasmonics: using metallic nanostructures as nano-sources of heat //Laser & Photonics Reviews. - 2013. - T. 7. - №. 2. - C. 171187.

17) Biagi E., Margheri F., Menichelli D. Efficient laser-ultrasound generation by using heavily absorbing films as targets //ieee transactions on ultrasonics, ferroelectrics, and frequency control. - 2001. - T. 48. - №. 6. - C. 1669-1680.

18) Hou Y. et al. Characterization of a broadband all-optical ultrasound transducer-from optical and acoustical properties to imaging //IEEE transactions on ultrasonics, ferroelectrics, and frequency control. - 2008. - T. 55. - №. 8. - C. 1867-1877.

19) Simandoux O. et al. Influence of nanoscale temperature rises on photoacoustic generation: Discrimination between optical absorbers based on thermal nonlinearity at high frequency //Photoacoustics. - 2015. - T. 3. - №. 1. - C. 20-25.

20) Pang G. A. et al. Photoacoustic signal generation in gold nanospheres in aqueous solution: signal generation enhancement and particle diameter effects //The Journal of Physical Chemistry C. - 2016. - T. 120. - №. 48. - C. 27646-27656.

21) Chen S. L. Review of laser-generated ultrasound transmitters and their applications to all-optical ultrasound transducers and imaging //Applied Sciences. -2016. - T. 7. - №. 1. - C. 25.

22) Kaliteevski M. A. et al. Experimental demonstration of reduced light absorption by intracavity metallic layers in Tamm plasmon-based microcavity //Plasmonics. -2015. - Т. 10. - С. 281-284.

23) Gubaydullin A. R. et al. Tamm plasmon sub-wavelength structuration for loss reduction and resonance tuning //Applied Physics Letters. - 2017. - Т. 111. - №. 26.

24) Khurgin J. B. How to deal with the loss in plasmonics and metamaterials //Nature nanotechnology. - 2015. - Т. 10. - №. 1. - С. 2-6.

25) Лямшев Л. М. Лазеры в акустике //Успехи физических наук. - 1987. - Т. 151. - №. 3. - С. 479-527.

26) Zharov V. P., Letokhov V. S., Ryabov E. A. Optoacoustic laser spectroscopy of excited vibrational molecular states //Applied physics. - 1977. - Т. 12. - С. 15-17.

27) Prost A., Poisson F., Bossy E. Photoacoustic generation by a gold nanosphere: From linear to nonlinear thermoelastics in the long-pulse illumination regime //Physical Review B. - 2015. - Т. 92. - №. 11. - С. 115450.

28) Kaliteevski M. et al. Tamm plasmon-polaritons: Possible electromagnetic states at the interface of a metal and a dielectric Bragg mirror //Physical Review B. - 2007. -Т. 76. - №. 16. - С. 165415.

29) Fan X., Zheng W., Singh D. J. Light scattering and surface plasmons on small spherical particles //Light: Science & Applications. - 2014. - Т. 3. - №. 6. - С. e179-e179.

30) Luk'yanchuk B. S. et al. Peculiarities of light scattering by nanoparticles and nanowires near plasmon resonance frequencies in weakly dissipating materials //Journal of Optics A: Pure and Applied Optics. - 2007. - Т. 9. - №. 9. - С. S294.

31) Bohren C. F., Huffman D. R. Absorption and scattering of light by small particles. - John Wiley & Sons, 2008.

32) Ali A., Naqvi Q. A., Baqir M. A. Investigation of the plasmon resonance of core-shell nanoparticle in the near-infrared region //Journal of Electromagnetic Waves and Applications. - 2019. - Т. 33. - №. 18. - С. 2462-2475.

Synopsis General thesis summary

Relevance of the chosen topic.

Photonics is an interdisciplinary field of science that has undergone rapid development in recent decades. The principle of operation of photonic devices is based on the controlled propagation of light, its localization, and interaction with matter [1-4]. The active expansion of the practical applications of these mechanisms has been driven not only by advancements in manufacturing technologies but also by deepening theoretical insights in optics, plasmonics, and materials science. Additionally, the progress in computational techniques and algorithms has significantly simplified the modeling stage [5-7]. The use of plasmonic nanostructures allows the localization of light in a much smaller spatial area than the wavelength, intensifying the interaction between light and the medium, leading to a range of interesting effects applicable to next-generation photonics devices [8-11].

Recent progress in the photonics nanostructure industry has enabled the creation of new optoelectronic devices, including vertical-cavity surface-emitting lasers [12], resonant light-emitting diodes [13], sensors [14], and photoacoustic transducers [15]. Further prospects for the development of optoelectronics are associated with the design and use of new materials, including hybrids that allow the combination of optical, thermophysical, and mechanical properties of different substances. This can expand the functionality of devices, broaden the spectral ranges of their use, and increase their energy efficiency.

In light of the above, it is evident that the development of modern optoelectronics involves a constant search for new materials and designs of photonic structures. The optimization of optoelectronic devices implies the improvement of a set of their characteristics, such as energy efficiency, ease of manufacturing, economic affordability, expected service life, and spectral range. Since the diversity of materials, topologies of structures, and their combinations that can be used in modern photonics is practically unlimited, and their selection must ensure multifactorial optimization, taking into account spectral optical characteristics and thermal conductivity, the possibility of

preliminary modeling of proposed structures and materials comes to the forefront. However, even for modeling, the volume of possible combinations is so vast that the process of selecting potential structures and materials must occur with some degree of automation. In this regard, modern algorithmic solutions (neural networks, machine learning, genetic algorithms) can be helpful. Applying more advanced and task-specific computer algorithms can save time and resources in both the preliminary modeling and the manufacturing and testing stages of a device prototype. Genetic algorithms are a promising methodology for conducting multifactorial optimization quickly. The genetic algorithm is based on processes similar to natural evolution, repeating its basic stages: generation changes, selection of the best representatives of each generation, crossover, and random mutations. The genetic algorithm can be initiated from some initial set of input parameters or generated randomly. The algorithm is heuristic, so it cannot guarantee finding the absolute optimum, but it is characterized by very high speed and always provides a solution not inferior to the initial combination, making it highly attractive for optimizing tasks that already have a widely accepted solution (e.g., Bragg reflectors as a standard multilayer reflector).

In light of the above, it is evident that the development of modern optoelectronics involves a constant search for new materials and designs of photonic structures. The optimization of optoelectronic devices implies the improvement of a set of their characteristics, such as energy efficiency, ease of manufacturing, economic affordability, expected service life, and spectral range. Since the diversity of materials, topologies of structures, and their combinations that can be used in modern photonics is practically unlimited, and their selection must ensure multifactorial optimization, taking into account spectral optical characteristics and thermal conductivity, the possibility of preliminary modeling of proposed structures and materials comes to the forefront. However, even for modeling, the volume of possible combinations is so vast that the process of selecting potential structures and materials must occur with some degree of automation. In this regard, modern algorithmic solutions (neural networks, machine learning, genetic algorithms) can be helpful. Applying more advanced and task-specific computer algorithms can save time and resources in both the preliminary modeling and

the manufacturing and testing stages of a device prototype. Genetic algorithms are a promising methodology for conducting multifactorial optimization quickly. The genetic algorithm is based on processes similar to natural evolution, repeating its basic stages: generation changes, selection of the best representatives of each generation, crossover, and random mutations. The genetic algorithm can be initiated from some initial set of input parameters or generated randomly. The algorithm is heuristic, so it cannot guarantee finding the absolute optimum, but it is characterized by very high speed and always provides a solution not inferior to the initial combination, making it highly attractive for optimizing tasks that already have a widely accepted solution (e.g., Bragg reflectors as a standard multilayer reflector).

Optoacoustic transducers, whose operation is based «on the expansion effect of an optically absorbing layer heated by laser pulses [17, 18], are used as an alternative to classical piezoelectric devices in medicine, defect detection, and many other high-tech processes. The working principle offers several advantages: reliability, compactness, complete galvanic isolation [20], broadband operation [21], high resistance to adverse environmental conditions, and electromagnetic interference. At the same time, the advancement of medical and manufacturing technologies requires further miniaturization, expansion of the working frequency range, and increased functional flexibility of ultrasound generation. These goals can be achieved through the use of plasmonic structures, including Tamm plasmonic (TP) structures [23, 24].» [60] To increase the energy efficiency of optoacoustic conversion, additional layers of organic or hybrid metal-polymeric materials can be used in the design of the optoacoustic transducer. These materials allow combining the optical, mechanical, and thermophysical properties of metals and polymers to achieve their optimal combinations [25, 26].

The use of materials containing integrated plasmonic nanoparticles within their volume enables achieving high light localization, leading to enhanced interaction between light and matter and allowing for the modification of the spectral characteristics of nanostructures. The ability to control the spatial, polarization, and spectral characteristics of optical range emissions is a current challenge in modern photonics.

This capability can contribute to expanding the elemental base and improving the energy efficiency of existing functional elements in optical devices.

Therefore, investigating the influence of integrated plasmonic elements on the optical characteristics and thermal properties of nanostructures is a pertinent task in contemporary physics.

The goal of the thesis is to investigate the influence of plasmonic elements on the thermal conductivity and optical properties of photonic nanostructures, including highly efficient multilayer reflectors, optoacoustic ultrasound generators based on plasmonic structures.

In order to achieve the goal in the framework of the thesis, the following objectives have been established:

Objective 1.

Development of the design for an optoacoustic generator based on Tamm plasmon structures. Selection of materials for the structure. Modeling of thermal and optical properties of the structure, including reflection and transmission spectra, field distribution inside the structure upon illumination with light of the working wavelength, heat generation density during laser absorption, temperature relaxation after absorption of laser pulses of different shapes. Modeling of mechanical vibrations of the structure's surface during the absorption of laser pulses of different frequencies, determination of the operational frequency range, and assessment of the energy efficiency of optoacoustic conversion. (a comparison of the acquired results with previously available data related to the chosen topic)

Objective 2.

Evaluation of the impact of an additional polymer layer on the optical and thermal properties of an optoacoustic generator based on Tamm plasmon structures. Calculation of temperature distribution in the structure during the absorption of a series of laser pulses, modeling of mechanical vibrations of the surface. Analysis of the obtained results to identify the frequency range in which the additional polymer layer positively influences the energy efficiency of optoacoustic conversion.

Objective 3.

Development of a methodology for applying genetic algorithms to the optimization of multilayer nanostructures. Construction of a function that allows comparing two reflectors in terms of their thickness and reflectivity combination. Analysis of the properties of structures obtained through optimization with a genetic algorithm.

Objective 4.

Modeling the influence of plasmonic nanoparticles on the emission spectrum of semiconductor nanostructures.

Research methods. In the process of addressing the stated tasks, the following approaches and methods were employed: analytical models describing the interaction of photon and exciton modes in resonators; a method for constructing emission spectra based on finding correlation functions; the transfer matrix method; finite element methods in the COMSOL Multiphysics software; optimization using genetic algorithms from the PyGad library in the Python language; as well as analytical methods.

Assertions that are presented for defense:

1) Strong localization of the electromagnetic field near the metal boundary. The Bragg reflector in optoacoustic generators based on structures with Tamm plasmon ensures effective conversion of a light pulse into an ultrasonic pulse at an arbitrary wavelength.

2) The efficiency of converting laser radiation into ultrasound at frequencies up to ~50 MHz in optoacoustic generators based on structures with Tamm plasmon can be increased by up to 4 orders of magnitude through the use of an additional layer of organic material with a high coefficient of thermal expansion coated with a metal.

3) There are aperiodic structures of both purely dielectric mirrors and combined metal-dielectric reflectors, which are not inferior to Bragg mirrors in reflectivity, but have a significantly smaller thickness of the dielectric part.

4) Plasmonic nanoparticles on the surface of InGaN semiconductor nanowires lead to modification of luminescence spectra due to changes in the rate of spontaneous emission.

The novelty of research is reflected in the following points:

1) The design of the structure of an optoacoustic generator is proposed and justified, in which, thanks to the use of a structure with a Tamm plasmon, complete absorption of a laser pulse with the required wavelength can be ensured.

2) It has been shown that the use of polymer materials with a high coefficient of thermal expansion as an additional layer of the structure of an optoacoustic converter can increase the efficiency of energy conversion by orders of magnitude in a certain frequency range.

3) An approach has been developed to optimize multilayer photonic structures using genetic algorithms. It is shown that if we take into account even slight absorption in the reflector materials, structures can be found that are superior to classical Bragg mirrors in reflectivity, but thinner.

4) It has been shown that the change in the photoluminescence spectrum of semiconductor nanowires when plasmonic nanoparticles are deposited on their surface can be theoretically described in terms of Fröhlich resonance, and it is possible to take into account the broadening of the spectrum arising due to the heterogeneity of the chemical composition of the nanostructure.

The research object is photonic nanostructures with plasmonic elements.

The research subject is the influence of plasmonic elements on the thermal and optical properties of photonic nanostructures.

Тheoretical and practical significance of the dissertation results lies in the refinement of the mechanisms of interaction between light and matter, contributing to the creation and improvement of various optical, electro-optical, and optoelectronic devices. Optoacoustic ultrasound generators based on structures with Tamm plasmons can find applications in high-precision defect detection and medical diagnostics. The

development of ultrathin multilayer reflectors, including those for vertical-cavity surface-emitting lasers, will make devices more affordable and extend their service life by reducing the operating temperature. Meso- and micro-resonators can be used in the creation of sensors, as well as logical circuits and high-frequency generators based on polaritons.

The accuracy of the obtained results is confirmed by their presentation at both Russian and international conferences, as well as publication in journals indexed in the Russian Higher Attestation Commission, Scopus, and WoS (Web of Science) databases, including journals of the first quartile. All theoretical results were obtained using widely recognized software packages for numerical simulation, taking into account the applicability boundaries.

Approbation of research results. Key research results were presented and discussed at the following conferences: All-Russian Youth Conference on Semiconductor Physics and Nanostructures, Semiconductor Opto- and Nanoelectronics (St. Petersburg, 2018); International School-Conference "Saint-Petersburg OPEN" (St. Petersburg, 2019); Russian Conference on Semiconductor Physics (Novosibirsk, 2019); XII International Scientific and Technical Conference on Quantum Electronics (Minsk, 2019); 28th International Symposium "Nanostructures: Physics and Technology" (Minsk, 2020); All-Russian Scientific Conference with International Participation "Yenisei Photonics 2020" (Krasnoyarsk, 2020); International Symposium "Nanostructures: Physics and Technology" (Minsk, 2020); XII International Scientific and Technical Conference "Micro- and Nanotechnologies in Electronics" (Elbrus, 2021); XVIII Youth Conference with International Participation on Luminescence and Laser Physics (Irkutsk, 2021); XXVI Symposium "Nanophysics and Nanoelectronics" (Nizhny Novgorod, 2022); All-Russian Scientific Conference with International Participation "Yenisei Photonics 2022" (Krasnoyarsk, 2022).

Personal contribution of the author.

The dissertation presents results obtained personally by the author or through

her direct involvement. The author independently developed theoretical models and conducted numerical calculations.

Thesis structure and number of pages.

The dissertation consists of an introduction, four chapters, a conclusion, and a bibliography comprising 170 references. The text of the dissertation is presented over 159 pages, incorporating 27 formulas, 27 figures, and 6 tables.

Publications. Key results of research are described in nine publications. Five of them are published in journals recommended by the Higher Attestation Commission and one is published in a journal indexed by Scopus.

Publications in international journals indexed by Scopus:

1. Proposal for a photoacoustic ultrasonic generator based on Tamm plasmon structures / E.I. Girshova, A.P. Mikitchuk, A.V. Belonovski, K.M. Morozov, K.A. Ivanov, G. Pozina, K.V. Kozadaev, A.Yu. Egorov, M.A. Kaliteevski // Optics Express. — 2020. — Vol. 28, no. 18. — P. 26161—26169.

2. Photoluminescence Redistribution of InGaN Nanowires Induced by Plasmonic Silver Nanoparticles / T. Shugabaev, V.O. Gridchin, S.D. Komarov, D.A. Kirilenko, N.V.Kryzhanovskaya, K.P. Kotlyar, R.R. Reznik, E.I.Girshova, V.V.Nikolaev, M.A.Kaliteevski, G.E. Cirlin// Nanomaterials. — 2023. — Vol. 13, no. 6. — P. 1069.

3. Genetic algorithm for optimizing Bragg and hybrid metal-dielectric reflectors / E.I. Girshova, A.V. Ogurtcov, A.V. Belonovski, K.M. Morozov, M.A.Kaliteevski // Computer Optics. — 2022. — Vol. 46, no. 4. — P. 561—566.

4. Current state of the research on optoacoustic fiber-optic ultrasonic transducers based on thermoelastic effect and fiber-optic interferometric receivers / A.P. Mikitchuk, E.I. Girshova, V.V. Nikolaev // Computer Optics. — 2023. — Vol. 47, no. 4. — P. 503—523.

Publications in journals from the list of the Russian Higher Attestation Commission:

1. Prospects for Using Organic and Metal-Polymer Materials in Optoacoustic Generators of Ultrasound / E.I. Girshova, A.P. Mikitchuk, A.V. Belonovski, K.M. Morozov, M.A.Kaliteevski// Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics. — 2022. — Vol. 86, — P. 833—836.

2. An Optoacoustic Ultrasound Generator Based on a Tamm Plasmon and Organic Active Layer Structure / E.I. Girshova, A.P. Mikitchuk, A.V. Belonovski, K.M. Morozov, K.A. Ivanov // Technical Physics Letters. — 2021. — Vol. 47. — P. 336— 340.

3. Optical and Thermal Properties of a Hybrid Metal-Dielectric Reflector / E.A. Kharitonova, E.I. Girshova, A.V. Belonovski, K.M. Morozov, K.A. Ivanov, O.I. Simchuk // Technical Physics Letters. — 2021. — Vol. 47. — P. 61—64.

4. Hybrid metal polymer based on polymethyl methacrylate with embedded metal nanoparticles as the active medium of an optoacoustic ultrasound generator / E.I. Girshova, E.P. Mikitchuk, A.V. Belonovsky, K.M. Morozov // Physics and technology of semiconductors. — 2022. — Vol. 56, no. 7. — P. 630.

5. Hybrid metal polymer as a potential active medium of an optoacoustic generator / Girshova E.I., Mikitchuk E.P., Belonovsky A.V., Morozov K.M. // Letters to the Journal of Technical Physics -2022. - T. 48. - No. 3. - P. 36-39

Table of Contents

Introduction justifies the relevance of the research conducted in the framework of this dissertation, formulates the goal, sets the tasks, substantiates the scientific novelty, and practical significance of the dissertation work.

In Section 1.1, a historical overview of theoretical and experimental studies in the field of optoacoustics is presented, starting from the early optoacoustic research conducted by the scientific group of L.M. Lyamshev and K.A. Naugolnykh [25, 26] in the 1970s when the Laboratory of Optoacoustics was established at the Acoustic Institute named after academician N.N. Andreev. The laboratory aimed to study the interaction of powerful laser radiation with matter to create hydroacoustic radars, up to the review

of the current state of this scientific field. «Optoacoustic transducers are an attractive alternative to piezoelectric ultrasound generators [17, 18]. The principle of their operation involves heating and cooling the active medium, leading to cyclic expansion and compression, generating acoustic waves in the surrounding medium [27]. The working principle provides several advantages: reliability, compactness, complete galvanic isolation [19], broadband capability [20], the possibility of placing the transducer at the edge of an optical fiber [28], resulting in resistance to adverse environmental conditions and electromagnetic interference. At the same time, modern high-tech applications (e.g., medicine, defect inspection) demand further miniaturization, increased operating frequency bandwidth, and enhanced functional flexibility in ultrasound generation. These objectives can be achieved through the application of plasmonic structures, especially Tamm plasmonic structures [21, 22].» [60]

Initial size Thermal expansion

Fig. 0.1. Schematic diagram of the operation of an optoacoustic ultrasound generator based on Tamm plasmon structures. Laser pulses incident on the structure from the side of the Bragg reflector arc efficiently absorbed by the metallic layer, causing its thermal expansion.

In section 1.2, the proposed structure of the optoacoustic generator based on Tamm plasmon structures is described. Figure 0.1 shows the device operation scheme based on

the cycles of expansion and compression of the material due to heating during the absorption of a laser pulse and subsequent temperature relaxation.

«It is demonstrated that by using Tamm plasmon structures, complete absorption of a laser pulse of a specified wavelength can be achieved. This allows, in particular, the use of powerful and readily available semiconductor lasers for optoacoustic conversion (wavelength 980 nm).» [60] A formula is derived to assess the efficiency of converting electromagnetic energy into mechanical energy: when a layer of material with a coefficient of thermal expansion e absorbs a laser pulse with energy density G, the layer thickness increases by an amount B, determined by the expression.

B = sG/(cp), (0.1)

Where c and p are the specific heat capacity and density of the material, respectively. In the case of harmonic oscillation of the surface with an amplitude of oscillation B and frequency f, the sound intensity J has the following form [18]:

j = Bm^(2nfB)2, (0.2)

Where pm and v are the density and speed of sound for the medium into which the ultrasound is emitted. Thus, the efficiency of converting laser radiation into ultrasonic waves, n, can be estimated as:

V={~ = 2n2pmv (£)2 Gf (0.3)

«From formula 0.3, it is evident that the key parameter determining the efficiency of energy conversion is the ratio e/(cp) for the metal forming the upper layer of the structure. » [60] Characteristics of various metals were analyzed, and magnesium was chosen for further modeling.

In Figure 0.2a, a detailed diagram of the optoacoustic generator structure is shown, consisting of a magnesium film deposited on top of a Bragg reflector. The Bragg reflector comprises 4 pairs of layers of SiO2 and TiO2 with thicknesses of 168 nm and 118 nm, respectively.

d

IN "

Fig. 0.2. (a) Structure diagram of the optoacoustic generator with Tamm plasmon. |C-^) 12 profile established in the Tamm plasmon structure when illuminated with a laser with a wavelength of 980 nm (green line) and the corresponding heating density (red line), (b) Absorption (red) and reflection (blue) spectra of the structure when illuminated from the side of the Bragg rcflcctor.

«The thickness of the TiO2 layer adjacent to the magnesium layer is reduced to 100 nm to shift the Tamm plasmon frequency to the center of the Bragg reflector's forbidden zone and ensure better light localization. The thickness of the magnesium layer is 1000 nm.» [60]

«The spectra of absorption coefficients A(X) and reflection coefficients R(X) for the optoacoustic generator structure with Tamm plasmon are shown in Figure 0.2(b). Reflection and absorption spectra, as well as the spatial distribution of the electromagnetic field in the structure, were obtained by solving Maxwell's equations using the transfer matrix method. It is evident that there is a sharp absorption peak at a wavelength of980 nm, corresponding to the Tamm plasmon resonance, with a maximum value close to unity. The green line in Figure 0.2(a) shows the spatial profile |£(x)|2,, where E(x) is the electric field established within the structure when illuminated with light of a wavelength of 980 nm. It can be observed that the electric field is localized near the interface between the Bragg reflector and the metal. »[60]

(a)

IKK« <N r* rst <N C-1 <N <N

if $ °A° o o o o O

w CO h-

x (nm)

Figure 0.3 depicts the dependencies of the mechanical surface oscillations of the structure when heated by laser pulses of different modulation.

t(ns) t(ns)

Fig. 0.3. Surfacc oscillations of the structure under laser heating: (a) with sinusoidal modulation of laser power I(t) at a frequency of 100 MHz and time-avcraged power density l{t) = 106 W/cm2\ (b) with a scqucncc of sinusoidal pulses with a duration of 10 ns, a repetition frequency of 50 MHz, and time-averaged power density /(t) = 5-105 W/cmL. The green lines show the time dependence of the laser power density l(t).

«Since the sound power emitted by the oscillating surface is proportional to the square of the amplitude of the oscillations, it would be advisable to provide maximum cooling of the structure after the heating pulse, ideally back to the initial level. This can be achieved either by increasing the thermal conductivity of the metal layer or by reducing the repetition frequency.» [60] When comparing Figures 0.3a and 0.3b, it can be observed that reducing the pulse frequency leads to an increase in the amplitude of oscillations and an improvement in energy conversion efficiency.

Section 1.3 is dedicated to the possibility of using polymeric materials in optoacoustic generators with Tamm plasmon to enhance their energy efficiency. «Organic compounds have a higher coefficient of thermal expansion than dielectrics, and among them, polydimethylsiloxane (PDMS) exhibits record-breaking characteristics. This provides high (on the order of 10-3) energy efficiency values for optoacoustic generators based on PDMS with metallic nanoparticles [30]. »[72]

Figure 0.4 depicts the investigated structure.

«The basic structure with Tamm plasmon consists of a distributed Bragg reflector, comprising 9 pairs of alternating layers of silicon oxide (169 nm) and silicon nitride (122 nm), and a metallic layer of thickness 100 nm. In the proposed enhanced scheme, a 100 nm layer of polydimethylsiloxane is deposited on top of gold, and then a 500 nm layer of gold is added to facilitate heat dissipation from the organic layer (additional layers are shown in Figure 0.3 on the right). The total thickness of the basic structure is 2719 nm, while the structures with additional layers have a thickness of 3319 nm.» [71]

The results of the calculation of the energy conversion efficiency dependence in

Figure 0.4. Diagram of the photoacoustic transducer based on the Tamm plasmon structure with an additional layer of polydimethylsiloxane (PDMS). On the left is the basic structure with Tamm plasmon, consisting of a distributed Bragg reflector made of alternating layers of silicon oxide (169 nm) and silicon nitride (122 nm). and a metallic layer with a thickness of 100 nm. On the right, additional layers arc shown: a layer of polydimethylsiloxane (100 nm) and a layer of gold (500 nm). The solid line depicts the distribution of the square of the electric field in the structure when irradiated with a laser at a wavelength of 980 nm.

the structure with the addition of polydimethylsiloxane and without it are presented in Figure 0.5.

1.5

0 10 20 30 40 50 / MHz

Figure 0.5. (a): Energy conversion efficiency in the structure with the addition of 100 nm polydimethylsiloxane (dashed line) and without it (solid line). The dependencies on frequency were calculated under irradiation with sinusoidal pulses of duration 5 ns and energy of 0.5 mJ/cm2 (b): Ratio of conversion efficiencies in the structure with and without the addition of 100 nm polydimethylsiloxane. The dependencies on frequency were calculated under irradiation with sinusoidal pulses of duration 5 ns and energy of 0.5 mJ/cm2. (c): Energy conversion efficiency in the structure with the addition of 100 nm polydimethylsiloxane as a function of frequency under irradiation with sinusoidal pulses of duration 5 ns and energy of 0.5 mJ/cm2.

It can be seen that with an increase in frequency, the feasibility of using polydimethylsiloxane decreases due to its thermal insulating properties, which slow down the temperature relaxation. However, in the frequency range most relevant for medicine and defectoscopy (2-29 MHz), the use of polydimethylsiloxane is still beneficial.

Paragraph 1.4 is dedicated to discussing hybrid materials that could be used in plasmonic optoacoustic generator structures. Since the material of the optoacoustic transducer's active medium must simultaneously satisfy several requirements, finding a single universal substance is extremely difficult. However, it is possible to create a hybrid material that combines the beneficial properties of its components and mitigates

their drawbacks. Currently, hybrid materials have found application in many areas of physics, including photonics.

In the previous paragraph, it was demonstrated that polydimethylsiloxane (PDMS) can be successfully integrated into the design of an optoacoustic generator due to its phenomenally high coefficient of thermal expansion. However, PDMS itself is not capable of efficiently absorbing laser radiation, so a layer of metal or metallic nanoparticles must be used alongside it. For modeling the parameters of a hybrid material that could be used as the active medium of the optoacoustic generator, polydimethylsiloxane with integrated silver nanoparticles was chosen. Modeling of the optical characteristics (refractive index and extinction coefficient) and thermal conductivity of the hybrid material for different concentrations of silver nanoparticles integrated into polydimethylsiloxane was conducted.

The modeling showed that this material has the potential for use as the active medium of the optoacoustic generator at volume concentrations of nanoparticles close to the percolation threshold (30%).

Paragraph 1.5 is dedicated to the selection of materials for the Bragg reflector in the structure of the optoacoustic generator based on Tamm plasmon structures. Recommendations have been developed for selecting material pairs, taking into account their optical contrast at the working wavelength of the laser used and their thermophysical properties. Thermal conductivity values have been calculated for different material pairs that could form the Bragg reflector. It has been demonstrated: «the combination of silicon nitride/silicon is the most promising when using an infrared semiconductor laser with a wavelength of 980 nm, due to the high thermal conductivity of silicon nitride and the high optical contrast of the materials at this wavelength. » [72]

In the chapter conclusion, the main findings are summarized.

Chapter 2, "Optimization of Multilayer Dielectric and Hybrid Reflectors," addresses the optimization of highly efficient reflectors in terms of their thickness and reflectivity.

Paragraph 2.1 provides a literature review of research history regarding the possibility of optimizing layered dielectric structures in terms of combining various characteristics, such as the thinnest reflector with the highest reflection coefficient.

Paragraph 2.2 focuses on studying the thermal and optical characteristics of hybrid metal-dielectric converters and assessing the prospects of applying such mirrors in optoelectronic devices. Through modeling optical and thermal processes occurring in the reflector when laser radiation falls on it, it was demonstrated that a combined reflector consisting of a gold layer and a distributed Bragg reflector, composed of alternating layers, can achieve a high reflection coefficient with low absorption in the metal and a relatively small total thickness of the dielectric reflector.

Paragraph 2.3 is dedicated to the principle of operation of a genetic algorithm and the description of the development of functions allowing the comparison of multilayer structures in terms of their optical and geometrical characteristics. The principles of constructing a function, based on which optimization of a multilayer structure can be performed using genetic algorithms, are described. For algorithmic optimization, it is necessary to quantitatively compare different structures. For this purpose, a certain function is constructed, which does not carry physical meaning but whose mathematical parameters allow comparing layered structures in terms of their thickness and reflectivity. The Loss function is described, which allows optimizing a multilayer mirror in terms of combining reflectivity and thickness:

Loss = • (1 + 10a • (1 - R/), (0.4)

where D is the thickness of the structure, R is its reflection at the desired wavelength, X is the working wavelength, and a and 3 are coefficients that allow controlling the priority of thickness or reflectivity. Changing these coefficients allows controlling how strongly the algorithm will attempt to approximate the reflection coefficient of the structure to 1. The relationship between parameters a and 3 allows regulating the priority towards reducing the thickness of the epitaxial part or increasing the reflectivity. The higher a is, the higher the threshold of the minimum acceptable reflection coefficient.

Figure 0.6 shows the dependencies of the constructed Loss function on the reflection coefficient of the structure at different thicknesses (a) and on the thickness at different reflection coefficients (b). Of course, the reflection coefficient cannot exceed 1 ; the right side of the figure (a) is provided for illustration purposes and does not have practical significance. It can be observed that the function monotonically increases when deviating the reflection coefficient from 1, and it sharply increases with increasing thickness of the structure.

io6

d

S- io4

(0 <n a

102

0.999 1.001

R (a.U.)

2000 -

3

re

in m o

1.00 1 25 1 50 1.75 2.00 2.25 250 275 300

Thickness (nm)

Figure 0.6. The dependence of the Loss function on the reflection coefficient of the structure (a) (a=10, ^=1550 nm, thickness 1000 nm for the black line, thickness 5000 nm for the red line, and 15000 nm for the green line), and on the thickness of the structure (b) (R=0.99995, a=10, ^=1550 nm).

Paragraph 2.4 is dedicated to describing the results of modeling using genetic algorithms and their discussion. It was shown that if the materials of the reflector are considered absolutely transparent, the best structure is the Distributed Bragg Reflector (DBR). However, when considering absorption, even very slight, on the order of 10-3 ,

it turns out that there are structures that are thinner but with a higher reflection coefficient.

Fig.0.7 Comparison of Bragg (a) and optimized (b) silicon-silicon dioxide reflector structures (operating wavelength 1550 nm) by epitaxial layer thickness, with electric field distribution profiles in the structures depicted by green lines. (c) Reflection spectra of these structures, with the blue solid line representing the Bragg reflector and the black dashed line representing the optimized reflector.

On figure 0.6, schematics of multilayer reflectors consisting of pairs of silicon and silicon dioxide layers tuned to a wavelength of 1550 nm are depicted: a Bragg reflector and an optimized reflector, along with the profiles of electric field distribution within these structures. Below are their reflection spectra across a wide range of wavelengths. The optimized sample exhibits high reflectivity over a broad range of wavelengths and is significantly thinner than a classical mirror.

Figure 0.8 shows the absorption and reflection spectra for DBR and the structure optimized by genetic algorithm. It demonstrates that the thickness of the structure can be reduced by tens of percent without compromising its reflective properties.

0.0005

<

o.oooo

1500 1.0000

a

ai

te

0.9&9&

1500

j) (niri)

---&agg - Optimized

(a>

1600

---ftagg - Optimized (t>>

1600

Figure 0.8. The reflection spcctra (a) and absorption spcctra (b) of the classical Bragg rcflcctor structure made of silicon/silicon dioxide layers, tuned to a wavelength of 1550 nm (black), and the rcflcctor optimized by a gcnctic algorithm, consisting of the same materials and tuned to the same wavelength (red). The thickncss of the optimized rcflcctor is 29% less than the thickncss of the Distributed Bragg Rcflcctor (DBR). The blue lines indicate the operating wavelength (1550 nm).

In conclusion of the chapter, the main findings are presented.

Chapter 3 "Influence of Plasmonic Nanoparticles on Radiative Recombination in InGaN Nanowires" is dedicated to a theoretical investigation of the impact of plasmonic nanoparticles on the photoluminescence of InGaN nanowires. Particles of two types were applied to the surface of the nanowires: silver nanoparticles and silver particles in a silicon oxide shell. The photoluminescence spectra of the obtained hybrid structures were examined. It is demonstrated that the deposition of silver nanoparticles on InGaN nanowires leads to a redistribution of photoluminescence at room temperature from areas with 10-13% indium content to regions with 20-23% indium content. A model explaining this effect was developed. The results open pathways for enhancing the

photoluminescence efficiency of regions with higher indium content in InGaN nanowires using plasmonic nanoparticles.

Section 3.1 provides a literature review on the influence of nanoparticles on the optical properties of nanowires.

Paragraph 3.2 describes the experimental study of the photoluminescence of InGaN nanowires. InGaN nanowires were grown on a p-type Si (111) substrate using the MBE Riber Compact 12 system. Before growth, the substrate underwent thermal treatment at 950°C to remove silicon oxide from the growth surface. Then, the substrate temperature was reduced to 655°C. Figure 0.9 shows images of the nanowire samples obtained with a scanning electron microscope.

Hybrid materials were formed by applying nanoparticles to the nanowire samples. Two types of nanoparticles were used: silver and silver in a silicon shell. Nanoparticles were produced using a colloidal solution method in an aqueous environment. A modified Stober method with tetraethoxysilane as the source of silicon atoms was used to create silver nanoparticles in a silicon shell.

Figure 0.9. InGaN nanowires, images obtained using a scanning electron microscope.

Figure 0.10. Arrays of InGaN nanowires with deposited silver nanoparticles (a) and silver particles in a silicon shell (b).

Figure 0.10 displays arrays of InGaN nanowires with deposited silver nanoparticles and silver particles in a silicon shell.

Figure 0.11 displays the photoluminescence spectra of hybrid nanostructures at room temperature compared to the spectra of the original InGaN nanowires.

Wavelength, nm Wavelength, nm

Figure 0.11. Photoluminescence spectra at room temperature for Sample 1 (nanowires with deposited silver nanoparticles) (a) and for Sample 2 (nanowires with deposited silver nanoparticles in silicon shells) (b).

Section 3.3 is dedicated to describing the obtained experimental results and explaining them through a theoretical model. In the case where the nanoparticle radius

is much smaller than the wavelength (r << X), the mechanism of light scattering can be described using the approximation of the Fano resonance (dipole resonance of scattering) [29-32]. The resonant feature in the spectra of spherical metallic nanoparticles will occur near the wavelength where the Fano condition is satisfied:

Re{s(u)} = -2Re[Em(u)} (0.5)

where £ is the dielectric permittivity of the metal, and £m is the dielectric permittivity of the surrounding medium. For a metallic nanoparticle in a dielectric shell, the equation takes the form:

(Re[a2(u)} + 2Re{am(^)})(Re{a1(^)} + 2Re{am(u)}) = -2(ri^/rout)3(Re[a2(M)} -Re{am(^)})(Re{a1(^)} - RefaM}) (0.6)

where £±- is the dielectric permittivity of the metal, s2 is the dielectric permittivity of the shell, rinis the radius of the metallic core, and rout is the radius of the entire nanoparticle. In the considered system, the InGaN structure was not homogeneous. The chemical composition varies inside the nanowire, and particles may be positioned differently concerning the nanowire, which needs to be considered in the model. The surrounding environment of the nanoparticle cannot be considered homogeneous, and equations 0.5 and 0.6 should deal with the effective refractive index distributed in a specific range. The calculated enhancement of photoluminescence with an effective refractive index characterized by an average value of 2.45 and a spread of 0.1 is shown by the blue dashed line in Figure 0.12. There is a good agreement between the experimental dependence and the modeling results.

Figure 0.12. The red lines depict the ratios of experimentally measured photoluminescence spectra of InGaN nanowires with plasmonic nanoparticles and without them. Figures (a) and (b) correspond to cases of silver nanoparticles and silver/silicon core-shell nanoparticles, respectively. The green dashed lines show the theoretically predicted enhancement of photoluminescence spectra by plasmonic nanoparticles surrounded by a homogeneous medium with a refractive index of 2.45. The blue dashed line demonstrates the broadening of calculated spectra of photoluminescence enhancement with a normal spread of the effective refractive index of the surrounding medium in the range (2.4 ± 0.1).

In Section 3.4, brief summaries of the chapter are provided.

In the conclusion, the key outcomes of the study are outlined:

1) Optoacoustic Generator Design: A novel design for an optoacoustic generator structure has been proposed, enabling the complete absorption of laser pulses at a specified wavelength. This innovation allows the utilization of semiconductor lasers with arbitrary wavelengths for optoacoustic generation. Imagine it as a versatile stage that welcomes lasers of varying colors, unlocking possibilities for tailored applications.

2) Enhanced Energy Conversion: The incorporation of polydimethylsiloxane (PDMS) as an additional layer in the optoacoustic transducer structure has been revealed to significantly boost energy conversion efficiency, particularly at frequencies up to 50

MHz. Think of it as upgrading the performance of a musical instrument to hit those high-frequency notes more effectively.

3) Aperiodic Structures: The discovery of aperiodic structures, both purely dielectric mirrors and combined metal-dielectric reflectors, has challenged the dominance of Bragg mirrors in terms of reflectivity. Despite their formidable reflective capabilities, these structures boast substantially reduced epitaxial thickness, resembling a slim yet powerful shield.

4) Plasmonic Nanoparticles Impact on Nanowire Emission Spectrum: The introduction of plasmonic nanoparticles onto the nanowire surface has been identified as a transformative agent altering the emission spectrum. Picture it as adding unique ingredients to a recipe, where the resulting flavor profile is distinctly different yet intriguing.

These findings collectively advance our understanding of diverse phenomena, ranging from optoacoustic generation and energy conversion to the intricate dynamics of mesoresonators and the nuanced impact of plasmonic enhancements on nanowire emissions. The culmination of these insights propels the field forward, opening avenues for innovative applications and technological advancements.

References

1) Inhibited Spontaneous Emission in Solid-State Physics and Electronics / E. Yablonovitch // Physical Review Letters. — 1987. — Vol. 58. — P. 2059.

2) Strong localization of photons in certain disordered dielectric superlattices / S. John // Physical Review Letters. — 1987. — Vol. 58. — P. 2486.

3) Applications: Nanophotonics and Plasmonics. In Nanotechnology Research Directions for Societal Needs in 2020 / E.L. Hu [et al.] // Springer, Dordrecht, The Netherlands. 2008. — P. 318—340.

4) Self-assembled photonic structures / J.F. Galisteo-Lopez [et al.] // Advanced Materials. — 2011. — Vol. 23. — P. 30-69.

5) Modelling and optimisation of single-step laser-based gold nanostructure deposition with tunable optical properties / C.Hughes [et al.] //Optics & Laser Technology. - 2018. - V. 108. - P. 295-305.

6) Nanoplasmonics: The physics behind the applications/ Stockman M. I. //Physics Today. - 2011. - V. 64. - №. 2. - P. 39-44.

7) Kawata S. (ed.). Near-field optics and surface plasmon polaritons. - Springer Science & Business Media, 2001. - T. 81.

8) Zakharko Y. et al. Plasmon-enhanced nonlinear optical properties of SiC nanoparticles //Nanotechnology. - 2013. - T. 24. - №. 5. - C. 055703.

9) Zhou W. et al. Lasing action in strongly coupled plasmonic nanocavity arrays //Nature nanotechnology. - 2013. - T. 8. - №. 7. - C. 506-511.

10) Shao D. B., Chen S. C. Surface-plasmon-assisted nanoscale photolithography by polarized light //Applied physics letters. - 2005. - T. 86. - №. 25.

11) Li F., Josephson D. P., Stein A. Colloidal assembly: the road from particles to colloidal molecules and crystals //Angewandte Chemie International Edition. - 2011. -T. 50. - №. 2. - C. 360-388.

12) Iga K., Koyama F., Kinoshita S. Surface emitting semiconductor lasers //IEEE Journal of Quantum Electronics. - 1988. - T. 24. - №. 9. - C. 1845-1855.

13) Schubert E. F. et al. Resonant cavity light-emitting diode //Applied physics letters. - 1992. - T. 60. - №. 8. - C. 921-923.

14) Lee J. H. Gas sensors using hierarchical and hollow oxide nanostructures: overview //Sensors and Actuators B: Chemical. - 2009. - T. 140. - №. 1. - C. 319336.

15) Garcia-Alvarez R. et al. Optimizing the geometry of photoacoustically active gold nanoparticles for biomedical imaging //ACS photonics. - 2020. - T. 7. - №. 3. -C. 646-652.

16) Baffou G., Quidant R. Thermo-plasmonics: using metallic nanostructures as nano-sources of heat //Laser & Photonics Reviews. - 2013. - T. 7. - №. 2. - C. 171187.

17) Biagi E., Margheri F., Menichelli D. Efficient laser-ultrasound generation by using heavily absorbing films as targets //ieee transactions on ultrasonics, ferroelectrics, and frequency control. - 2001. - T. 48. - №. 6. - C. 1669-1680.

18) Hou Y. et al. Characterization of a broadband all-optical ultrasound transducer-from optical and acoustical properties to imaging //IEEE transactions on ultrasonics, ferroelectrics, and frequency control. - 2008. - T. 55. - №. 8. - C. 1867-1877.

19) Simandoux O. et al. Influence of nanoscale temperature rises on photoacoustic generation: Discrimination between optical absorbers based on thermal nonlinearity at high frequency //Photoacoustics. - 2015. - T. 3. - №. 1. - C. 20-25.

20) Pang G. A. et al. Photoacoustic signal generation in gold nanospheres in aqueous solution: signal generation enhancement and particle diameter effects //The Journal of Physical Chemistry C. - 2016. - Т. 120. - №. 48. - С. 27646-27656.

21) Chen S. L. Review of laser-generated ultrasound transmitters and their applications to all-optical ultrasound transducers and imaging //Applied Sciences. -2016. - Т. 7. - №. 1. - С. 25.

22) Kaliteevski M. A. et al. Experimental demonstration of reduced light absorption by intracavity metallic layers in Tamm plasmon-based microcavity //Plasmonics. -2015. - Т. 10. - С. 281-284.

23) Gubaydullin A. R. et al. Tamm plasmon sub-wavelength structuration for loss reduction and resonance tuning //Applied Physics Letters. - 2017. - Т. 111. - №. 26.

24) Khurgin J. B. How to deal with the loss in plasmonics and metamaterials //Nature nanotechnology. - 2015. - Т. 10. - №. 1. - С. 2-6.

25) Лямшев Л. М. Лазеры в акустике //Успехи физических наук. - 1987. - Т. 151. - №. 3. - С. 479-527.

26) Zharov V. P., Letokhov V. S., Ryabov E. A. Optoacoustic laser spectroscopy of excited vibrational molecular states //Applied physics. - 1977. - Т. 12. - С. 15-17.

27) Prost A., Poisson F., Bossy E. Photoacoustic generation by a gold nanosphere: From linear to nonlinear thermoelastics in the long-pulse illumination regime //Physical Review B. - 2015. - Т. 92. - №. 11. - С. 115450.

28) Kaliteevski M. et al. Tamm plasmon-polaritons: Possible electromagnetic states at the interface of a metal and a dielectric Bragg mirror //Physical Review B. - 2007. -Т. 76. - №. 16. - С. 165415.

29) Loudon R. The quantum theory of light. - OUP Oxford, 2000.

30) Деменев А. А., Гаврилов С. С., Кулаковский В. Д. Стимулированное поляритон-поляритонное рассеяние и динамическая бозе-эйнштейновская конденсация поляритонов в GaAs микрорезонаторах при возбуждении в области экситонного резонанса //Письма в Журнал экспериментальной и теоретической физики. - 2012. - Т. 95. - №. 1. - С. 42-47.

31) Baas A. et al. Optical bistability in semiconductor microcavities //Physical Review A. - 2004. - Т. 69. - №. 2. - С. 023809.

32) Reithmaier J. P. Strong exciton-photon coupling in semiconductor quantum dot systems //Semiconductor Science and Technology. - 2008. - Т. 23. - №. 12. - С. 123001.

33) Laussy F. P., Del Valle E., Tejedor C. Luminescence spectra of quantum dots in microcavities. I. Bosons //Physical Review B. - 2009. - Т. 79. - №. 23. - С. 235325.

34) Savenko I. G., Shelykh I. A., Kaliteevski M. A. Nonlinear terahertz emission in semiconductor microcavities //Physical Review Letters. - 2011. - Т. 107. - №. 2. - С. 027401.

35) Amthor M. et al. Optical bistability in electrically driven polariton condensates //Physical Review B. - 2015. - T. 91. - №. 8. - C. 081404.

36) Kaliteevski M. A. et al. Single and double bosonic stimulation of THz emission in polaritonic systems //Scientific Reports. - 2014. - T. 4. - №. 1. - C. 5444.

37) Fan X., Zheng W., Singh D. J. Light scattering and surface plasmons on small spherical particles //Light: Science & Applications. - 2014. - T. 3. - №. 6. - C. e179-e179.

38) Luk'yanchuk B. S. et al. Peculiarities of light scattering by nanoparticles and nanowires near plasmon resonance frequencies in weakly dissipating materials //Journal of Optics A: Pure and Applied Optics. - 2007. - T. 9. - №. 9. - C. S294.

39) Bohren C. F., Huffman D. R. Absorption and scattering of light by small particles. - John Wiley & Sons, 2008.

40) Ali A., Naqvi Q. A., Baqir M. A. Investigation of the plasmon resonance of core-shell nanoparticle in the near-infrared region //Journal of Electromagnetic Waves and Applications. - 2019. - T. 33. - №. 18. - C. 2462-2475.

Введение

Актуальность темы.

Фотоника - междисциплинарная область науки, претерпевшая за последние несколько десятилетий бурное развитие. В основе принципа работы фотонных устройств лежит контролируемое распространение света, его локализация и взаимодействие с веществом [1-4]. Толчком к активному расширению границ практического применения этих механизмов стало не только совершенствование производственных технологий, но и углубление теоретических представлений в областях оптики, плазмоники и материаловедения, а так же развитие вычислительных техник и алгоритмов, позволяющих в настоящий момент существенно упростить этап моделирования [5-7]. Использование плазмонных наноструктур позволяет локализовывать свет в области пространства много меньшей длины волны, что интенсифицирует взаимодействие света и среды и приводит к ряду интересных эффектов, которые могут найти применение в фотонных устройствах нового поколения [8-11].

Последние достижения в области фотонных наноструктур привели к разработке новых оптоэлектронных устройств, включая вертикально-излучающие лазеры [12], светодиоды с резонансным эффектом [13], сенсоры [14], и фотоакустические преобразователи [15]. Дальнейшие перспективы развития оптоэлектроники связаны с разработкой и использованием новых материалов, в том числе гибридных, позволяющих комбинировать оптические, теплофизические и механически свойства разных веществ, за счёт чего могут быть расширены функционал приборов, спектральные диапазоны их использования, а также повышена их энергоэффективность.

В свете вышесказанного ясно, что развитие современной оптоэлектроники предполагает постоянный поиск новых материалов и дизайнов фотонных структур. Оптимизация оптоэлектронного устройства подразумевает улучшение совокупности его характеристик, таких как: энергоэффективность, простота

изготовления, экономическая доступность, ожидаемый срок службы, спектральный диапазон.

Работа оптоэлектронного прибора не исчерпывается только оптическими характеристиками структуры, любой процесс, проистекающий в реальном устройстве, является многофакторным, то есть не может быть описан со стороны только одной области физики. Так, в процессе взаимодействия света с веществом выделяется тепло. В некоторых ситуациях это негативный эффект, порождающий тепловые шумы, вносящие возмущения в работу прибора или приводящие к его перегреву [16]. В некоторых ситуациях контролированное выделение тепла лежит в основе самого принципа функционирования прибора, например, в оптоакустических генераторах ультразвука. В любом случае, для проектирования и последующей работы оптоэлектронного устройства необходимо понимание происходящих в нём процессов тепловыделения и последующего перераспределения тепла и температурной релаксации, поэтому исследование возможности контроля теплопроводности элементов фотонных наноструктур является важной задачей.

Поскольку разнообразие материалов, топологий структур и их сочетаний, которые могут использоваться в современной фотонике, практически неограниченно, а их выбор должен обеспечивать многофакторную оптимизацию с учётом спектральных оптических характеристик и теплопроводности, на первый план выходит возможность предварительного моделирования предлагаемых структур и материалов. Но даже для моделирования объём возможных комбинаций столь велик, что процесс отбора потенциальных структур и материалов должен происходить с некоторой степенью автоматизации. В этом вопросе на помощь могут прийти современные алгоритмические решения (нейросети, машинное обучение, генетические алгоритмы). Применение более продвинутых и адаптированных к поставленным задачам компьютерных алгоритмов позволит экономить время и ресурсы на этапах как предварительного моделирования, так и изготовления и исследования прототипа прибора. Генетические алгоритмы являются перспективной методикой, позволяющей

быстро проводить многофакторную оптимизацию. В основе генетического алгоритма лежат процессы, аналогичные естественной эволюции, повторяющие ее основные этапы: смена поколений, отбор лучших представителей каждого поколения, кроссинговер, случайные мутации. Генетический алгоритм можно запускать из некоторого исходного сочетания входных параметров или генерировать их случайно. Алгоритм является эвристическим, поэтому не может гарантировать нахождение абсолютного оптимума, но зато отличается очень высокой скоростью и всегда предоставляет решение, не уступающее изначальной комбинации, что делает его очень привлекательным для оптимизации задач, уже имеющих общепринятое решение (например, Брэгговские отражатели как эталон многослойного рефлектора).

Оптоакустические преобразователи, работающие на основе эффекта расширения оптического поглощающего слоя, который нагревается лазерными импульсами [17, 18], находят применение в медицине, дефектоскопии и других высокотехнологичных процессах как альтернатива традиционным пьезоэлектрическим устройствам. Их принцип работы обладает рядом преимуществ, включая надежность, компактность, полную гальваническую развязку [19], широкополосность [20], высокую устойчивость к внешним воздействиям и электромагнитным помехам. Оптоакустические преобразователи обладают высокой чувствительностью и способностью к обнаружению даже мельчайших изменений в окружающей среде. Их использование позволяет расширить возможности медицинских диагностических исследований, обеспечивая более точное и надежное обнаружение патологий и дефектов.

В то же время развитие медицинских и производственных технологий требует дальнейшей миниатюризации, расширения полосы рабочих частот, а также повышения функциональной гибкости генерации ультразвука. Применение плазмонных структур может способствовать достижению указанных целей. Эти структуры обладают уникальными оптическими свойствами, которые могут быть использованы для улучшения эффективности оптоакустических преобразователей. Особенно интересно выглядит перспектива применения таммовских плазмонных структур [21, 22]. Для увеличения энергоэффективности оптоакустического преобразования возможно использование в конструкции оптоакустического преобразователя дополнительных слоёв из органических или гибридных металлополимерных материалов, позволяющих комбинировать оптические, механические и термофизические свойства металлов и полимеров для достижения их оптимальных сочетаний [23, 24].

Использование материалов, содержащих в своём объёме интегрированные плазмонные наночастицы позволяет добиться высокой локализации света, что приводит к усилению взаимодействия света с веществом и позволяет добиваться модификации спектральных характеристик наноструктуры. Способность контролировать пространственные, поляризационные и спектральные характеристики излучения оптического диапазона является актуальной задачей современной фотоники, так как может способствовать расширению элементной базы и повышению энергоэффективности существующих функциональных элементов оптических устройств.

Таким образом, исследование влияния интегрированных плазмонных элементов на оптические характеристики и тепловые свойства наноструктур является актуальной задачей современной физики.

Целью диссертационной работы является исследование влияния плазмонных элементов на теплопроводность и оптические свойства фотонных наноструктур, в том числе высокоэффективных многослойных отражателей, оптоакустических генераторов ультразвука, полупроводниковых нанопроводов.

Для достижения данной цели в рамках диссертации были поставлены и решены следующие задачи:

Задача 1.

Разработка дизайна оптоакустического генератора на базе структур с Таммовским плазмоном. Выбор материалов структуры. Моделирование теплофизических и оптических свойств структуры: спектров отражения и пропускания, распределения поля внутри структуры при падении света рабочей длины волны, плотность тепловыделения при поглощении лазерного излучения, температурная релаксация после поглощения лазерных импульсов разных форм. Моделирование механических колебаний поверхности структуры при поглощении лазерных импульсов разных частот, определение рабочей полосы частот, оценка энергоэффективности оптоакустического преобразования.

Задача 2.

Оценка влияния дополнительного слоя полимера на оптические и теплофизические свойства оптоакустического генератора на базе структур с Таммовским плазмоном. Расчёт распределения температуры в структуре при поглощении серии лазерных импульсов, моделирование механических колебаний поверхности. Анализ полученных результатов с целью выявления полосы частот, в которой дополнительный полимерный слой положительно влияет на энергоэффективность оптоакустического преобразования.

Задача 3.

Построение методики применения генетических алгоритмов к оптимизации многослойных наноструктур. Построение функции, позволяющей сравнивать два отражателя с точки зрения сочетания их толщины и отражательной способности. Анализ свойств структур, полученных с помощью оптимизации генетическим алгоритмом.

Задача 4.

Моделирование влияния плазмонных наночастиц на спектр излучения полупроводниковых наноструктур.

Методы исследования.

В ходе решения поставленных задач использовались следующие методы и подходы: аналитические модели, которые описывают взаимодействие фотонных и экситонных мод в резонаторах, предоставляя теоретическую основу для исследования, метод матриц переноса, который используется для моделирования распространения излучения через оптические системы, позволяя оценить их оптические характеристики, методы конечных элементов, применяемые в программном продукте COMSOL Multiphysics, для численного моделирования и анализа поведения физических систем, генетические алгоритмы оптимизации библиотеки PyGad на языке Python, которые применялись для настройки параметров систем и поиска оптимальных решений, аналитические методы, используемые для проверки результатов численного моделирования и их интерпретации.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Сильная локализация электромагнитного поля вблизи границы металл/Брэгговский отражатель в оптоакустических генераторах на базе структур с Таммовским плазмоном обеспечивает эффективное преобразование светового импульс в ультразвуковой на произвольной длине волны.

2. Эффективность преобразования лазерного излучения в ультразвук на частотах до ~50 МГц в оптоакустических генераторах на базе структур с Таммовским плазмоном может быть увеличена вплоть до 4 порядков за счет использования дополнительного слоя органического материала с высоким коэффициентом температурного расширения, покрытого металлом.

3. Существуют апериодические структуры как чисто диэлектрических зеркал, так и комбинированных металлодиэлектрических отражателей, не

уступающие Брэгговским зеркалам по отражательной способности, но имеющие существенно меньшую толщину диэлектрической части.

4. Плазмонные наночастицы на поверхности полупроводниковых нанопроводов InGaN приводят к модификации спектров люминесценции вследствие изменения скорости спонтанной эмиссии.

Научная новизна диссертации отражена в следующих пунктах:

1. Предложен и обоснован дизайн структуры оптоакустического генератора, в котором благодаря использованию структуры с Таммовским плазмоном может быть обеспечено полное поглощение лазерного импульса с требуемой длиной волны.

2. Показано, что использование полимерных материалов с высоким коэффициентом теплового расширения в качестве дополнительного слоя структуры оптоакустического преобразователя может на порядки повышать эффективность энергопреобразования в некотором диапазоне частот.

3. Разработан подход к оптимизации многослойных фотонных структур с применением генетических алгоритмов. Показано, что если учитывать даже незначительное поглощение в материалах отражателя, могут быть найдены структуры, превосходящие классические Брэгговские зеркала по отражательной способности, но более тонкие.

4. Показано, что изменение спектра фотолюминесценции полупроводниковых нанопроводов при нанесении на их поверхность плазмонных наночастиц может быть теоретически описано в терминах резонанса Фрёлиха, причём возможно учесть уширение спектра, возникающее из-за неоднородности химического состава наноструктуры.

Объектом исследования являются фотонные наноструктуры с

плазмонными элементами.

Предметом исследования является влияние плазмонных элементов на

тепловые и оптические свойства фотонных наноструктур.

Теоретическая и практическая значимость результатов диссертационной' работы состоит в том, что разработка более точного понимания механизмов взаимодействия света с веществом важна для дальнейшего прикладного развития фотоники. Оптоакустические генераторы ультразвука, использующие структуры с Таммовскими плазмонами, представляют собой перспективное направление, которое может найти применение в высокоточной дефектоскопии и медицинской диагностике. Использование таких генераторов позволяет улучшить качество и точность диагностики, что является важным шагом в совершенствовании медицинских технологий. Оптоакустические генераторы ультразвука на базе структур с Таммовскими плазмонами могут найти применение в высокоточной дефектоскопии и медицинской диагностике. Создание ультратонких многослойных отражателей, в том числе для вертикально-излучающих лазеров, позволит сделать приборы более доступными и продлит срок службы за счёт снижения рабочей температуры.

Достоверность

Высокая достоверность результатов подтверждается их представлением на российских и международных конференциях, а также публикацией в научных журналах, включенных в базы цитирования ВАК, Scopus и WoS, в том числе в журналах первого квартиля. Все теоретические выводы основаны на использовании признанных программных пакетов для численного моделирования с соблюдением границ их применимости.

Апробация результатов работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: Всероссийская молодежная конференция по физике полупроводников и наноструктур, полупроводниковой опто- и наноэлектронике (Санкт-Петербург, 2018), Международная школа-конференция «Saint-Petersburg OPEN» (Санкт-Петербург, 2019), Российская конференция по физике полупроводников (Новосибирск, 2019),

XII Международная научно-техническая конференция по квантовой электронике, (Минск, 2019), 28ой Международный Симпозиум "Nanostructures: Physics and Technology" (Минск, 2020), Всероссийская научная конференция с международным участием «Енисейская фотоника 2020» (Красноярск, 2020), Международный симпозиум "Nanostructures: Physics and Technology" (Минск, 2020), XII Международная научно-техническая конференция «Микро- и нанотехнологии в электронике» (пос. Эльбрус, 2021), XVIII Молодежная конференция с международным участием по люминесценции и лазерной физике (Иркутск, 2021), XXVI симпозиум «Нанофизика и наноэлектроника» (Нижний Новгород, 2022), Всероссийская научная конференция с международным участием «Енисейская фотоника 2022» (Красноярск, 2022).

Личный вклад автора.

В диссертации приведены результаты, полученные автором лично или при его активном участии. Автор самостоятельно разрабатывал теоретические модели и проводил численные расчеты, что обеспечивает высокий уровень непосредственной причастности к исследовательскому процессу и достоверности полученных данных.

Структура и объем диссертации.

Диссертация включает введение, четыре главы, заключение, а также полный список литературы, состоящий из 161 наименования. Общий объем текста составляет 159 страниц. В ней содержится 27 формул, которые служат основой для математического описания и анализа исследуемых явлений. Также представлены 27 рисунков, используемых для визуализации результатов исследований, и 6 таблиц, облегчающих систематизацию и представление данных.

ГЛАВА 1. Оптоакустические генераторы на базе структур с Таммовским

плазмоном

Глава посвящена теоретическому исследованию оптоакустических генераторов на базе структур с Таммовским плазмоном и вопросу энергоэффективности этих приборов. Предложена схема генератора ультразвука на основе структуры с Таммовским плазмоном, определён диапазон частот, в котором является оправданным добавление в структуру дополнительного слоя полидиметилсилоксана для увеличения эффективности. Определены критерии выбора материалов Брэгговского отражателя.

1.1. Оптоакустические генераторы ультразвука (литературный обзор)

Современную медицинскую диагностику и дефектоскопию нельзя представить без применения ультразвуковых технологий. В медицине ультразвуковые исследования являются доступным, безопасным, неинвазивным высокоинформативным методом визуализации мягких тканей [25-27]. В дефектоскопии ультразвук является основным методом неразрушающего контроля изделий. К его неоспоримым преимуществам можно отнести: возможность проведения без нанесения урона проверяемому изделию, высокие скорость и точность, безопасность для человека, мобильность дефектоскопа [2831]. Основными проблемами дефектоскопии являются: ограниченная возможность контроля изделий из металлов высокой зернистости и из сплавов разных сталей, необходимость плотного контакта излучателя с поверхностью прибора, сложность контроля мелких деталей [32]. Если первая проблема является фундаментальной для данной методики, то две оставшиеся можно частично решить путём миниатюризации источника ультразвука [33].

В современной медицине ультразвуковая диагностика имеет широкое применение: пренатальная диагностика, исследование мягких тканей с возможностью трёхмерной реконструкции изображений, исследования с

введением контрастных веществ, контроль кровотока, исследования сердца и сосудов. В данный момент большой интерес привлекает развитие приборов, позволяющих производить постоянный контроль кровотока у пациентов в отделениях реанимации (Continuous Wave Doppler) [34, 35]. Кроме уже перечисленных преимуществ ультразвуковой диагностики (доступность, точность, скорость, безопасность для пациента и оператора), необходимо отметить, что важным достоинством метода является возможность непосредственного исследования движущихся структур (ткани сердца, кровоток в сосудах). Диапазон частот, применяемых в ультразвуковой диагностике, составляет 2-30 МГц. Чем выше частота, тем лучше разрешение полученного изображения, но тем меньше проникновение излучения в ткань. Поэтому для исследования структур небольших размеров актуальной является миниатюризация источника ультразвука [36]. Практические аспекты применения ультразвука в высокотехнологичных медицинских манипуляциях с каждым годом расширяются. На сегодняшний день ультразвуковые генераторы используются не только в диагностических и косметических целях, но и в таких высокотехнологичных и ургентных вмешательствах, как генная терапия [37], перенос медикаментов через менингоэнцефалитический барьер [38], виртуальная биопсия новообразований [39]. Новые области применения бросают новые вызовы техническим характеристикам прибора: ширина спектра, мощность, устойчивость к внешним воздействиям должны соответствовать поставленным задачам.

Кроме дефектоскопии и медицинской диагностики ультразвуковые источники активно используются в металлообработке, гомогенизации смесей, очистке и других промышленных операциях. Альтернативой пьезоэлектронике могут стать оптоакустические ультразвуковые генераторы. На данный момент оптоакустические устройства приёма ультразвуковых волн являются уже достаточно развитыми для широкого применения [40], а разработка оптоакустического источника ультразвука с шириной полосы рабочих частот, соответствующей востребованной в медицине и дефектоскопии, и высокой

эффективностью энергопреобразования является на данный момент актуальной теоретической и практической задачей.

Оптоакустические преобразователи представляют собой привлекательную альтернативу для генерации ультразвука, так как они используют эффект расширения оптического поглощающего слоя, который нагревается лазерными импульсами. В таких преобразователях активная среда подвергается нагреву и охлаждению, что приводит к циклическому чередованию расширения и сжатия, порождая акустические волны в окружающей среде. Этот принцип обладает рядом преимуществ, включая надежность, компактность, полную гальваническую развязку, широкополосность и возможность реализации преобразователя на краю оптического волокна. Такие характеристики делают оптоакустические преобразователи менее подверженными неблагоприятным условиям окружающей среды и электромагнитным помехам.

Однако для дальнейшего улучшения функциональности оптоакустических устройств необходимы миниатюризация, широкополосная реализация и повышение их функциональной гибкости. Эти цели могут быть достигнуты с использованием плазмонных структур, в частности, Таммовских плазмонных структур. Таммовский плазмон представляет собой состояние электромагнитного поля, локализованного на границе металла и Брэгговского отражателя. Структуры с Таммовским плазмоном предоставляют возможность инженерии электромагнитных мод и управления поглощением света. В оптоэлектронных устройствах поглощение света металлами может быть нежелательным, однако для оптоакустических генераторов высокая производительность зависит от управляемого поглощения света. Подбор параметров структуры с Таммовским плазмоном позволяет контролировать распределение плотности тепловыделения в структуре при поглощении света, что способствует улучшению функциональности оптоакустических устройств.

Таммовский плазмон имеет несколько дополнительных достоинств в сравнении, к примеру, с поверхностным плазмон-поляритоном: дисперсия

таммовского плазмона лежит внутри светового конуса, это делает возможным возбуждение локализованного состояния без использования призм и решеток. Таммовский плазмон существует в обеих (ТЕ и ТМ) поляризациях, а резонансной частотой моды таммовского плазмона можно управлять, меняя параметры системы.

В последнее время были изучены самые разнообразные структуры с таммовским плазмоном, в том числе системы с аксиальной симметрией [42] и гибридные микрорезонаторы, в которых таммовский плазмон может быть связан с другими локализованными состояниями [43-45].

Рис 1.1 (а) Схема структуры с таммовским плазмоном (Брэгговский отражатель, покрытый слоем металла) и распределение квадрата электрического поля моды. (Ь) Изображение структуры, полученное с помощью сканирующего электронного микроскопа [45].

Отечественная история оптоакустических исследований уходит своими корнями в 1970-е годы двадцатого века с исследованиями научной группы Л. М. Лямшева и К. А. Наугольных [46,47]. В этот период в Акустическом институте имени академика Н. Н. Андреева была создана лаборатория оптоакустики с целью изучения взаимодействия мощного лазерного излучения с веществом с целью создания гидроакустических радаров.

Уже тогда становилось очевидно, что эффективность оптоакустического преобразования зависит от грамотного подбора материалов активной среды генератора. Прежде всего, требовалось обеспечить сильное поглощение лазерного излучения, а также высокий коэффициент теплового расширения активной среды и достаточную температуропроводность для эффективного отвода тепла и

предотвращения перегрева. Эти факторы стали ключевыми при дальнейшем развитии исследований в области оптоакустики.

В первых оптоакустических генераторах в качестве активной среды использовались металлические слои, поскольку они обеспечивали значительный нагрев за счет поглощения лазерных импульсов и быструю температурную релаксацию, что позволяло достигать высоких рабочих частот [17]. Однако, эффективность энергопреобразования была невысокой из-за относительно низких значений коэффициентов температурного расширения.

В медицинской неинвазивной диагностике и промышленной дефектоскопии используются частоты в диапазоне 2-29 МГц. Следовательно, увеличение КПД прибора в этом диапазоне частот является более актуальной задачей, чем расширение самого диапазона. Для повышения эффективности энергопреобразования можно использовать гибридные материалы, сочетающие в себе физические свойства разных материалов. Такие композиты уже успешно применяются в некоторых областях фотоники, таких как светоизлучающие материалы [48,49], солнечные панели [50] и контроль терагерцового излучения

[51].

В качестве активной среды оптоакустического преобразователя могут использоваться различные материалы, такие как металлические пленки [17], металлические наночастицы [52], углеродные нанотрубки [53], органические полимеры [54] и другие соединения. Перспективным материалом считается полидиметилсилоксан [55, 56], однако его использование ограничивается невозможностью обеспечить адекватную температурную релаксацию на высоких частотах. Для улучшения поглощения света к слою полидиметилсилоксана могут добавляться металлические наночастицы или слой металла [57,58]. Устройства с такими активными средами уже успешно реализованы на практике [59].

В реализованных на данный момент на практике схемах оптоакустической генерации длина волны лазера диктуется спектральными характеристиками активной среды (как правило, металл) и чаще всего лежит в зелено-голубой части видимого спектра. Это обстоятельство серьёзно ограничивает возможности

выбора лазерных систем для применения в оптоакустической генерации. Но даже выбор длины волны излучения в соответствии со спектром поглощения материала активной среды не гарантирует полного поглощения лазерного импульса, и на этом этапе происходит значимая часть потерь при энергопреобразовании, сразу снижая энергоэффективность прибора.

Эту проблему можно попытаться решить путём применения структур с Таммовским плазмоном. Оптические характеристики подобных структур определяются их топологией, что позволяет относительно легко добиваться нужных спектральных характеристик, в частности, возможность перенести максимум поглощения структуры в инфракрасную часть спектра. Это видится целесообразным для того, чтобы обеспечить возможность применения некоторых полупроводниковых лазеров. Лазеры на основе GaAs с длиной волны излучения 980 нм сочетают в себе доступность, высокую мощность и возможность прямой временной модуляции интенсивности для частот до нескольких ГГц [60, 61]. Полупроводниковые лазеры, работающие на длине волны 980 нм, могут генерировать среднюю мощность 1 Вт, фокусируясь на пятне размером 10 мкм х 10 мкм, обеспечивая плотность потока до 106 Вт/см2.

Базовая структура с таммовским плазмоном представляет собой совокупность слоя металла и Брэгговского отражателя и интенсивность температурного расширения и сжатия определяется свойствами выбранного металла. Металлы в целом имеют невысокий коэффициент температурного расширения, что не позволяет достичь впечатляющих значений коэффициента эффективности оптоакустического преобразования. Для решения этой проблемы была рассмотрена возможность использования в конструкции оптоакустического преобразователя на базе структур с таммовским плазмоном и дополнительными слоями из органических или гибридных металлополимерных материалов, позволяющих комбинировать оптические, механические и термофизические свойства металлов и полимеров для достижения их оптимальных комбинаций.

1.2. Теоретическое описание принципа работы оптоакустического генератора на основе структур с Таммовским плазмоном.

Исследовательская задача была направлена на разработку новой схемы оптоакустического генератора на основе структуры с Таммовским плазмоном и оптимизацию его характеристик. Предлагаемый дизайн структуры представляет собой металлический слой, совмещённый с распределённым Брэгговским отражателем. Металл нагревается коротким лазерным импульсом, расширяется, затем остывает и сжимается обратно, в результате чего и излучает ультразвуковые волны, как показано на рис. 1.2. Использование структуры с Таммовским плазмоном позволяет контролировать поглощение света в конкретной части структуры и может улучшить производительность оптоакустического генератора ультразвуковых волн.

Initial size Thermal expansion

Рис. 1.2. Принципиальная схема работы оптоакустического генератора ультразвука на базе структур с Таммовским плазмоном. Лазерные импульсы, падающие на структуру со стороны Брэгговского отражателя, эффективно поглощаются металлическим слоем, вызывая его температурное расширение.

Была предложена следующая структура: «Структура состоит из Брэгговского зеркала, покрытого слоем металла. Свет падает со стороны Брэгговского отражателя. Конструкция структуры обеспечивает полное поглощение лазерного излучения на заданной длине волны. Поглощение

модулированного излучения приводит к периодическому во времени нагреву и охлаждению металлического слоя, эти циклы сжатия и расширения и порождают ультразвуковую волну.

Итоговое значение эффективности преобразования лучистой энергии в механическую зависит от многих параметров системы, в частности, от оптических и теплофизических свойств входящих в неё материалов. Были сформулированы основные требования, которые должны быть выполнены при построении активной среды преобразователя:

1) полное поглощение лазерного излучения на заданной длине волны;

2) эффективный нагрев металлического слоя лазерными импульсами;

3) эффективное отведение тепла от металлического слоя во избежание перегрева;

4) максимальная амплитуда и желаемая временная зависимость колебаний поверхности образца.» [60]

Представим, что на слой материала с коэффициентом теплового расширения е падает лазерный импульс с плотностью энергии О. Будем считать, что этот импульс полностью поглощается. В таком случае толщина слоя увеличивается на величину В, определяемую выражением

В = £С/(ср), (1.1)

где с и р — удельная теплоемкость и плотность материала соответственно.

При поглощении последовательности импульсов будут иметь место периодические колебания свободной поверхности активной среды. В случае гармонического колебания поверхности с амплитудой колебаний В и частотой f интенсивность звука I имеет вид [19]:

] = р-^(2пГВ)2, (1.2)

где рт и V — плотность и скорость звука для среды, в которой распространяется излучённый ультразвук. Используя приведённые выше

соотношения, можно сделать оценку эффективности преобразования поглощённой электромагнитной энергии в механическую (п ) :

Анализ формулы 1.3 приближает нас к возможности оправданного выбора материала активной среды: «Из формулы 1.3 ясно, что эффективность энергопреобразования определяется величиной отношения e/(cp) для материала активной среды. В конструкции предлагаемого прибора этим материалом является металл. В таблице 1.1 приведены свойства некоторых металлов и диэлектрических материалов [64-68], которые могут быть использованы для построения оптоакустического генератора ультразвука. Обычно для изготовления оптоакустических излучателей используются такие металлы, как золото, серебро или медь, но, как видно из таблицы 1.1, литий (Li) обладает максимальным значением s/(cp), за ним следуют свинец (Pb) и магний (Mg).» [60] Литий в виду своих общих свойств, токсичности и высокой цены не вполне удобен для использования в производстве. Магний обладает большим коэффициентом температуропроводности, чем литий или свинец. Температуропроводность необходимо учитывать, так как важным этапом в цикле генерации ультразвука является температурная релаксация материала активной среды. Поэтому магний и его сплавы являются наиболее подходящим материалом для металлического слоя в структуре оптоакустического преобразователя. Для материалов, образующих Брэгговский отражатель, были выбраны TiO2 в качестве материала с высоким показателем преломления (имеет высокий коэффициент

температуропроводности), и SiO2 — в качестве материала с низким показателем преломления.

(1.3)

Таблица 1.1. Удельная теплоемкость с, теплопроводность к, плотность р, температуропроводность Д коэффициент теплового расширения, отношение с/ср и температура плавления/термического разложения материалов Г некоторых материалов, которые могут быть использованы для построения конструкции ОАП.

с К Р ср О £ £ ср Т

} И1 кд т3 * 103 } т2 с * 10"6 10~6 1012 * т3 С

кд * К т * К К * т3 * 106 К ]

Аи 128 317 19.3 2.48 127 14.2 5.7 1064

А8 235 235 10.4 2.45 96.15 19.5 7.9 961

А1 897 236 10.3 2.43 97 22 9.4 660

Мё 103 156 1.73 1.78 88 25 15 650

РЬ 130 35.3 11.3 1.45 30 28 19 327

5107 772 1.38 2.2 1.698 0.812 0.5 0.29 1710

тюг 850 12.6 4.26 3.032 4.15 9.19 3.03 1843

АЬОз 850 30 3.99 3.3915 8.84 8.1 2.38 2072

886 26.5 2.81 2.49 10.6 2.55 1.02 1900

1пР 310 68 4.81 1.491 3.72 4.6 3.08 1060

РОМ5 146 0.18 0.965 0.14 0.11 300 2142 210

РУОР 1200 0.2 1.78 2.1 17 130 61.9 150

НОРЕ 540 0.4 0.97 0.523 0.55 200 382 370

На рисунке 1.3а показана подробная схема структуры оптоакустического генератора. Зеркало из магния нанесено на структуру распределённого брэгговского отражателя. Полупроводниковые материалы отражателя -диоксиды кремния и титана. Толщина диоксида кремния 168 нм, диоксида титана - 118 нм. Слой отражателя, контактирующий непосредственно с металлическим зеркалом, немного уменьшен для смещения частоты Таммовского плазмона к центру запрещённой зоны многослойного отражателя. Это способствует локализации света. Ширина слоя металла 1000 нм.

Спектры коэффициентов поглощения Л(Х) и отражения Я(А) структуры ОАП с Таммовским плазмоном, полученные путем решения уравнений Максвелла методом матриц переноса, показаны на рисунке 1.3(б). С помощью того же метода было рассчитано пространственное распределение электромагнитного поля в структуре при освещении лазером длины волны 980 нм. В спектре виден ярко

выраженный пик поглощения на длине волны 980 нм, соответствующей резонансу Таммовского плазмона. Поглощение моделируемой структуры на данной длине волны близко к единице.

Полученный результат можно сравнить с ситуацией, когда свет падает просто на границу раздела магния с однородным материалом: «в таком случае коэффициент отражения на длине волны 980 нм составляет ~0,8. Зеленая линия на рисунке 1.3(а) показывает пространственный профиль |Е(х)|2, где Е(х) — электрическое поле, установившееся внутри структуры при освещении светом с длиной волны 980 нм. Видно, что электрическое поле локализовано вблизи границы раздела Брэгговского отражателя и металла, а глубина проникновения составляет % ~ 15 нм.»[60] Проникновение лазерного излучения в металл и его поглощение приводят к выделению тепла с плотностью ¥(х$), описываемой выражением

¥(х, г) =

А(Л)1(г)а(х,Л)1Е(х)12 $ а(х)1Е(х)12йх

(1.4)

где 1(1} — интенсивность падающего света, а а(х,Х) — коэффициент поглощения света для длины волны X. Профиль ¥(х,1) показан на рисунке 1.3а красной линией. Изменение во времени профиля температуры внутри конструкции можно найти, решив неоднородное уравнение теплопроводности:

< = + (15)

где с — удельная теплоемкость, к — теплопроводность, р — плотность. Иногда удобно использовать уравнение однородной теплопроводности в виде

— = (1.6)

где Э=к/(ср) — коэффициент температуропроводности. Анализ этого соотношения: «Работоспособность оптоакустического преобразователя определяется динамикой распределения температуры, и для количественного понимания процессов температурной релаксации сначала был рассмотрен нагрев конструкции бесконечно коротким лазерным импульсом с плотностью энергии G. Поскольку материалы Брэгговского отражателя, прилегающего к металлу, не поглощают свет, короткий одиночный лазерный импульс целиком поглощается только в слое металла, что приводит к формированию температурного профиля, определяемого произведением а(х, Л)1Е(х)12, показанным на рисунке 1.3а. В последующем моделировании предполагалось, что структура оптоакустического преобразователя ограничена с обеих сторон средой, поддерживающей комнатную температуру. После мгновенного нагрева лазерным импульсом структура начинает охлаждаться.» [60] Есть возможность оценить время, требующееся для выравнивания температурного распределения:

(х2) = Ю г (1.7)

Металлы проводят тепло существенно лучше полупроводниковых материалов Брэгговского отражателя, поэтому можно ожидать, что выравнивание температуры в области металлического зеркала будет происходить заметно

быстрее. Используя формулу 1.7 можно оценить время падения температуры в 2

раза. Можно считать, что это произойдёт за время порядка тг = -, то есть около

3 пс. Временное распределение температуры связано с фундаментальным решением уравнения теплопроводности, гласящим, что

(1.8)

За время порядка т2 = —— происходит равномерное распределение

температуры внутри слоя металла. При толщине металла dм=1 мкм распространение тепла внутри металлического слоя происходит за ~7 нс.

На рисунке 1.4а показана временная эволюция профиля температуры в структуре, полученная численным решением уравнения (1.6), после нагрева мгновенным лазерным импульсом. Неоднородные и однородные уравнения теплопроводности (1.5) и (1.6) решались численно с использованием методов конечных разностей [69].

Начальное распределение профиля температуры повторяет профиль плотности тепловыделения ¥(х). После начала процесса пространственного

перераспределения температуры этот профиль начинает расплываться. Падение АТ в два раза происходит за время порядка 2 пс. Полноценное выравнивание пространственного распределения температуры в металле происходит за 1 нс. За счёт отличия в значениях температуропроводности, тепло распределяется неравномерно между металлом и Брэгговским отражателем, большая его часть отводится через металлическое зеркало. Лишь тонкая прослойка полупроводниковых материалов, не больше 100 нм, демонстрирует существенное увеличение температуры. Рисунок 1.4Ь отображает изменение распределения температуры в структуре с течением времени. Воздействие лазерного импульса с малой синусоидальной амплитудой и продолжительностью 10 нс приводит к этому эффекту. В первые 5 нс наблюдается наибольший рост плотности потока излучения. Температурный профиль достигает максимума на границе между металлом и Брэгговским зеркалом, при этом температура слоев Брэгговского отражателя, прилегающих к металлу, повышается. После окончания нагревательного импульса, через 10 нс, пик температурного распределения смещается в сторону первого слоя Брэгговского отражателя. Температуропроводность материалов Брэгговского отражателя мала; таким образом, накапливающееся в нём тепло будет тормозить температурную релаксацию в структуре.

На рисунке 1.5а показано распределение температуры в структуре при периодическом нагреве синусоидальными лазерными импульсами: «АТ(х^) при периодическом нагреве конструкции лазером с частотой модуляции 100 МГц и средней по времени плотностью потока 1(€) = 106 Вт/см2. Наблюдается периодическая модуляция АТ с пиковым повышением до 80°С вблизи границы металл-Брэгговский отражатель, но амплитуда колебаний температуры для этого случая составляет около 40°С: температура не снижается с ожидаемой скоростью.» [60] Проинтегрировав тепловое расширение по всей толщине структуры, можно получить выражение для амплитуды смещения поверхности:

Ах = $ еАТ(х)(1х (1.9)

(а)

(b)

0.0

0 10 20 30 40 50 t(ns)

0 10 20

30 40 50

t(ns)

AT (К)

0

20

40

60

80

Рис. 1.5. Временное и пространственное распределение повышения температуры ЛТ(хЛ) при периодическом нагреве структуры, изображенной детально на рисунке 3: (а) при модуляции мощности лазера на частоте 100 МГц и средней плотности потока /(£) = 106 Вт/см2; б) с последовательностью синусоидальных импульсов длительностью 10 не с частотой повторения 50 МГц и средней плотностью потока /СО = 5*105 Вт/см2. Зеленые линии показывают временную зависимость плотности лазерного потока 1(1).

Анализ результатов моделирования, представленных на рис. 1.6а: «за смещением поверхности почти на 1 нм в первый период возбуждения следует синусоидальное колебание величиной ~0,5 нм, сопровождающееся постоянным смещением поверхности около 0,8 нм за счет нагревания структуры в целом. Отметим, что для рассмотренных параметров и конструкции, помещенной в водоподобную среду, плотность звукового потока составляет около 2 Вт/см2 в непрерывном режиме.» [60].