Взаимодействие интенсивного лазерного излучения с оптически резонансными кремниевыми наноструктурами тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.05, кандидат наук Макаров, Сергей Владимирович

• Макаров, Сергей Владимирович
• кандидат наук
• 2018

Оглавление диссертации кандидат наук Макаров, Сергей Владимирович

Оглавление

Введение

Глава 1: Анализ литературных данных по исследованию взаимодействия интенсивного лазерного излучения с оптически резонансными диэлектрическими наноструктурами

1.1. Особенности взаимодействия света с резонансными диэлектрическими наноструктурами

1.2. Создание резонансных диэлектрических наноструктур

1.3. Генерация оптических гармоник в резонансных диэлектрических наноструктурах

1.4. Управление оптическими свойствами резонансных наноструктур при помощи света

1.5. Выводы по обзору литературы

ГЛАВА 2: Создание резонансных кремниевых наноструктур методом фемтосекундной лазерной абляции

2.1 Лазерное изготовление кремниевых кристаллических нанорезонаторов из аморфной пленки

2.1.1 Лазерно-индуцированный перенос кремниевых наночастиц

2.1.2. Метод создания кремниевых наночастиц за счет прямой лазерной записи

2.2. Управление кристаллическим состоянием кремниевых наночастиц в процессе лазерной абляции

2.2.1. Эксперимент

2.2.2. Моделирование

2.2.3. Краткие выводы

ГЛАВА 3. Взаимодействие интенсивного непрерывного излучения со сферическими кремниевыми резонансными наночастицами

3.1. Усиление комбинационного рассеяния на оптических резонансах сферических кремниевых наночастиц

3.1.1. Моделирование

3.1.2. Эксперимент

3.1.3. Краткие выводы

3.2. Особенности оптического нагрева резонансных сферических кремниевых наночастиц

3.2.1. Моделирование

3.2.2. Эксперимент

3.2.3. Краткие выводы

Глава 4 Взаимодействие интенсивного импульсного излучения с резонансными кремниевыми наноструктурами в режиме преобразования оптической частоты

4.1. Эффективная генерация второй гармоники в наночастицах кристаллического кремния

4.1.1. Эксперимент

4.1.2. Моделирование

4.1.3. Краткие выводы

4.2. Генерация третьей гармоники от кремниевой метаповерхности, созданной под действием

множества фемтосекундных лазерных импульсов

4.2.1 Детали изготовления образцов

4.2.2. Моделирование процесса формирования метаповерхности

4.2.3. Оптические эксперименты и обсуждение

4.2.4 Краткие выводы

4.3. Генерация широкополосного излучения от наночастиц кремния с золотом

4.3.1. Эксперимент и обсуждение механизмов

4.3.2. Применение полученного эффекта

4.3.3. Краткие выводы

Глава 5. Взаимодействие интенсивного импульсного излучения с резонансными кремниевыми наноструктурами в режиме сверхбыстрой перестройки оптических резонансов

5.1. Самовоздействие лазерных импульсов при взаимодействии с резонансной кремниевой наночастицей

5.1.1. Моделирование

5.1.2. Эксперимент

5.1.3. Краткие выводы

5.2. Временная динамика фотовозбуждения электрон-дырочной плазмы в кремниевой наноантенне

5.2.1. Эксперимент

5.2.2. Моделирование

5.2.3. Краткие выводы

5.3 Динамическая перестройка оптических свойств кремниевой наночастицы с учетом неоднородного внутреннего распределения интенсивности

5.3.1. Моделирование

5.3.2. Краткие выводы

5.4. Выводы по главе 5:

Заключение

Список используемой литературы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Взаимодействие интенсивного лазерного излучения с оптически резонансными кремниевыми наноструктурами»

Введение

Диссертационная работа посвящена одному из наиболее активно развивающихся направлений современной оптики - нанофотонике, которая находит всё больше применений в областях сенсорики, телекоммуникациях, фотовольтаики, биомедицины, фотокатализа, и многих других. В большинстве применений нанофотоники решается задача управления и локализации света на наномасштабе. В рамках данного направления чаще всего использовались металлические наноструктуры, что привело к появлению одного из современных разделов оптики - плазмоники [1]. Однако несколько лет назад было экспериментально и теоретически показано [2,3], что кремниевые наночастицы также могут обладать выраженными резонансами Ми, и, в отличие от металлических наночастиц, обладают гораздо более низкими диссипативными потерями в видимом и инфракрасном диапазонах длин волн. Эти особенности делают кремниевые наночастицы крайне перспективными для задач, связанных с усилением излучения света, а также создания эффективных метаповерхностей на их основе, так как величина нерадиационных потерь является решающим фактором, определяющим эффективность их работы [4-6]. Более того, анализ литературы последних лет показывает нарастающий интерес к новым нелинейно-оптическим и термо-оптическим эффектам, вызванных воздействием интенсивного оптического излучения на объекты данного типа. Также активно исследуются и различные методы создания резонансных кремниевых наноструктур [7,8]. Таким образом, можно сделать вывод, что область исследований оптических свойств резонансных кремниевых наноструктур, их взаимодействия с интенсивным лазерным излучением, а также методов их создания, является новой и актуальной.

Целью работы является экспериментальное и исследование оптических эффектов в резонансных кремниевых наноструктурах подвергающихся интенсивному лазерному воздействию как в импульсном,

так и в непрерывном режимах, а также выявление зависимости эффектов оптического нагрева, генерации оптических гармоник (второй и третьей), фотолюминесценции и генерации электрон-дырочной плазмы от геометрии и структурных свойств наночастиц.

Идея работы заключается в проведении исследований в рамках нового направления оптики - нелинейной диэлектрической нанофотоники. Использование резонансных наноструктур на основе кремния для задач эффективного преобразования частоты излучения, сверхбыстрой модуляции оптического сигнала, эффективного оптического нагрева и нанотермометрии позволит создавать оптические наноустройства для широкого класса задач современной оптики.

Основные положения, выносимые на защиту:

1) Кристаллическое состояние наночастиц кремния, сформированных при лазерной абляции тонкой пленки в воздухе и осажденной на стеклянную подложку, решающим образом зависит от расстояния между пленкой и подложкой, где для значений менее 10 мкм доминирует аморфное состояние, в то время как для больших расстояний наблюдается преобладание поликристаллической структуры.

2) Оптический нагрев сферической частицы кристаллического кремния размером меньше половины длины волны падающего света видимого диапазона максимален при возбуждении магнитного квадрупольного резонанса для случая расположения частицы на стеклянной подложке при фиксированной мощности лазера.

3) Генерация второй оптической гармоники в видимом диапазоне от одиночной резонансной кремниевой частицы субволнового размера с поликристаллической структурой под действием фемтосекундных лазерных импульсов ближнего инфракрасного диапазона происходит с эффективностью преобразования выше 10-6 .

4) Генерация ультрафиолета класса «С» с эффективностью конверсии более 10-6 за счет утроения частоты падающего лазерного импульса ближнего

инфракрасного диапазона происходит при облучении наноструктурированной кремниевой пленки, сформированной под действием тех же лазерных импульсов с плотностью энергии выше порога наноструктурирования.

5) При воздействии фемтосекундных лазерных импульсов ближнего инфракрасного диапазона на резонансную субволновую частицу из кремния происходит фотолюминесценция во всём видимом диапазоне с эффективностью порядка 10-4, обусловленная резонансным многофотонным поглощением. Добавление включений золота в объем кремниевых наночастиц приводит к многократному повышению эффективности фотолюминесценции.

6) При воздействии фемтосекундного лазерного импульса на резонансную кремниевую наночастицу наблюдается модуляция величины рассеянной назад энергии до 20% за счет генерации в ней электронно-дырочной плазмы.

Научная новизна работы состоит в том, что впервые исследованы и описаны следующие эффекты:

- показано, что в процессе формирования оптически резонансных кристаллических наночастиц кремния при помощи метода фемтосекундной лазерной печати из аморфных пленок кремния возможно управлять степенью кристалличности наночастиц за счет изменения расстояния между пленкой и подложкой для осаждения.

- обнаружен высокоэффективный оптический нагрев резонансной кремниевой наночастицы под действием непрерывного лазерного излучения, температуру которой можно измерить при помощи анализа спектра комбинационного рассеяния, получаемого в процессе нагрева наночастицы.

- обнаружено многократное усиление сигнала второй гармоники от кремниевых частиц, возбуждаемых инфракрасными фемтосекундными лазерными импульсами, по сравнению с ровной пленкой, из которой они были получены, за счет возбуждения в наночастицах резонансов как на

длинах волн падающего, так и преобразованного излучения, а также за счет поликристаллической структуры наночастиц.

- продемонстрировано возникновение кремниевой метаповерхности с самоподстраивающимся оптическим резонансом под длину волны создающего ее фемтосекундного лазера за счет эффекта деформации поверхности пленки кремния с положительной обратной связью.

- обнаружена широкополосная (во всем видимом и части ближнего инфракрасного диапазона) фотолюминесценция от наночастиц из кремния и из кремния с золотом под действием инфракрасных фемтосекундных лазерных импульсов.

- обнаружена перестройка оптических резонансов в кремниевой наночастице под действием высокоинтенсивного фемтосекундного лазерного импульса, приводящего к генерации плотной электрон-дырочной плазмы в наночастице.

Практическая значимость полученных результатов заключается в следующем:

- существенно упрощен метод лазерной печати оптически резонансных наночастиц кремния с управляемой степенью кристалличности за счет предложенного использования тонких пленок аморфного кремния вместо ранее используемых кристаллических мишеней.

- предложен упрощенный метод создания кремниевых метаповерхностей, позволяющих генерировать когерентное излучение в ультрафиолетовом диапазоне класса «С» с относительно высокой средней мощностью по сравнению с плазмонными аналогами. Ранее использовались дорогостоящие методы нанолитографии.

- предложенное использование резонансных кремниевых наночастиц существенно ускоряет процедуру нанотермометрии во время их оптического нагрева за счет возможности измерения спектров комбинационного рассеяния, индуцированного греющим лазерным излучением. Ранее для оптического нагрева использовались металлические наночастицы, для

нанотермометрии которых затруднена из-за отсутствия эффективного термочувствительного оптического отклика у металлов.

- использование резонансных кремниевых наночастиц с оптимизированной кристаллической структурой позволяет достичь эффективности генерации второй гармоники на порядки более высокой, чем от металлических наночастиц, без использования более дорогостоящих материалов без центра инверсии в ячейке кристаллической решетки (например, GaAs).

- на основе обнаруженного эффекта широкополосной фотолюминесценции от золото-кремниевых наночастиц создан ближнеполъный оптический микроскоп «белого света», позволяющий проводить характеризацию оптических свойств всевозможных наноструктур в широком диапазоне длин волн единовременно вместо многократного проведения сканирований в более узких спектральных диапазонах, как делалось ранее с использованим стандартных методик.

- на основе обнаруженного эффекта сверхбыстрой перестройки оптических сввойств кремниевой наноантенны экспериментально достигнута модуляция оптического сигнала до двадцати процентов с характерной скоростью несколько пикосекунд, что превышает скорости модуляции сигналов в самых современных электронных транзисторах.

Достоверность полученных результатов обусловлена использованием оборудования, обеспечивающего необходимую чувствительность и точность эксперимента, применением сертифицированного оборудования для исследования, а также согласием полученных экспериментальных результатов с выводами теоретических моделей. Воспроизводимость полученных результатов обеспечена проведением измерений на сериях образцов с близкими ключевыми параметрами, а также сопоставлением полученных результатов с результатами других публикаций.

Апробация работы. Результаты работы неоднократно докладывались соискателем в виде устных докладов на российских и международных конференциях:

"International conference on Nanophotonics, Metamaterials and Photovoltaics" (27.01 - 03.02.2018, Сантьяго Де Куба, Куба); Международная конференция "Fundamental Laser-Assisted Micro- and Nanotechnologies" (27.06-01.07 2016, Санкт-Петербург, Россия); Международная конференция "State-of-the-art Trends of Scientific Research of Artificial and Natural Nanoobjects" (2529.04.2016, Санкт-Петербург, Россия); "The 34th Progress In Electromagnetics Research Symposium" (12-15.08, 2013 2013, Стокгольм, Шведция); "Advanced Laser Technologies ALT'll" (2011, Варна, Болгария); "The International Conference on Coherent and Nonlinear Optics/The Lasers, Applications, and Technologies ICONO/LAT-2013" (2013, Москва, Россия); "Days on Diffraction" (2015, Санкт-Петербург, Россия); "Metamaterials-16" (2016, Крит, Греция); "The 36th Progress In Electromagnetics Research Symposium PIERS'15" (2015, Прага, Чехия); METANANO-16 (2016, Анапа, Россия); "The 38th Progress In Electromagnetics Research Symposium PIERS'17" (2017, Санкт-Петербург, Россия); METANANO-17 (2017, Владивосток, Россия), а также на 13ой Всероссийской конференции "Физико-химические проблемы возобновляемой энергетики" (2017, ФТИ им. Иоффе, Санкт Петербург, Россия).

Результаты, представленные в диссертационной работе, также докладывались автором на научных семинарах Университета ИТМО (многократно), Физического института им. П.Н. Лебедева (многократно), Московского Государственного Университета им. М.В. Ломоносова (2014,

2015), Московского Физико-Технического Института (2016), The University of Texas at Austin (США, 2016), The University of Texas at Dallas (США, 2017), The Univeristy of Virginia (США, 2016), City University of New York (США,

2016), Aalto Univeristy (Финляндия, 2016), City University of Hong-Kong (Китай, 2017), Chalmers University (Швеция, 2017).

Публикации. Представленные в диссертации результаты опубликованы в 33 работах, рекомендуемых ВАК для публикации основных результатов диссертационных работ, в том числе 23 статьях в реферируемых

журналах, 10 публикаций в трудах конференций. Список публикаций автора, относящихся к теме диссертации, приведен в конце автореферата к диссертации. Всего соискатель является автором более 130 работ в международных научных изданиях согласно базе Scopus, более 70 из которых опубликованы в рецензируемых журналах.

Личный вклад автора. Диссертационная работа является результатом многолетней работы автора в области взаимодействия лазерного излучения с веществом и резонансными наноструктурами. Лично автором или при его непосредственном участии было инициированы большинство описанных в диссертации экспериментов, сформулированы цели и задачи исследований, подготовлено большинство экспериментальных образцов, проведены измерения, расчеты и анализ полученных данных, сделаны заключительные выводы, сделан определяющий вклад в написание статей.

Структура и объем диссертации. Диссертация включает введение, пять глав, заключение, списки авторской и цитированной литературы. Диссертация состоит из 222 страницы и 62 рисунка. Библиография цитированной литературы включает 263 наименования.

Благодарности. Автор выражает огромную благодарность своим российским и зарубежным коллегам, соавторам за помощь и поддержку на различных этапах работы (в алфавитном порядке): А.В. Баранов, Д. Баранов, П.А. Белов, Л. Жигилей, А.А. Захидов, Д.А. Зуев, Г.П. Зограф, А.А. Ионин, Ю.С. Кившарь, Ф. Комиссаренко, А.С. Краснок, С.И. Кудряшов, А. Кучмижак, Е.К. Макарова, В.А. Миличко, И.С. Мухин, Д.В. Пермяков, М.И. Петров, А.Н. Поддубный, А.К. Самусев, И. Синев, Д. Смирнова, С.В. Стариков, Е.Ю. Тигунцева, Е. Ушакова, И.Н. Яссиевич, A. Alu, W. Husinsky, W.J. Parak, S. Juodkazis. Работа выполнена при частичной поддержке Министерства Образования и Науки Российской Федерации (Грант 16.8939.2017/8.9).

Глава 1: Анализ литературных данных по исследованию взаимодействия интенсивного лазерного излучения с оптически резонансными диэлектрическими наноструктурами

1.1. Особенности взаимодействия света с резонансными диэлектрическими наноструктурами

Диэлектрическая нанофотоника - новая область современной оптики, изучающая взаимодействие света с резонансными наноструктурами, изготовленными из диэлектрических наночастиц с высоким значением показателя преломления («высокоиндексные», от английского «high-refractive index»). Другим ключевым требованием к материалам диэлектрической нанофотоники является низкие диссипативные потери при взаимодействием со светом виидимого и ближнего ИК диапазонов, так как подразумевается, что диэлектрическая наночастица представляет собой субволновый резонатор, который может поддерживать различные собственные моды. В случае возбуждения в них таких мод, диэлектрические наноструктуры позволяют эффективно управлять характеристиками света на существенно субволновом масштабе. Резонансные свойства диэлектрических наночастиц существенно зависят от их формы, размера и материала [9-11].

Наиболее простым объектом для анализа собственных мод является сферическая наночастица. Задача рассеяния внешней плоской волны на диэлектрической частице сферической формы, рассмотренная впервые Густафом Ми [12], показывает, что в наночастице могут возбуждаться резонансные моды электрического и магнитного типов различных порядков. Ключевым параметром здесь является отношение D/X, где D - диаметр диэлектрической частицы, и X - длина волны падающего излучения, что определяет количество возбуждаемых мод и их тип. Если величина D/X много меньше единицы, то в этом частица не поддерживает резнансные условия взаимодействия со светом и случае рассеяние волны на такой

частице описывается в рамках Релеевского приближения. Данный случай характерен для задач, связанных с взаимодействием суб-100-нм высокоиндексных диэлектрических наночастиц с видимым светом. Однако с увеличением параметра D/X (например, при увеличении диаметра частицы D при фиксированной длине волны X) сначала возбуждается дипольный резонанс магнитного типа. Поле рассеяния частицы в дальней зоне в этом случае соответствует полю излучения магнитного дипольного момента. При дальнейшем увеличении размера частицы, когда начинает выполняться условие D/(X*n), где n - показатель преломления частицы, формируется дипольный электрический резонанс первого порядка. При этом важно, что чем больше показатель преломления частицы, тем меньше может быть частица и тем более выраженными являются данные резонансы, а также тем сильнее они спектрально разделены. При еще больших величинах параметра D/X возбуждаются моды более высоких порядков и с определенного момента чаще употребляют термин «моды шепчющей галереи».

Модовый состав наночастиц напрямую влияет на сечение поглощения Cabs для сферической наночастицы, которое в свою очередь связано с сечениями экстинкции и рассеяния как Cabs = Cext - Csca, где Cext и Csca -сечения экстинкции и рассеяния, соответсвенно [13,14]: На рисунке 1.1.1 показан пример спектра экстинкции, рассчитанный при помощи теории Ми.

Рисунок 1.1.1 - Рассчитанные вклады коэффициентов Ми перового порядка в суммарное сечение (пунктирная линия) рассеяния для сферической наночастицы радиусом R=70 нм и показателем преломления п=4, соответствующие магнитно-дипольной моде (красная линия) и электро-дипольной моде (синяя линия). Вставками показаны диаграммы направленности рассеянной наночастицей мощности в различных спектральных диапазонах. Верхняя вставка: иллюстрация возможного режима демультиплексирования света на одной кремниевой наночастице.

Как правило, в задачах линейного или нелинейного рассеяния на произвольных субволновых объектах мультипольное разложение рассеянного электромагнитного поля позволяет сделать однозначную интерпретацию измеряемых характеристик дальнего поля, таких как эффективность рассеяния и диаграммы направленности рассеяния, поскольку они по существу определяются интерференция доминирующих возбужденных мультипольных мод [13,15-21]. В терминах электрических аЕ и магнитного ам коэффициентов в разложении Ми общая усредненная по времени рассеянная мощность (поток энергии) определяется выражением:

Щ = ^ЁтЕ^й^ + 1)(\аЕ(1,т)\2 + \ам(1,т)\2), (1.1.1)

выявляя вклады каждого мультиполного возбуждения (а именно, диполь при

1/2

I = 1, квадруполь при I = 2, октуполь при I = 3 и т. д.), где к = ю(ер) -

1/2

волновое число в среде, п = (р/е) - импеданс, Е0 - амплитуда электрического поля, I и т - угловой (орбитальный) момент и магнитное квантовое число, соответственно. Уравнение (1.1.1) записывается в единицах СИ при нормировке, принятой в статье [21]. Для описания излучения из произвольных локализованных источников мультипольные коэффициенты аЕ,м могут быть получены либо путем проецирования рассеянного электромагнитного поля на сферическую поверхность, раскладывающее поля рассеивателя на векторные сферические гармоники, либо с использованием объемных интегралов по распределению плотности тока источника. Если аналитическое решение не может быть получено, поля могут быть найдены с использованием численных кодов или коммерческих пакетов моделирования электромагнитных задач.

В предположении, что дальнее поле асимптотически стремиться к расходящейся сферической волне, разложение поля по векторным сферическим гармоникам Х1т(0,ф) позволяет восстановить угловое распределение мощности излучения,

^ = + 1) • Ц1ам(1,ш)Х11т +

£ 1+1аЕ(1,т)г X Хг>т| (1.1.2)

определяемое как мощность, излучаемая в единицу телесного угла О в сферических координатах (0, ф}; в то время как г обозначает единичный радиус-вектор. Рассеянное электрическое дальнее поле также удобно выразить через разложение в декартовых мультипольных вкладах [15] в виде суммы:

еИсг г 1

Езса = еео + Емп + еео+. .. = [[[^ X Р] X Г ] - - [Г X т] -

^[[гх^(г)]хг]+...} (1.1.3)

где £0 - электрическая постоянная, а р, т и О - электрические дипольные (ED), магнитные дипольные (МО) и электрические квадрупольные (EQ) моменты, соответственно. Изменение вкладов мультипольных моментов разного порядка позволяет управлять спектром рассеяния и диаграммой направленности излучения оптических наноантенн [4,22-30]. Наиболее простым примером является, так называемое первое условие Керкера для ортогональных электрических и магнитных диполей, перекрывающихся по частоте, сфазированных и равных по амплитуде, которое приводит к однонаправленному рассеянию даже для от случая одноэлементной наноантенны [31]. В общем случае, интерференция электрического и магнитного моментов, индуцированных в одной частице частице вдоль осей «х» и «у» , соответственно, с выполнением соотношения = ±пшу ,

приводит к тому, что рассеяние на такой частице подавляется либо в обратном, либо в прямом (вдоль оси <«») направлении. В рамках данной концепции направленность рассеяния может быть оптимизирована за счет интерференции возбужденных более высоких порядков электрических и магнитных мультиполей, основанной как подборе соответствующих амплитуд, так и фаз (так называемое обобщенное рассеяние Керкера) [32,33].

1.2. Создание резонансных диэлектрических наноструктур

В качестве основного материала диэлектрической нанофотоники обычно используют кремний из-за его низкой стоимости. Более того, кристаллический кремний обладает достаточно большим значением диэлектрической проницаемости (п > 3 в видимом и ближнем ИК диапазонах), а также его относительно низкого (но существенного при интенсивном воздействии) поглощения на указанных частотах (Рис. 1.2.1 a), что обусловлено низкой вероятностью непрямых межзонных переходов (Рис. 1.2.1Ь).

Рисунок 1.2.1 - (а) Действительная и мнимая части диэлектрической проницаемости монокристаллического кремния [34]. (Ь) Зонная диаграмма кремния [35].

Методы изготовления кремниевых нано- и микроструктур можно классифицировать по степени контролируемости геометрических параметров: размера, формы и положения в пространстве. В настоящее время используют различные подходы: от наименее контролируемого химического синтеза, до умеренно контролируемой лазерной абляции и хорошо контролируемой электронной литографии. Однако, как показывает практика, каждый метод имеет и свои преимущества.

Химические методы синтеза позволяют осуществлять изготовление кремниевых наночастиц в виде коллоидного раствора. Например, было продемонстрировано, что можно получить сферические наночастицы поликристаллического или аморфного кремния различных размеров из реакции разложения Si2H6 на конденсированную фазу кремния и газообразного водорода: Si2H6 ^ Si(тв) + Н2 [36]. Другим примером химического синтеза коллоида кремниевых наночастиц является реакция разложения Si3H8 в гексане, [36]. На рис. 1.2.2а показано, что полученные наночастицы могут быть осаждены на подложку в виде 3Э гексагональной решетки. Также стоит отметить, что данные химические методы являются относительно простыми и позволяют создавать огромное количество

кремниевых частиц, находящихся в жидкости, с дисперсией по размеру до нескольких процентов. Управление размерами наночастиц осуществляется при помощи изменения концентрации реагентов и температуры реакции. Недостатками химического метода являются относительно низкое качество самого материала получаемых частиц и сложность управления расположением отдельных частиц в процессе их изготовления, что важно для создания отдельных оптических наноустройств.

В качестве высокопроизводительного метода создания кремниевых частиц может быть также использован метод распада (в англоязычной литературе - «dewetting») сплошной пленки кремния нанометровой толщины за счет развития в ней неустойчивости при ее нагреве. Данный подход использовался в работе [37], где формирование оптически резонансных кремниевых частиц достигалось в виде формирования массивов квази-упорядоченных и неупорядоченных монокристаллических частиц (рис. 1.2.2Ь) с характерными гранями, ориентированными по направлению кристаллографических плоскостей. Управление геометрическими параметрами при данном методе формирования наночастиц достигается за счет выбора метариала и контроля температуры нагрева подложки, на которую нанесена пленка кремния, а также толщина самой пленки. Для более точного контроля формы и упорядоченности наночастиц варьировалась ориентация кристаллографической оси кристаллической пленки [37]. Недостатком данной методики является всё ещё недостаточно точный контроль геометрических характеристик частиц и их расположения, который может быть улучшен за счет использования дополнительных методов литографии.

Рисунок 1.2.2 - (а) Наночастицы кремния, полученные химическим методом (изображение получено методом сканирующей электронной микроскопии) [36]. (b) Наночастицы кремния, изготовленные методом термического распада тонкой пленки на подложке SiO2 [37].

Более контролируемое расположение кремниевых наночастиц, в процессе их создания достигается с использованием метода лазерной абляции или «лазерной печати» («laser printing» или «laser transfer» в зарубежной литературе). С точки зрения физических процессов, этот метод близок к описанному выше методу распада тонкой пленки, так как формирования наночастиц происходит после сильного нагрева кремния. Основной разницей является локальность оптического нагрева, когда при сильной фокусировке лазерного импульса на поверхности пленки происходит ее локальный нагрев до температур, превышающих температуру плавления и даже кипения материала. Характерный размер области нагрева при этом порядка нескольких микрон. Такой сильный и быстрый (обычно за десятки пикосекунд) нагрев приводит к разлету материала в виде капель субмикронных размеров, поверхностное натяжение которых всегда стремится придать им сферическую форму, а быстрый процесс остывание позволяет им осесть на подложку в твердом состоянии [38]. Дополнительными преимуществами данной методики, помимо возможности

расположения частиц в заданной области, является высокая производительность, и универсальность по отношению к материалам наночастиц. Однако стоит заметить, что использования объемного кремния вместо тонкой пленки, существенно осложняет контроль размеров и возможность достижения режима печати одиночных частиц [2] (рис. 1.2.3а). Обычно объемный образце погружают в жидкость для наработки коллоидов диэлектрических наночастиц [39], что является альтернативой вышеупомянутым методам химического синтеза.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Макаров, Сергей Владимирович, 2018 год

Список используемой литературы

1. Maier S.A. Plasmonics: Fundamentals and Applications. Springer US, 2007.

2. Kuznetsov A.I. et al. Magnetic light // Sci Rep. 2012. Vol. 2. P. 492.

3. Evlyukhin A.B. et al. Demonstration of magnetic dipole resonances of dielectric nanospheres in the visible region // Nano Lett. 2012. Vol. 12, № 7. P. 3749-3755.

4. Staude I. et al. Tailoring Directional Scattering through Magnetic and Electric Resonances in Subwavelength Silicon Nanodisks // ACS Nano. 2013. Vol. 7, № 9. P. 7824-7832.

5. Jahani S., Jacob Z. All-dielectric metamaterials // Nat. Nanotechnol. 2016. Vol. 11, № 1. P. 23-36.

6. Kuznetsov A.I. et al. Optically resonant dielectric nanostructures // Science. 2016. Vol. 354, № 6314. P. aag2472.

7. Zywietz U. et al. Laser printing of silicon nanoparticles with resonant optical electric and magnetic responses // Nat. Commun. 2014. Vol. 5. P. 3402.

8. De Marco M.L. et al. Silicon-based dielectric metamaterials: Focus on the current synthetic challenges // Angew. Chem. 2017.

9. Evlyukhin A.B., Reinhardt C., Chichkov B.N. Multipole light scattering by nonspherical nanoparticles in the discrete dipole approximation // Phys. Rev. B. 2011. Vol. 84, № 23. P. 235429.

10. Evlyukhin A.B. et al. Multipole analysis of light scattering by arbitrary-shaped nanoparticles on a plane surface // JOSA B. 2013. Vol. 30, № 10. P. 25892598.

11. Evlyukhin A.B. et al. Optical spectroscopy of single Si nanocylinders with magnetic and electric resonances // Sci Rep. 2014. Vol. 4. P. 4126.

12. Mie G. Beiträge zur Optik trüber Medien, speziell kolloidaler Metallösungen // Ann. Phys. 1908. Vol. 330, № 3. P. 377-445.

13. Bohren C.F., Huffman D.R. Absorption and scattering of light by small particles. Wiley-VCH, 1998. 544 p.

14. Adams Stratton Julius. Electromagnetic Theory. Mcgraw Hill Book Company, 1941. 648 p.

15. Jackson J.D. Classical electrodynamics. 2d ed. New York Wiley, 1975.

16. Dadap J.I., Shan J., Heinz T.F. Theory of optical second-harmonic generation from a sphere of centrosymmetric material: small-particle limit // JOSA B. 2004. Vol. 21, № 7. P. 1328-1347.

17. Petschulat J. et al. Multipole nonlinearity of metamaterials // Phys. Rev. A. 2009. Vol. 80, № 6. P. 063828.

18. Liu N. et al. Stereometamaterials // Nat. Photonics. 2009. Vol. 3, № 3. P. 157-162.

19. Muhlig S. et al. Multipole analysis of meta-atoms // Metamaterials. 2011. Vol. 5, № 2. P. 64-73.

20. Gonella G., Dai H.-L. Determination of adsorption geometry on spherical particles from nonlinear Mie theory analysis of surface second harmonic generation // Phys. Rev. B. 2011. Vol. 84, № 12. P. 121402.

21. Grahn P., Shevchenko A., Kaivola M. Electromagnetic multipole theory for optical nanomaterials // New J. Phys. 2012. Vol. 14, № 9. P. 093033.

22. Liu W. et al. Broadband unidirectional scattering by magneto-electric core-shell nanoparticles // ACS Nano. 2012. Vol. 6, № 6. P. 5489-5497.

23. Rodrigo S.G., Harutyunyan H., Novotny L. Coherent control of light scattering from nanostructured materials by second-harmonic generation // Phys. Rev. Lett. 2013. Vol. 110, № 17. P. 177405.

24. Fu Y.H. et al. Directional visible light scattering by silicon nanoparticles // Nat. Commun. 2013. Vol. 4. P. 2538.

25. Poutrina E. et al. Forward and backward unidirectional scattering from plasmonic coupled wires // Opt. Express. 2013. Vol. 21, № 25. P. 31138-31154.

26. Krasnok A.E. et al. Superdirective dielectric nanoantenna // Nanoscale. 2014. Vol. 6. P. 7354-7361.

27. Smirnova D.A. et al. Second-harmonic generation by a graphene nanoparticle // Phys. Rev. B. 2014. Vol. 90, № 3. P. 035412.

28. Davidson R. et al. Efficient Forward Second-Harmonic Generation from Planar Archimedean Nanospirals // Nanophotonics. 2015. Vol. 4.

29. Dregely D. et al. Imaging and steering an optical wireless nanoantenna link // Nat. Commun. 2014. Vol. 5. P. 4354.

30. Liberal I. et al. Superbackscattering from single dielectric particles // J. Opt. 2015. Vol. 17, № 7. P. 072001.

31. Kerker M., Wang D.-S., Giles C.L. Electromagnetic scattering by magnetic spheres // JOSA. 1983. Vol. 73, № 6. P. 765-767.

32. Liu W. et al. Ultra-directional forward scattering by individual core-shell nanoparticles // Opt. Express. 2014. Vol. 22, № 13. P. 16178.

33. Hancu I.M. et al. Multipolar Interference for Directed Light Emission // Nano Lett. 2014. Vol. 14, № 1. P. 166-171.

34. Palik E.D. Handbook of optical constants of solids. Orlando: Academic Press, 1985.

35. Yu P.Y., Cardona M. Fundamentals of semiconductors. Springer, Berlin, 2005.

36. Shi L. et al. Monodisperse silicon nanocavities and photonic crystals with magnetic response in the optical region // Nat. Commun. 2013.

37. Abbarchi M. et al. Wafer scale formation of monocrystalline silicon-based mie resonators via silicon-on-insulator dewetting // ACS Nano. 2014. Vol. 8, № 11. P. 11181-11190.

38. Bäuerle D.W. Laser processing and chemistry. Springer Science & Business Media, 2013.

39. Kuzmin P.G. et al. Silicon Nanoparticles Produced by Femtosecond Laser Ablation in Ethanol: Size Control, Structural Characterization, and Optical Properties // J. Phys. Chem. C. 2010. Vol. 114, № 36. P. 15266-15273.

40. Zywietz U. et al. Generation and patterning of Si nanoparticles by femtosecond laser pulses // Appl. Phys. A. 2014. Vol. 114, № 1. P. 45-50.

41. Polubavkina Y.S. et al. Improved emission outcoupling from microdisk laser by Si nanospheres // J. Phys. Conf. Ser. 2016. Vol. 741, № 1. P. 012158.

42. Bogdanov A.A. et al. Mode selection in InAs quantum dot microdisk lasers using focused ion beam technique // Opt. Lett. 2015. Vol. 40, № 17. P. 4022-4025.

43. Moiseev E.I. et al. Light Outcoupling from Quantum Dot-Based Microdisk Laser via Plasmonic Nanoantenna // ACS Photonics. 2017. Vol. 4, № 2. P. 275281.

44. Spinelli P., Verschuuren M.A., Polman A. Broadband omnidirectional antireflection coating based on subwavelength surface Mie resonators // Nat. Commun. 2012. Vol. 3. P. 692.

45. Person S. et al. Demonstration of zero optical backscattering from single nanoparticles // Nano Lett. 2013. Vol. 13, № 4. P. 1806-1809.

46. Shcherbakov M.R. et al. Enhanced third-harmonic generation in silicon nanoparticles driven by magnetic response // Nano Lett. 2014. Vol. 14, № 11. P. 6488-6492.

47. Smirnova D., Kivshar Y.S. Multipolar nonlinear nanophotonics // Optica. 2016. Vol. 3, № 11. P. 1241.

48. Lippitz M., Dijk M.A. van, Orrit M. Third-Harmonic Generation from Single Gold Nanoparticles // Nano Lett. 2005. Vol. 5, № 4. P. 799-802.

49. Novotny L., Hecht B. Principles of Nano-Optics. Cambridge University Press, 2006.

50. Kasperczyk M. et al. Excitation of magnetic dipole transitions at optical frequencies // Phys. Rev. Lett. 2015. Vol. 114, № 16. P. 163903.

51. Reider G.A., Heinz T.F. Chapter 9 - Second-order nonlinear optical effects at surfaces and interfaces: recent advances // Photonic Probes of Surfaces / ed. Halevi P. Amsterdam: Elsevier, 1995. P. 413-478.

52. Wang F.X. et al. Surface and bulk contributions to the second-order nonlinear optical response of a gold film // Phys. Rev. B. 2009. Vol. 80, № 23. P. 233402.

53. Bachelier G. et al. Origin of optical second-harmonic generation in spherical gold nanoparticles: Local surface and nonlocal bulk contributions // Phys. Rev. B. 2010. Vol. 82, № 23. P. 235403.

54. Krause D., Teplin C.W., Rogers C.T. Optical surface second harmonic measurements of isotropic thin-film metals: Gold, silver, copper, aluminum, and tantalum // J. Appl. Phys. 2004. Vol. 96, № 7. P. 3626-3634.

55. Ginzburg P. et al. Nonperturbative Hydrodynamic Model for Multiple Harmonics Generation in Metallic Nanostructures // ACS Photonics. 2015. Vol. 2, № 1. P. 8-13.

56. Krasavin A.V. et al. Nonlocality-driven supercontinuum white light generation in plasmonic nanostructures // Nat. Commun. 2016. Vol. 7. P. 11497.

57. Leuthold J., Koos C., Freude W. Nonlinear silicon photonics // Nat. Photonics. 2010. Vol. 4, № 8. P. 535-544.

58. Carletti L. et al. Enhanced second-harmonic generation from magnetic resonance in AlGaAs nanoantennas // Opt. Express. 2015. Vol. 23, № 20. P. 26544-26550.

59. Cazzanelli M., Schilling J. Second order optical nonlinearity in silicon by symmetry breaking // Appl. Phys. Rev. 2016. Vol. 3, № 1. P. 011104.

60. Hopkins B. et al. Interplay of Magnetic Responses in All-Dielectric Oligomers To Realize Magnetic Fano Resonances // ACS Photonics. 2015. Vol. 2, № 6. P. 724-729.

61. Shorokhov A.S. et al. Multifold Enhancement of Third-Harmonic Generation in Dielectric Nanoparticles Driven by Magnetic {F}ano Resonances // Nano Lett. 2016. Vol. 16. P. 4857-4861.

62. Maier S.A. et al. Plasmonics—a route to nanoscale optical devices // Adv. Mater. 2001. Vol. 13, № 19. P. 1501-1505.

63. Fedotov V.A. et al. Resonant Transparency and Non-Trivial Non-Radiating Excitations in Toroidal Metamaterials // Sci. Rep. 2013. Vol. 3. P. 2967.

64. Miroshnichenko A.E. et al. Nonradiating anapole modes in dielectric nanoparticles // Nat. Commun. 2015. Vol. 6. P. 8069.

65. Prodan E. et al. A Hybridization Model for the Plasmon Response of Complex Nanostructures // Science. 2003. Vol. 302, № 5644. P. 419-422.

66. Luk'yanchuk B. et al. The Fano resonance in plasmonic nanostructures and metamaterials // Nat. Mater. 2010. Vol. 9, № 9. P. 707-715.

67. Bakker R.M. et al. Magnetic and electric hotspots with silicon nanodimers // Nano Lett. 2015. Vol. 15, № 3. P. 2137-2142.

68. Wood R.W. On a Remarkable Case of Uneven Distribution of Light in a Diffraction Grating Spectrum // Proc. Phys. Soc. Lond. 1902. Vol. 18, № 1. P. 269.

69. Hsu C.W. et al. Observation of trapped light within the radiation continuum // Nature. 2013. Vol. 499, № 7457. P. 188-191.

70. Kodigala A. et al. Lasing action from photonic bound states in continuum // Nature. 2017. Vol. 541, № 7636. P. 196-199.

71. Wu P.C. et al. Versatile Polarization Generation with an Aluminum Plasmonic Metasurface // Nano Lett. 2017. Vol. 17, № 1. P. 445-452.

72. Decker Manuel et al. High-Efficiency Dielectric Huygens' Surfaces // Adv. Opt. Mater. 2015. Vol. 3, № 6. P. 813-820.

73. Li Y. et al. On-chip zero-index metamaterials // Nat. Photonics. 2015. Vol. 9, № 11. P. 738-742.

74. Averitt R.D., Westcott S.L., Halas N.J. Ultrafast electron dynamics in gold nanoshells // Phys. Rev. B. 1998. Vol. 58, № 16. P. R10203.

75. Park S. et al. Ultrafast Resonant Dynamics of Surface Plasmons in Gold Nanorods // J. Phys. Chem. C. 2007. Vol. 111, № 1. P. 116-123.

76. Voisin C. et al. Ultrafast Electron Dynamics and Optical Nonlinearities in Metal Nanoparticles // J. Phys. Chem. B. 2001. Vol. 105, № 12. P. 2264-2280.

77. Boyd R.W. Nonlinear optics. Academic press, 2003.

78. Sheik-Bahae M. et al. Sensitive measurement of optical nonlinearities using a single beam // IEEE J. Quantum Electron. 1990. Vol. 26, № 4. P. 760-769.

79. Rauscher C., Laenen R. Analysis of picosecond mid-infrared pulses by two-photon absorption in germanium // J. Appl. Phys. 1997. Vol. 81, № 6. P. 28182821.

80. Van Stryland E.W. et al. Energy band-gap dependence of two-photon absorption // Opt. Lett. 1985. Vol. 10, № 10. P. 490-492.

81. Reitze D.H. et al. Two-photon spectroscopy of silicon using femtosecond pulses at above-gap frequencies // JOSA B. 1990. Vol. 7, № 1. P. 84-89.

82. Dinu M., Quochi F., Garcia H. Third-order nonlinearities in silicon at telecom wavelengths // Appl. Phys. Lett. 2003. Vol. 82, № 18. P. 2954-2956.

83. Friberg S., Smith P. Nonlinear optical glasses for ultrafast optical switches // IEEE J. Quantum Electron. 1987. Vol. 23, № 12. P. 2089-2094.

84. Shcherbakov M.R. et al. Ultrafast all-optical switching with magnetic resonances in nonlinear dielectric nanostructures // Nano Lett. 2015. Vol. 15, № 10. P. 6985-6990.

85. Chen P.-Y., Alu A. Atomically Thin Surface Cloak Using Graphene Monolayers // ACS Nano. 2011. Vol. 5, № 7. P. 5855-5863.

86. Liberal I., Engheta N. Near-zero refractive index photonics // Nat. Photonics. 2017. Vol. 11, № 3. P. 149-158.

87. Caspani L. et al. Enhanced nonlinear refractive index in epsilon-near-zero materials // Phys. Rev. Lett. 2016. Vol. 116, № 23. P. 233901.

88. Guo P. et al. Ultrafast switching of tunable infrared plasmons in indium tin oxide nanorod arrays with large absolute amplitude // Nat. Photonics. 2016.

89. Alam M.Z., De Leon I., Boyd R.W. Large optical nonlinearity of indium tin oxide in its epsilon-near-zero region // Science. 2016. Vol. 352, № 6287. P. 795797.

90. Guo P. et al. Large optical nonlinearity of ITO nanorods for sub-picosecond all-optical modulation of the full-visible spectrum // Nat. Commun. 2016. Vol. 7.

91. Stuart B.C. et al. Nanosecond-to-femtosecond laser-induced breakdown in dielectrics // Phys. Rev. B. 1996. Vol. 53, № 4. P. 1749-1761.

92. Esser A. et al. Ultrafast recombination and trapping in amorphous silicon // Phys. Rev. B. 1990. Vol. 41, № 5. P. 2879-2884.

93. Pacifici D., Lezec H.J., Atwater H.A. All-optical modulation by plasmonic excitation of CdSe quantum dots // Nat. Photonics. 2007. Vol. 1, № 7. P. 402-406.

94. Appavoo K. et al. Ultrafast phase transition via catastrophic phonon collapse driven by plasmonic hot-electron injection // Nano Lett. 2014. Vol. 14, № 3. P. 1127-1133.

95. Large N. et al. Photoconductively loaded plasmonic nanoantenna as building block for ultracompact optical switches // Nano Lett. 2010. Vol. 10, № 5. P. 17411746.

96. Abb M. et al. All-optical control of a single plasmonic nanoantenna-ITO hybrid // Nano Lett. 2011. Vol. 11, № 6. P. 2457-2463.

97. Cocorullo G., Rendina I. Thermo-optical modulation at 1.5 mu m in silicon etalon // Electron. Lett. 1992. Vol. 28, № 1. P. 83-85.

98. Jellison G.E., Burke H.H. The temperature dependence of the refractive index of silicon at elevated temperatures at several laser wavelengths // J. Appl. Phys. 1986. Vol. 60, № 2. P. 841-843.

99. Lewi T. et al. Ultrawide Thermo-Optic Tuning of PbTe Meta-atoms // Nano Lett. 2017. Vol. 17, № 6. P. 3940-3945.

100. Schumacher T. et al. Nanoantenna-enhanced ultrafast nonlinear spectroscopy of a single gold nanoparticle // Nat. Commun. 2011. Vol. 2. P. 333.

101. Zhu X. et al. Temperature-feedback upconversion nanocomposite for accurate photothermal therapy at facile temperature // Nat. Commun. 2016. Vol. 7. P. 10437.

102. Liu J.M. Simple technique for measurements of pulsed Gaussian-beam spot sizes // Opt. Lett. 1982. Vol. 7, № 5. P. 196-198.

103. Papageorgiou D.T. On the breakup of viscous liquid threads // Phys. Fluids. 1995. Vol. 7, № 7. P. 1529-1544.

104. Makarov S.V. et al. Controllable femtosecond laser-induced dewetting for plasmonic applications // Laser Photonics Rev. 2016. Vol. 10, № 1. P. 91-99.

105. Thompson C.V. Solid-state dewetting of thin films // Annu. Rev. Mater. Res. 2012. Vol. 42. P. 399-434.

106. Dmitriev P.A. et al. Laser fabrication of crystalline silicon nanoresonators from an amorphous film for low-loss all-dielectric nanophotonics // Nanoscale. 2016. Vol. 8. P. 5043-5048.

107. Iqbal Z., Veprek S. Raman scattering from hydrogenated microcrystalline and amorphous silicon // J. Phys. C Solid State Phys. 1982. Vol. 15, № 2. P. 377.

108. Perez J. et al. Direct evidence for the amorphous silicon phase in visible photoluminescent porous silicon // Appl. Phys. Lett. 1992. Vol. 61, № 5. P. 563565.

109. Guyot-Sionnest P., Chen W., Shen Y. General considerations on optical second-harmonic generation from surfaces and interfaces // Phys. Rev. B. 1986. Vol. 33, № 12. P. 8254.

110. Guyot-Sionnest P., Shen Y. Bulk contribution in surface second-harmonic generation // Phys. Rev. B. 1988. Vol. 38, № 12. P. 7985.

111. Mochan W.L. et al. Second-harmonic generation in arrays of spherical particles // Phys. Rev. B. 2003. Vol. 68, № 8. P. 85318.

112. Wiecha P.R. et al. Origin of second-harmonic generation from individual silicon nanowires // Phys. Rev. B. 2016. Vol. 93, № 12. P. 125421.

113. Wiecha P.R. et al. Enhanced nonlinear optical response from individual silicon nanowires // Phys. Rev. B. 2015. Vol. 91, № 12. P. 121416.

114. Pohl R. et al. Ejection regimes in picosecond laser-induced forward transfer of metals // Phys. Rev. Appl. 2015. Vol. 3, № 2. P. 024001.

115. Kuznetsov A.I. et al. Laser-induced jet formation and droplet ejection from thin metal films // Appl. Phys. A. 2012. Vol. 106, № 3. P. 479-487.

116. Unger C. et al. Time-resolved studies of femtosecond-laser induced melt dynamics // Opt. Express. 2012. Vol. 20, № 22. P. 24864-24872.

117. Röder T.C., Köhler J.R. Physical model for the laser induced forward transfer process // Appl. Phys. Lett. 2012. Vol. 100, № 7. P. 071603.

118. Ivanov D. et al. Short laser pulse nanostructuring of metals: direct comparison of molecular dynamics modeling and experiment // Appl. Phys. A. 2013. Vol. 111, № 3. P. 675-687.

119. Starikov S. et al. Atomistic simulation of Si-Au melt crystallization with novel interatomic potential // Comput. Mater. Sci. 2018. Vol. 142. P. 303-311.

120. Milichko V.A. et al. Metal-dielectric nanocavity for real-time tracing molecular events with temperature feedback // Laser Photonics Rev. 2018. Vol. 12, № 1. P. 1700227.

121. Naffouti M. et al. Complex dewetting scenarios of ultrathin silicon films for large-scale nanoarchitectures // Sci. Adv. 2017. Vol. 3, № 11. P. eaao1472.

122. Xiang B. et al. In situ TEM near-field optical probing of nanoscale silicon crystallization // Nano Lett. 2012. Vol. 12, № 5. P. 2524-9.

123. Yoo J.H. et al. Directed dewetting of amorphous silicon film by a donut-shaped laser pulse // Nanotechnology. 2015. Vol. 26, № 16.

124. Spillane S.M., Kippenberg T.J., Vahala K.J. Ultralow-threshold Raman laser using a spherical dielectric microcavity // Nature. 2002. Vol. 415, № 6872. P. 621623.

125. Liu F.M. et al. Enhanced-Raman scattering from silicon nanoparticle substrates // Chem. Phys. Lett. 2003. Vol. 382, № 5. P. 502-507.

126. Rong H. et al. An all-silicon Raman laser // Nature. 2005. Vol. 433, № 7023. P. 292-294.

127. Murphy D.V., Brueck S.R.J. Enhanced Raman scattering from silicon microstructures // Opt. Lett. 1983. Vol. 8, № 9. P. 494-496.

128. Albella P. et al. Electric and Magnetic Field Enhancement with Ultralow Heat Radiation Dielectric Nanoantennas: Considerations for Surface-Enhanced Spectroscopies // ACS Photonics. 2014. Vol. 1, № 6. P. 524-529.

129. Albella P. et al. Low-Loss Electric and Magnetic Field-Enhanced Spectroscopy with Subwavelength Silicon Dimers // J Phys Chem C. 2013. Vol. 117, № 26. P. 13573-13584.

130. Caldarola M. et al. Non-plasmonic nanoantennas for surface enhanced spectroscopies with ultra-low heat conversion // Nat. Commun. 2015. Vol. 6. P. 7915.

131. Huang Z. et al. Strong-Field-Enhanced Spectroscopy in Silicon Nanoparticle Electric and Magnetic Dipole Resonance near a Metal Surface // J Phys Chem C. 2015. Vol. 119, № 50. P. 28127-28135.

132. Proust J. et al. All-Dielectric Colored Metasurfaces with Silicon Mie Resonators // ACS Nano. 2016. Vol. 10, № 8. P. 7761-7767.

133. Dmitriev P. et al. Resonant Raman scattering from silicon nanoparticles enhanced by magnetic response // Nanoscale. 2016. Vol. 8. P. 9721-9726.

134. Mukherjee S. et al. Phonon Engineering in Isotopically Disordered Silicon Nanowires // Nano Lett. 2015. Vol. 15, № 6. P. 3885-3893.

135. Balkanski M., Wallis R., Haro E. Anharmonic effects in light scattering due to optical phonons in silicon // Phys. Rev. B. 1983. Vol. 28, № 4. P. 1928.

136. Govorov A.O., Richardson H.H. Generating heat with metal nanoparticles // Nano Today. 2007. Vol. 2, № 1. P. 30-38.

137. Baffou G., Quidant R., Garcia de Abajo F.J. Nanoscale Control of Optical Heating in Complex Plasmonic Systems // ACS Nano. 2010. Vol. 4, № 2. P. 709716.

138. Baffou G., Quidant R. Thermo-plasmonics : using metallic nanostructures as nano-sources of heat. 2012. Vol. 17. P. 1-17.

139. Permyakov D. et al. Probing magnetic and electric optical responses of silicon nanoparticles // Appl. Phys. Lett. 2015. Vol. 106, № 17. P. 171110.

140. Brites C.D.S. et al. Thermometry at the nanoscale // Nanoscale. 2012. Vol. 4. P. 4799-4829.

141. Reed G.T. et al. Silicon optical modulators // Nat. Photonics. 2010. Vol. 4, № 8. P. 518-526.

142. Dreaden E.C. et al. The golden age: gold nanoparticles for biomedicine // Chem. Soc. Rev. 2012. Vol. 41, № 7. P. 2740-2779.

143. Hirsch L.R. et al. Nanoshell-mediated near-infrared thermal therapy of tumors under magnetic resonance guidance // Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2003. Vol. 100, № 23. P. 13549-13554.

144. Lim W.Q., Gao Z. Plasmonic nanoparticles in biomedicine // Nano Today. 2016. Vol. 11, № 2. P. 168-188.

145. Linic S. et al. Photochemical transformations on plasmonic metal nanoparticles // Nat. Mater. 2015. Vol. 14, № 6. P. 567-576.

146. Adleman J.R. et al. Heterogenous catalysis mediated by plasmon heating // Nano Lett. 2009. Vol. 9, № 12. P. 4417-4423.

147. Christopher P., Xin H., Linic S. Visible-light-enhanced catalytic oxidation reactions on plasmonic silver nanostructures // Nat. Chem. 2011. Vol. 3, № 6. P. 467-472.

148. Urban A.S. et al. Single-Step Injection of Gold Nanoparticles through Phospholipid Membranes // ACS Nano. 2011. Vol. 5, № 5. P. 3585-3590.

149. Boyer D. et al. Photothermal Imaging of Nanometer-Sized Metal Particles Among Scatterers // Science. 2002. Vol. 297, № 5584. P. 1160-1163.

150. Donner J.S. et al. Plasmon-Assisted Optofluidics // ACS Nano. 2011. Vol. 5, № 7. P. 5457-5462.

151. Zijlstra P., Paulo P.M.R., Orrit M. Optical detection of single non-absorbing molecules using the surface plasmon resonance of a gold nanorod // Nat. Nanotechnol. 2012. Vol. 7, № 6. P. 379-382.

152. Wang S., Westcott S., Chen W. Nanoparticle Luminescence Thermometry // J. Phys. Chem. B. 2002. Vol. 106, № 43. P. 11203-11209.

153. Cognet L. et al. Single metallic nanoparticle imaging for protein detection in cells // Proc. Natl. Acad. Sci. 2003. Vol. 100, № 20. P. 11350-11355.

154. Baffou G. et al. Thermal Imaging of Nanostructures by Quantitative Optical Phase Analysis // ACS Nano. 2012. Vol. 6, № 3. P. 2452-2458.

155. Zhang Y. et al. Three-dimensional nanostructures as highly efficient generators of second harmonic light // Nano Lett. 2011. Vol. 11, № 12. P. 55195523.

156. Downer M. et al. Optical second harmonic spectroscopy of silicon surfaces, interfaces and nanocrystals // Phys. Status Solidi A. 2001. Vol. 188, № 4. P. 13711381.

157. Dolgova T.V. et al. Giant microcavity enhancement of second-harmonic generation in all-silicon photonic crystals // Appl. Phys. Lett. 2002. Vol. 81, № 15. P. 2725-2727.

158. Kulyuk L.L. et al. Second-harmonic generation by an SiO2-Si interface: influence of the oxide layer // JOSA B. 1991. Vol. 8, № 8. P. 1766.

159. Atwater H.A., Polman A. Plasmonics for improved photovoltaic devices // Nat. Mater. 2010. Vol. 9, № 3. P. 205-213.

160. Friedberg E.C. DNA damage and repair // Nature. 2003. Vol. 421, № 6921. P. 436-440.

161. Lakowicz J.R. Principles of fluorescence spectroscopy. Springer Science & Business Media, 2013.

162. Andres J. et al. A New Anti-Counterfeiting Feature Relying on Invisible Luminescent Full Color Images Printed with Lanthanide-Based Inks // Adv. Funct. Mater. 2014. Vol. 24, № 32. P. 5029-5036.

163. Panikkanvalappil S.R., Hira S.M., El-Sayed M.A. Elucidation of ultraviolet radiation-induced cell responses and intracellular biomolecular dynamics in mammalian cells using surface-enhanced Raman spectroscopy // Chem. Sci. 2016. Vol. 7. P. 1133-1141.

164. Minovich A.E. et al. Functional and nonlinear optical metasurfaces // Laser Photonics Rev. 2015. Vol. 9, № 2. P. 195-213.

165. Kauranen M., Zayats A.V. Nonlinear plasmonics // Nat. Photonics. 2012. Vol. 6, № 11. P. 737-748.

166. Schwab P.M. et al. Linear and nonlinear optical characterization of aluminum nanoantennas // Nano Lett. 2013. Vol. 13, № 4. P. 1535-1540.

167. Aouani H. et al. Third-harmonic-upconversion enhancement from a single semiconductor nanoparticle coupled to a plasmonic antenna // Nat. Nanotechnol. 2014. Vol. 9, № 4. P. 290-294.

168. Mesch M. et al. Nonlinear Plasmonic Sensing // Nano Lett. 2016. Vol. doi: 10.10.

169. Makarov S. et al. Tuning of Magnetic Optical Response in a Dielectric Nanoparticle by Ultrafast Photoexcitation of Dense Electron-Hole Plasma // Nano Lett. 2015. Vol. 15, № 9.

170. Yang Y. et al. Nonlinear Fano-resonant dielectric metasurfaces // Nano Lett. 2015. Vol. 15, № 11. P. 7388-7393.

171. Lewi T. et al. Widely tunable infrared antennas using free carrier refraction // Nano Lett. 2015. Vol. 15, № 12. P. 8188-8193.

172. Baranov D.G. et al. Nonlinear Transient Dynamics of Photoexcited Resonant Silicon Nanostructures // ACS Photonics. 2016. Vol. 3, № 9.

173. Corcoran B. et al. Green light emission in silicon through slow-light enhanced third-harmonic generation in photonic-crystal waveguides // Nat. Photonics. 2009. Vol. 3, № 4. P. 206-210.

174. Melentiev P.N. et al. Split Hole Resonator: A nanoscale UV light source // Nano Lett. 2016. Vol. doi: 10.10.

175. Shi L. et al. A New Dielectric Metamaterial Building Block with a Strong Magnetic Response in the Sub-1.5-Micrometer Region: Silicon Colloid Nanocavities // Adv. Mater. 2012. Vol. 24, № 44. P. 5934-5938.

176. Moitra P. et al. Large-scale all-dielectric metamaterial perfect reflectors // ACS Photonics. 2015. Vol. 2, № 6. P. 692-698.

177. Sipe J.E. et al. Laser-induced periodic surface structure. I. Theory // Phys. Rev. B. 1983. Vol. 27, № 2. P. 1141.

178. Bonse J., Rosenfeld A., Krüger J. On the role of surface plasmon polaritons in the formation of laser-induced periodic surface structures upon irradiation of silicon by femtosecond-laser pulses // J. Appl. Phys. 2009. Vol. 106, № 10. P. 104910.

179. Huang M. et al. Origin of laser-induced near-subwavelength ripples: interference between surface plasmons and incident laser // Acs Nano. 2009. Vol. 3, № 12. P. 4062-4070.

180. Raether H. Surface plasmons on smooth surfaces. 1988.

181. Reinhold J. et al. Contribution of the magnetic resonance to the third harmonic generation from a fishnet metamaterial // Phys Rev B. 2012. Vol. 86. P. 115401.

182. Petrov G.I. et al. Efficient third-harmonic generation in a thin nanocrystalline film of ZnO // Appl. Phys. Lett. 2003. Vol. 83, № 19. P. 39933995.

183. Liu S. et al. Resonantly Enhanced Second-Harmonic Generation Using III-V Semiconductor All-Dielectric Metasurfaces // Nano Lett. 2016. Vol. 16, № 9. P. 5426-5432.

184. Makarov S.V. et al. Self-adjusted all-dielectric metasurfaces for deep ultraviolet femtosecond pulse generation // Nanoscale. 2016. Vol. 8, № 41. P. 17809-17814.

185. Lu F., Jin M., Belkin M.A. Tip-enhanced infrared nanospectroscopy via molecular expansion force detection // Nat. Photonics. 2014. Vol. 8, № 4. P. 307312.

186. Hoogenboom J.P. et al. The single molecule probe: nanoscale vectorial mapping of photonic mode density in a metal nanocavity // Nano Lett. 2009. Vol. 9, № 3. P. 1189-1195.

187. Bechtel H.A. et al. Ultrabroadband infrared nanospectroscopic imaging // Proc. Natl. Acad. Sci. 2014. Vol. 111, № 20. P. 7191-7196.

188. Zhou B. et al. Controlling upconversion nanocrystals for emerging applications // Nat. Nanotechnol. 2015. Vol. 10, № 11. P. 924-936.

189. Wegh R.T. et al. Quantum cutting through downconversion in rare-earth compounds // J. Lumin. 2000. Vol. 87. P. 1017-1019.

190. Fernández-Suárez M., Ting A.Y. Fluorescent probes for super-resolution imaging in living cells // Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 2008. Vol. 9, № 12. P. 929-943.

191. Efros A.L., Nesbitt D.J. Origin and control of blinking in quantum dots // Nat. Nanotechnol. 2016. Vol. 11, № 8. P. 661-671.

192. Jang E. et al. White-Light-Emitting Diodes with Quantum Dot Color Converters for Display Backlights // Adv. Mater. 2010. Vol. 22, № 28. P. 30763080.

193. Norris D.J., Efros A.L., Erwin S.C. Doped nanocrystals // Science. 2008. Vol. 319, № 5871. P. 1776-1779.

194. Lim S.Y., Shen W., Gao Z. Carbon quantum dots and their applications // Chem. Soc. Rev. 2015. Vol. 44, № 1. P. 362-381.

195. van Dijken A., Makkinje J., Meijerink A. The influence of particle size on the luminescence quantum efficiency of nanocrystalline ZnO particles // J. Lumin. 2001. Vol. 92, № 4. P. 323-328.

196. Das S. et al. Efficient White-Light Generation from Ionically Self-Assembled Triply-Fluorescent Organic Nanoparticles // Chem. - Eur. J. 2016.

197. Sutherland B.R., Sargent E.H. Perovskite photonic sources // Nat. Photonics. 2016. Vol. 10, № 5. P. 295-302.

198. Lee J. et al. Deep blue phosphorescent organic light-emitting diodes with very high brightness and efficiency // Nat. Mater. 2015.

199. Shakirova J.R. et al. Polynuclear cage-like Au(i) phosphane complexes based on a S2- template: observation of multiple luminescence in coordinated polyaromatic systems // Dalton Trans. Camb. Engl. 2003. 2017. Vol. 46, № 8. P. 2516-2523.

200. Sun L. et al. Bright infrared quantum-dot light-emitting diodes through inter-dot spacing control // Nat. Nanotechnol. 2012. Vol. 7, № 6. P. 369-373.

201. Medintz I.L. et al. Quantum dot bioconjugates for imaging, labelling and sensing // Nat. Mater. 2005. Vol. 4, № 6. P. 435-446.

202. Gargas D.J. et al. High quantum efficiency of band-edge emission from ZnO nanowires // Nano Lett. 2011. Vol. 11, № 9. P. 3792-3796.

203. Yoo J. et al. Excitonic origin of enhanced luminescence quantum efficiency in MgZnO/ZnO coaxial nanowire heterostructures // Appl. Phys. Lett. 2012. Vol. 100, № 22. P. 223103.

204. Li J., Wang D., LaPierre R.R. Advances in III-V semiconductor nanowires and nanodevices. Bentham Science Publishers, 2011.

205. Xiang J. et al. Hot-Electron Intraband Luminescence from GaAs Nanospheres Mediated by Magnetic Dipole Resonances // Nano Lett. 2017. Vol. 17, № 8. P. 4853-4859.

206. Wilson W.L., Szajowski P.F., Brus L.E. Quantum confinement in size-selected, surface-oxidized silicon nanocrystals // Science. 1993. Vol. 262. P. 1242.

207. Brus L. Luminescence of silicon materials: chains, sheets, nanocrystals, nanowires, microcrystals, and porous silicon // J. Phys. Chem. 1994. Vol. 98, № 14. P. 3575-3581.

208. Mishra M.K., Kundu S., De G. Stable fluorescent CdS: Cu QDs and their hybridization with carbon polymer dots for white light emission // J. Mater. Chem. C. 2016. Vol. 4, № 8. P. 1665-1674.

209. De Boer W. et al. Red spectral shift and enhanced quantum efficiency in phonon-free photoluminescence from silicon nanocrystals // Nat. Nanotechnol.

2010. Vol. 5, № 12. P. 878-884.

210. Cho C. et al. Silicon coupled with plasmon nanocavities generates bright visible hot luminescence. 2013. Vol. 7, № March. P. 285-289.

211. Dohnalova K. et al. Surface brightens up Si quantum dots: direct bandgap-like size-tunable emission // Light Sci. Appl. 2013. Vol. 2, № 1. P. e47.

212. Sederberg S., Elezzabi A.Y. Ponderomotive Electron Acceleration in a Silicon-Based Nanoplasmonic Waveguide // Phys. Rev. Lett. 2014. Vol. 113, № 16. P. 167401.

213. Izgaliev A.T. et al. Intermediate phase upon alloying Au-Ag nanoparticles under laser exposure of the mixture of individual colloids // Chem. Phys. Lett.

2004. Vol. 390, № 4. P. 467-471.

214. Street R.A. Hydrogenated Amorphous Silicon. Cambridge University Press,

2005.

215. Knight M.W. et al. Photodetection with active optical antennas // Science.

2011. Vol. 332, № 6030. P. 702-704.

216. Sundararaman R. et al. Theoretical predictions for hot-carrier generation from surface plasmon decay // Nat. Commun. 2014. Vol. 5.

217. Mejard R. et al. Energy-resolved hot-carrier relaxation dynamics in monocrystalline plasmonic nanoantennas // ACS Photonics. 2016. Vol. 3, № 8. P. 1482-1488.

218. Efros A.L., Kharchenko V.A., Rosen M. Breaking the phonon bottleneck in nanometer quantum dots: Role of Auger-like processes // Solid State Commun. 1995. Vol. 93, № 4. P. 281-284.

219. Govoni M., Marri I., Ossicini S. Carrier multiplication between interacting nanocrystals for fostering silicon-based photovoltaics // Nat. Photonics. 2012. Vol. 6, № 10. P. 672-679.

220. Trupke T. et al. Temperature dependence of the radiative recombination coefficient of intrinsic crystalline silicon // J. Appl. Phys. 2003. Vol. 94, № 8. P. 4930-4937.

221. Prokofiev A.A., Poddubny A.N., Yassievich I.N. Phonon decay in silicon nanocrystals: Fast phonon recycling // Phys. Rev. B. 2014. Vol. 89, № 12. P. 125409.

222. Jung J. et al. Indirect near-field absorption mediated by localized surface plasmons // Phys. Rev. B. 2011. Vol. 84, № 16. P. 165447.

223. Yamaguchi M., Nobusada K. Indirect interband transition induced by optical near fields with large wave numbers // Phys. Rev. B. 2016. Vol. 93, № 19. P. 195111.

224. Zambrana-Puyalto X., Bonod N. Purcell factor of Mie resonators featuring electric and magnetic modes. 2015. Vol. arXiv:1501.

225. Bouchet D. et al. Enhancement and inhibition of spontaneous photon emission by resonant silicon nanoantennas // Phys. Rev. Appl. 2016. Vol. 6, № 6. P. 64016.

226. Liu K. et al. Review and perspective on ultrafast wavelength-size electro-optic modulators // Las Phot Rev. 2015. Vol. 9, № 2. P. 172-194.

227. Noskov R.E., Krasnok A.E., Kivshar Y.S. Nonlinear metal-dielectric nanoantennas for light switching and routing // New J. Phys. 2012. Vol. 14, № 9. P. 93005.

228. Abb M. et al. Hotspot-mediated ultrafast nonlinear control of multifrequency plasmonic nanoantennas // Nat. Commun. 2014. Vol. 5.

229. Mazurenko D.A. et al. Ultrafast Optical Switching in Three-Dimensional Photonic Crystals // Phys. Rev. Lett. 2003. Vol. 91, № 21. P. 213903.

230. Dani K.M. et al. Subpicosecond optical switching with a negative index metamaterial // Nano Lett. 2009. Vol. 9, № 10. P. 3565-3569.

231. Wurtz G.A. et al. Designed ultrafast optical nonlinearity in a plasmonic nanorod metamaterial enhanced by nonlocality // Nat. Nanotechnol. 2011. Vol. 6, № 2. P. 107-111.

232. Notomi M. et al. Optical bistable switching action of Si high-Q photonic-crystal nanocavities // Opt Express. 2005. Vol. 13, № 7. P. 2678-2687.

233. Li W. et al. Ultrafast all-optical graphene modulator // Nano Lett. 2014. Vol. 14, № 2. P. 955-959.

234. Shank C.V., Yen R., Hirlimann C. Time-resolved reflectivity measurements of femtosecond-optical-pulse-induced phase transitions in silicon // Phys Rev Lett. 1983. Vol. 50. P. 454457.

235. Hulin D. et al. Energy transfer during silicon irradiation by femtosecond laser pulse // Phys Rev Lett. 1984. Vol. 52. P. 1998-2001.

236. Glezer E.N. et al. Laser-induced band-gap collapse in GaAs // Phys Rev B. 1995. Vol. 51. P. 6959-6970.

237. Sokolowski-Tinten K., von der Linde D. Generation of dense electron-hole plasmas in silicon // Phys. Rev. B. 2000. Vol. 61, № 4. P. 2643.

238. Kudryashov S.I., Emelyanov V.I. Structural transitions in Si pumped by femtosecond laser pulse: the role of electron-hole plasma and phonon-phonon anharmonicity // JETP. 2002. Vol. 94. P. 94-107.

239. Ionin A.A. et al. Ultrafast electron dynamics on the silicon surface excited by an intense femtosecond laser pulse // JETP Lett. 2012. Vol. 96, № 6. P. 375379.

240. Yoffa E.J. Dynamics of dense laser-induced plasmas // Phys. Rev. B. 1980. Vol. 21, № 6. P. 2415.

241. Fauchet P.M. et al. The properties of free carriers in amorphous silicon // J. Non-Cryst. Solids. 1992. Vol. 141. P. 76-87.

242. Spataru C.D., Benedict L.X., Louie S.G. Ab initio calculation of band-gap renormalization in highly excited GaAs // Phys Rev B. 2004. Vol. 69. P. 205204.

243. Dargys A., Kundrotas J. Handbook on physical properties of Ge, Si, GaAs and InP. Science and Encyclopedia Publishers, Vilnius, 1994.

244. Groeneveld R.H.M., Sprik R., Lagendijk A. Femtosecond spectroscopy of electron-electron and electron-phonon energy relaxation in Ag and Au // Phys Rev B. 1995. Vol. 51. P. 11433-11445.

245. Ionin A.A. et al. Thermal melting and ablation of silicon by femtosecond laser radiation // JETP. 2013. Vol. 116, № 3. P. 347-362.

246. Krasnok A.E. et al. All-Dielectric Optical Nanoantennas // Opt Express. 2012. Vol. 20. P. 20599-20604.

247. He Y. et al. The structure and properties of nanosize crystalline silicon films // J. Appl. Phys. 1994. Vol. 75, № 2. P. 797-803.

248. Jencic I. et al. Electron-beam-induced crystallization of isolated amorphous regions in Si, Ge, GaP, and GaAs // J. Appl. Phys. 1995. Vol. 78, № 2. P. 974-982.

249. Zacharias M. et al. Size-controlled highly luminescent silicon nanocrystals: A SiO/SiO2 superlattice approach // Appl. Phys. Lett. 2002. Vol. 80, № 4. P. 661663.

250. He W. et al. Determination of recombination coefficients for nanocrystalline silicon embedded in hydrogenated amorphous silicon // Opt. Lett. 2015. Vol. 40, № 16. P. 3889-3892.

251. Shkrob I.A., Crowell R.A. Ultrafast charge recombination in undoped amorphous hydrogenated silicon // Phys. Rev. B. 1998. Vol. 57, № 19. P. 1220712218.

252. Esser A. et al. Femtosecond spectroscopic study of ultrafast carrier relaxation in hydrogenated amorphous silicon a-Si:H // J. Appl. Phys. 1993. Vol. 73, № 3. P. 1235-1239.

253. Zhang H. et al. Modeling and experiments of self-reflectivity under femtosecond ablation conditions // JOSA B. 2015. Vol. 32, № 4. P. 606-616.

254. Rong H. et al. Raman gain and nonlinear optical absorption measurements in a low-loss silicon waveguide // Appl. Phys. Lett. 2004. Vol. 85, № 12. P. 21962198.

255. Derrien T.J.-Y. et al. Possible surface plasmon polariton excitation under femtosecond laser irradiation of silicon // J. Appl. Phys. 2013. Vol. 114, № 8. P. 083104.

256. Rudenko Anton, Colombier Jean-Philippe, Itina Tatiana E. Graphics processing unit-based solution of nonlinear Maxwell's equations for inhomogeneous dispersive media // Int. J. Numer. Model. Electron. Netw. Devices Fields. 2016. Vol. 31, № 2. P. e2215.

257. Yee K. Numerical solution of initial boundary value problems involving maxwell's equations in isotropic media // IEEE Trans. Antennas Propag. 1966. Vol. 14, № 3. P. 302-307.

258. Taflove A., Hagness S.C. Computational Electrodynamics: The Finite-difference Time-domain Method. Artech House, 2005. 1006 p.

259. Roden A., Gedney S. Convolutional PML (CPML): An efficient FDTD implementation of the CFS-PML for arbitrary media // Microw. Opt. Technol. Lett. 2000. Vol. 27, № 5. P. 334-338.

260. van Driel H.M. Kinetics of high-density plasmas generated in Si by 1.06-and 0.53- microm picosecond laser pulses. // Phys. Rev. B. 1987. Vol. 35, № 15. P. 8166-8176.

261. Bristow A.D., Rotenberg N., van Driel H.M. Two-photon absorption and Kerr coefficients of silicon for 850-2200nm // Appl. Phys. Lett. 2007. Vol. 90, № 19. P. 191104.

262. Choi T.Y., Grigoropoulos C.P. Plasma and ablation dynamics in ultrafast laser processing of crystalline silicon // J Appl Phys. 2002. Vol. 92, № 9. P. 49184925.

263. Pronko P.P. et al. Avalanche ionization and dielectric breakdown in silicon with ultrafast laser pulses // Technical Digest. Summaries of Papers Presented at the Conference on Lasers and Electro-Optics. Conference Edition. 1998 Technical Digest Series, Vol.6 (IEEE Cat. No.98CH36178). 1998. P. 511-.