CC BY
12
УДК 535.36
КОГЕРЕНТНОЕ ВОЗБУЖДЕНИЕ КОЛЕБАНИЙ ГИГАГЕРЦОВОГО ДИАПАЗОНА В МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКОМ АЛМАЗЕ С ЗАГЛУБЛЕННЫМ ГРАФИТИЗИРОВАННЫМ СЛОЕМ
М. В. Тареева, В. А. Дравин, Р. А. Хмельницкий, Н.В. Чернега, А. Д. Кудрявцева, М.А. Шевченко, А. О. Литвинова
В работе представлены результаты экспериментального наблюдения вынужденного низкочастотного комбинационного рассеяния света (ВНКР) на собственных акустических колебаниях графитизированного слоя различной толщины в объеме монокристаллического алмаза, возбужденных с помощью наносекундного лазерного импульса.
Ключевые слова: тонкие алмазные пленки, вынужденное рассеяние, гигагерцовое излучение, нанослои.
Тонкие кристаллические пленки толщиной от нескольких нм до 1 мкм имеют множество различных применений в оптоэлектронике, энергетике, материаловедении. Низкочастотное комбинационное рассеяние (НКР), возникающее на акустических колебаниях в наноразмерных материалах, позволяет получать информацию об упругих свойствах таких обьектов [1, 2]. При достижении определенного значения интенсивности возбуждающего излучения процесс рассеяния переходит в вынужденный режим с высоким коэффициентом преобразования - вынужденное низкочастотное комбинационное рассеяние света (ВНКР) [3-5]. Собственные моды колебаний, удовлетворяющие правилам отбора, проявляются в спектре рассеяния в виде смещенной комбинационной компоненты, значение спектрального смещения при этом определяется морфологией системы. Существенное влияние на значение собственной акустической частоты оказывают граничные условия, а также зависимость констант связи акустической моды с электромагнитным излучением от частоты. Как правило, для тонких пленок, находящихся на
ФИАН, 119991 Россия, Москва, Ленинский пр-т, 53; е-mail: tareeva@sci.lebedev.ru.
подложке с одной свободной поверхностью, частота акустических колебаний определяется выражением [6]
V = У/Ад,,
где У - скорость звука, д - толщина пленки.
Как показано в работах [7, 8], в которых исследовались акустические колебания тонких пленок на подложке, при определенных значениях толщины пленки наблюдается отклонение от линейной зависимости частоты V от 1/д, связанное с влиянием подложки.
Экспериментальные образцы, представляющие собой пластинки монокристаллического алмаза (концентрация азота менее чем 5 • 1018 см-3), были вырезаны параллельно кристаллографической плоскости {110}, и в дальнейшем были подвергнуты ионной имплантации и отжигу при разных значениях параметров (тип и энергия ионов, доза имплантации) [9, 10], в результате чего были получены образцы с различными размерами нанослоёв алмазно-графитовой структуры. Увеличенное изображение одного из образцов приведено на рис. 1.
Рис. 1: Изображение монокршсталлической алмазной пластинки с заглубленными гра-фитизированными слоями (на изображении в верхней и нижней части образца), полученное с помощью оптического микроскопа Carl Zeiss. Широкая полоса в центре образца соответствует неграфитизованной области.
ВНКР в плёнках возбуждалось импульсным излучением рубинового лазера (длина волны Л = 694.3 нм; длительность импульса т = 20 нс, спектральная ширина Av = 0.015 см-1, расходимость пучка 3.5 • 10-4 рад, максимальная энергия в пучке Emax = 0.3 Дж), работающего в режиме модуляции добротности.
Излучение фокусировалось на поверхность образца (плоскость {110}) под различными углами к поверхности (30-60°). Спектральное смещение регистрировалось с по-
мощью интерферометра Фабри-Перо в направлении вперед в отраженном излучении и назад. При достижении порога возбуждения (0.01 ГВ/см2) наблюдалось ВНКР, проявляющееся в виде дополнительной интенсивной линии в стоксовой области. Максимальный коэффициент преобразования падающей энергии в ВНКР достигал значения 40%. Вынужденное рассеяние Мандельштама-Бриллюэна при этом не наблюдалось.
Величины частотного смещения линии ВНКР от линии лазера составили 0.31 см-1 (9.3 ГГц) для образца, полученного при имплантации ионов 4Не+, 50 кэВ, 0.30 см-1 (9 ГГц) для 350 кэВ 12С+ и 0.28 см-1 (8.4 ГГц) для 350 кэВ Б+.
На рис. 2 приведены частотные смещения ВНКР в исследованных образцах в зависимости от 1/d.
Рис. 2: Зависимость величины спектрального смещения ВНКР от 1 /d.
Полученные частоты по порядку величины соответствуют колебаниям графитизи-рованного слоя. Полученная зависимость частотного смещения ВНКР от величины соответствует режиму, связанному с нелинейным влиянием окружающей алмазной матрицы на динамику колебаний графитизированного слоя.
Таким образом, впервые экспериментально продемонстрирована принципиальная возможность нелинейного возбуждения наноразмерной алмазно-графитовой структуры, приводящая к вынужденному рассеянию в гигагерцовом диапазоне частот с высоким коэффициентом преобразования. Благодаря этому ВНКР может быть использовано в качестве источника бигармонической накачки со спектральным смещением,
определяемым характеристиками твердотельных слоистых структур, а также для создания когерентного источника гигагерцового излучения.
Зависимость частотного смещения от толщины пленки может быть использована для определения с помощью метода ВНКР морфологии подобных систем дистанционно и в реальном времени.
Работа была выполнена при поддержке РФФИ (грант № 16-32-60026 мол-а-дк).
ЛИТЕРАТУРА
[1] E. Duval, A. Boukenter, B. Champagnon, Phys. Rev. Lett. 56, 2052 (1986).
[2] M. Montagna, Phys. Rev. B 77, 045418 (2008).
[3] N. V. Tcherniega, M. I. Samoylovich, A. D. Kudryavtseva, et al., Opt. Lett. 35(3), 300 (2010).
[4] A. V. Safronikhin, H. V. Ehrlich, G. V. Lisichkin, et al., J. Russ. Laser Res. 39(3), 294 (2018).
[5] M. V. Tareeva, V. A. Dravin, R. A. Khmelnitsky, et al., J. Russ. Laser Res. 38(6), 530 (2017).
[6] C. Thomsen, J. Strait, Z. Vardeny, et al., Phys. Rev. Lett. 53(10), 989 (1984).
[7] Shaofeng Ge, Xuefeng Liu, Xiaofen Qiao, et al., Sci. Rep. 4, 5722 (2014).
[8] Y. D. Glinka, S. Babakiray, T. A. Johnson, et al., J. Appl. Phys. 117, 165703 (2015).
[9] E. K. Nshingabigwi, T. E. Derry, S. R. Naidoo, et al., Diam. Rel. Mat. 49, 1 (2014). [10] A. V. Khomich, R. A. Khmelnitskiy, V. A. Dravin, et al., Phys. Solid State 49(9), 1661
(2007).
Поступила в редакцию 23 ноября 2018 г.
После доработки 27 ноября 2018 г. Принята к публикации 28 ноября 2018 г.
