Графен та структури на його основі для фотоніки
480 руб. 150 грн. 7,5 дол. ', MOUSEOFF, FGCOLOR, '#FFFFCC',BGCOLOR, '#393939');" onMouseOut="return nd();"> Дисертація, - 480 руб. 10-19 (Московський час), крім неділі
Автореферат -безкоштовно, доставка10 хвилин, цілодобово, без вихідних та свят
Рибін, Максим Геннадійович. Графен та структури на його основі для фотоніки: дисертація. кандидата фізико-математичних наук: 01.04.21 / Рибін Максим Геннадійович; [Місце захисту: Ін-т заг. фізики ім. А.М. Прохорова РАН]. - Москва, 2012. - 106 с.: Іл. РДБ ОД, 61 12-1/1143
Введення в роботу
Дослідження графена є нині однією з найбільш затребуваних тематик у галузі наноматеріалів. У 2010 році за «новаторські експерименти з дослідження двовимірного матеріалу – графена» були удостоєні Нобелівської премії Костянтин Новосьолов та Андрій Гейм. Нагадаємо, що графен - це двовимірна структура, в якій атоми вуглецю збудовані у формі правильних шестикутників. Графен є складовою одиницею графіту і використовується як теоретична модель для опису інших алотропних форм вуглецю, таких як фулерени та нанотрубки. Незважаючи на те, що перші експериментальні зразки графену були отримані відносно недавно (у 2004 [1]), існує вже чимало досліджень щодо застосування графену в різних областях, а кількість публікацій, присвячених графену, зростає за експонентом залежно від часу.
Графен має унікальні електронні та оптичні властивості, які ґрунтуються на його зонній структурі [2]. У першій зоні Брілюена графена існують особливі точки К і К', поблизу яких закон дисперсії енергії електронів має лінійнузалежність від вектора хвилі. Таким чином, графен є напівпровідником з нульовою забороненою зоною, а рух електронів у ньому описується не рівнянням Шредінгера, як в об'ємних напівпровідниках, а двомірним рівнянням Дірака для безмасових квазічастинок [3]. Внаслідок цього у графені спостерігається квантовий ефект Холла [1], надвисока рухливість електронів [1]. Також, поряд з електронними властивостями, графен має визначні оптичні характеристики. Наприклад, величина оптичного поглинання світла у ньому становить 2.3% [4] від інтенсивності падаючого випромінювання і залежить від довжини хвилі.
До найпоширеніших застосувань графену відносяться використання в польових транзисторах [1,5], в сенсорних екранах (як прозорий і гнучкий провідник) [6], в сонячних батареях [7], у фотодетекторах [8], в лазерах як поглиначі, що насичуються. для реалізації режиму пасивної самосинхронізації мод під час генерації ультракоротких лазерних імпульсів [9]. Так як всі ці застосування були розроблені всього за кілька років досліджень графену, то можна говорити про необхідність більш докладного вивчення властивостей графену і ефектів, що спостерігаються в ньому, для повного розкриття потенціалу цього вуглецевого наноматеріалу, який, за прогнозами, дуже великий.
Мета та завдання дисертаційної роботи
Метою справжньої дисертаційної роботи є створення ефективних поглиначів, що насичуються, для лазерів середнього ІЧ діапазону (до 10 мкм) на основі синтезованих протяжних (понад 1х1 см) зразків графена. Для досягнення поставленої мети було вирішено такі завдання:
Отримання окремих лусочок графену методом мікромеханічного відщеплення, дослідження комбінаційного розсіювання світла (ВРХ) у графені залежно від кількостішарів, що містяться, і їх візуалізація в оптичному мікроскопі на діелектричній підкладці.
Створення установки із синтезу великомасштабних зразків графену методом хімічного газофазного осадження (ХГО) із суміші метану та водню на металеву підкладку. Визначення залежностей характеристик та якості синтезованих зразків від параметрів процесу осадження.
Дослідження нелінійно-оптичних властивостей графену методом "pump-probe" спектроскопії в широкому діапазоні довжин хвиль накачування (1100-1700 нм) та зондування (900-1700 нм).
Дослідження оптичних властивостей графену у середньому інфрачервоному діапазоні довжин хвиль.
Застосування графена як насичувального поглинача для реалізації режиму пасивної самосинхронізації мод Er волоконному лазері.
Посилення поглинання у графені шляхом його інтегрування з вузькосмуговими відбивними структурами на основі одновимірних фотонних кристалів.
У ході роботи було вперше отримано такі результати:
> виявлено залежність товщини синтезованих зразків графену від параметрів процесу, у тому числі: o виявлено вплив температури синтезу на товщину графенової плівки,
одержаної на нікелевій фользі; o отримані залежності товщини графенової плівки, що синтезується на поверхні нікелевої фольги, від тиску в камері, температури синтезу та концентрації метану в суміші з воднем; o продемонстровано вплив концентрації метану в суміші з воднем, тиску в камері, температури синтезу та часу охолодження підкладки на якість моношару графену, одержуваного на поверхні мідної фольги;
^ методом «pump-probe» спектроскопії в ІЧ діапазоні досліджено динаміку носіїв заряду в графені при збудженні як у вищі, так і в нижчі (порівняно з енергією квантанакачування) енергетичні стани зони провідності;
^ показано сталість коефіцієнта поглинання в графені в широкому діапазоні довжин хвиль (від 2 м до 11 м);
^ продемонстровано насичення поглинання в графені в середньому інфрачервоному діапазоні довжин хвиль (на робочій довжині хвилі CO2 лазера - 10.51 м);
> отримані результати посилення лінійного оптичного поглинання в графені в результаті його суміщення з резонансними вузькосмуговими відбивними структурами на основі одновимірних фотонних кристалів, виготовлених на підкладці «кремній на ізоляторі».
У ході роботи було оптимізовано процес синтезу графену для отримання зразків високої якості та великої площі (понад 2 см 2 ), необхідні експериментального дослідження їх властивостей з метою виявлення різноманітних потенційних застосувань в оптоелектроніці, нанофотоніці або наноелектроніці.
Результати досліджень оптичних властивостей графену та експериментів щодо реалізації режиму пасивної синхронізації мод наочно демонструють перспективність використання графену при створенні лазерів із надкороткими імпульсами.
Результати поєднання фотонних кристалів з графеном для посилення його оптичного поглинання можуть бути використані в майбутньому для створення високоефективних фільтрів з підвищеним ставленням сигнал/шум при реєстрації сигналів в телекомунікаційних оптоволоконних мережах або для використання в якості поглиначів, що насичуються, для генерації ультракоротких імпульсів при створенні мікролазерів з низькою випромінювання.
Винесені на захист становища
Метод хімічного газофазного осадження має високий потенціал для вирішення проблеми широкомасштабного виробництва високоякісної графенової протяжної плівки з необхіднимчислом шарів, починаючи з моношару.
Сукупність методів спектроскопії комбінаційного розсіювання світла, спектроскопії оптичного поглинання світла та растрової електронної мікроскопії дозволяє отримати детальну інформацію про якість графенової плівки.
При правильному доборі матеріалу та його товщини виникає високий контраст "графен-підкладка", що значно полегшує візуалізацію графенових зразків на діелектричних підкладках в оптичному мікроскопі.
Фемтосекундне лазерне випромінювання призводить до фотозбудження в графені носіїв заряду в енергетичні стани зони провідності як з меншою, так і більшою енергією щодо енергії кванта збудження.
Графен є ефективним поглиначем, що насичується для реалізації режиму пасивної самосинхронізації мод при генерації надкоротких імпульсів в широкому спектральному діапазоні.
Резонансні відбивні мембрани на основі одномірних фотонних кристалів здатні концентрувати електромагнітне поле поблизу себе, а при інтегруванні з ними графену, лінійне оптичне поглинання останнього посилюється аж до 20 разів.
Основні результати роботи були представлені на 2-х українських конференціях та на 10 міжнародних конференціях у вигляді 2 усних доповідей та 10 постерних доповідей.
International Workshop "Nanocarbon Photonics and Optoelectronics", Polvijarvi (Finland), August 3-9, 2008.
5 th Bilateral Російсько-французький Workshop на Nanoscience and Nanotechnologies, Moscow (Russia), December 1-2, 2008.
XXIII International Winterschool on Electronic Properties of Novel Materials, Kirchberg (Austria), March 7-14, 2009.
ІІІ Міжнародна молодіжна школа «Сучасні проблеми лазерної фізики», Москва (Україна), Листопад 9-11, 2009.
XXIVInternational Winterschool on Electronic Properties of Novel Materials, Kirchberg (Austria), March 7-14, 2010.
Конференція-конкурс молодих фізиків України, Москва (Україна), Квітень 19, 2010
Second International Workshop "Nanocarbon Photonics and Optoelectronics", Polvijarvi (Finland), July 29 - August 4, 2010.
6th Bilateral Російський-Френк Workshop на Nanoscience and Nanotechnologies, Париж (France), September 13-15, 2010.
Третій міжнародний форум з нанотехнологій, "Rusnanoforum2010", Москва (Україна), Листопад 1-3, 2010.
A multidisciplinary і intersectorial European workshop on synthesis, characterization and technological exploitation of graphene, GraphITA, Assergi (Italy), May 13-15, 2011.
Третій міжнародний форум з нанотехнологій, "Rusnanotech2011", Москва (Україна), Жовтень 26-28, 2011.
XXVI International Winterschool on Electronic Properties of Novel Materials, Kirchberg (Austria), March 3-10, 2012.
Структура та обсяг роботи
Дисертація складається із вступу, п'яти розділів та висновків. Загальний обсяг роботи складає 106 сторінок. Дисертація містить 44 малюнки, 1 таблицю та список цитованої літератури зі 123 найменувань.