<div>
	Фемтосекундная лазерная модификация золь-гель пленок ZnO:Ag с проявлением дихроизма</div>

Гресько Владислав Романович, Сергеев Максим Михайлович, Смирнова Виктория Викторовна , Долгополов Артур Джуракулович, Сокура Лилия Александровна, Костюк Галина Кирилловна, Григорьев Евгений Анатольевич

doi:10.17586/2226-1494-2024-24-3-384-398

2024 , ТОМ 24, НОМЕР 3 ( май-июнь )

ISSN 2226-1494 (print), ISSN 2500-0373 (online)

Меню

Публикации

Главный редактор

НИКИФОРОВ
Владимир Олегович
д.т.н., профессор

Партнеры

doi: 10.17586/2226-1494-2024-24-3-384-398

УДК 538.975

Фемтосекундная лазерная модификация золь-гель пленок ZnO:Ag с проявлением дихроизма

Гресько В.Р., Сергеев М.М., Смирнова В.В., Долгополов А.Д., Сокура Л.А., Костюк Г.К., Григорьев Е.А.

Читать статью полностью

Язык статьи - русский

Ссылка для цитирования:

Гресько В.Р., Сергеев М.М., Смирнова В.В., Долгополов А.Д., Сокура Л.А., Костюк Г.К., Григорьев Е.А. Фемтосекундная лазерная модификация золь-гель пленок ZnO:Ag с проявлением дихроизма // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2024. Т. 24, № 3. С. 384–398. doi: 10.17586/2226-1494-2024-24-3-384-398

Аннотация

Введение. Исследовано влияние поляризации фемтосекудного лазерного излучения на формирование эллипсоидных наночастиц серебра (Ag) и их ориентацию в золь-гель пленках оксида цинка (ZnO). Влияние поляризации является причиной возникновения дихроизма в пленках после облучения. В отличие от серебросодержащих стекол, где этот механизм впервые был обнаружен, в тонких золь-гель пленках данный эффект практически не исследован, что определяет актуальность работы. Метод. Управление формой, размерами и ориентацией наночастиц Ag осуществлялось путем воздействия лазерными фемтосекундными импульсами с высокой частотой повторения и линейной поляризацией, ориентированной вдоль и поперек направлений сканирования. Для возникновения дихроизма требовалось обеспечить высокое поглощение лазерного излучения наночастицами и отсутствие поглощения в матрице ZnO. Дихроизм в пленках ZnO с наночастицами Ag (ZnO:Ag) исследовался методами оптической микроскопии и спектрофотометрии в проходящем свете. Анализ размера, концентрации, формы и ориентации наночастиц в пленке проводился с применением электронной микроскопии. Основные результаты. Показано, что возникновение дихроизма происходит в результате воздействия на пленки лазерным излучением с плотностью энергии от 43 до 99 мДж/см2 за импульс при скорости сканирования 1 мм/с. Выявлено, что при данных значениях плотности энергии происходит формирование эллипсоидных наночастиц, большая ось которых преимущественно ориентирована вдоль линии поляризации фемтосекундного излучения вне зависимости от направления сканирования. В результате лазерного облучения модифицированные области пленки приобрели дихроизм. При параллельном расположении оси поляризации падающего света с направлением линейной поляризации фемтосекундного излучения, с помощью которого осуществляется запись, происходит смещение пика плазмонного резонанса в длинноволновую область спектра. При повороте модифицированных областей на 90° пик плазмонного резонанса смещается в коротковолновую область спектра. При плотности энергии выше 99 мДж/см2 дихроизм сохраняется, но эффект дихроизма снижается, размер наночастиц уменьшается и начинается постепенное разрушение матрицы пленки с образованием наноразмерных пор и трещин. Обсуждение. Полученные результаты могут найти применение при записи поляризационночувствительных элементов малых размеров, спектральное пропускание которых зависит от ориентации вектора линейной поляризации падающего на них света. Предложенный подход позволяет корректировать положение пика плазмонного резонанса в спектральном диапазоне от 450 до 650 нм и может найти применение для повышения чувствительности фотодетекторов в требуемом спектральном диапазоне.

Ключевые слова: фемтосекундные лазерные импульсы, дихроизм, золь-гель пленки, пленки оксида цинка, наночастицы серебра, плазмонный резонанс, лазерная модификация

Благодарности. Исследования финансировались за счет гранта Российского научного фонда (проект № 19-79-10208). Исследование структуры методом СЭМ-электронной микроскопии проведено в Центре нанотехнологий Научного парка Санкт-Петербургского государственного университета в рамках проекта № АААА-А19-119091190094-6.

Список литературы

Srikant V., Clarke D.R. On the optical band gap of zinc oxide // Journal of Applied Physics. 1998. V. 83. N 10. P. 5447–5451. https://doi.org/10.1063/1.367375
Jia M., Wang F., Tang L., Xiang J., Teng K.S., Lau S.P., Lü Y. Low-power-consumption ultraviolet photodetector based on p-NiO/SiO2/n-ZnO // Optics & Laser Technology. 2023. V. 157. P. 108634. https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2022.108634
Lee S.Y., Oh G., Kim E.K. Performance enhancement of a ZnO-based UV photodetector using patterned Ag nanoparticles // Journal of the Korean Physical Society. 2020. V. 77. N 3. P. 234–239. https://doi.org/10.3938/jkps.77.234
Huang J., Li Q., Lu X., Meng J., Li Z. LSPR-enhanced pyro-phototronic effect for UV detection with an Ag–ZnO Schottky junction device // Advanced Materials Interfaces. 2022. V. 9. N 23. P. 2200327. https://doi.org/10.1002/admi.202200327
Tang H., Chen C.J., Huang Z., Bright J., Meng G., Liu R.S., Wu N. Plasmonic hot electrons for sensing, photodetection, and solar energy applications: A perspective // The Journal of Chemical Physics. 2020. V. 152. N 22. P. 220901. https://doi.org/10.1063/5.0005334
Klochko N.P., Klepikova K.S., Khrypunova I.V., Kopach V.R., Tyukhov I.I., Petrushenko S.I., Dukarov S.V., Sukhov V.M., Kirichenko M.V., Khrypunova A.L. Solution-processed flexible broadband ZnO photodetector modified by Ag nanoparticles // Solar Energy. 2022. V. 232. P. 1–11. https://doi.org/10.1016/j.solener.2021.12.051
Shougaijam B., Ngangbam C., Lenka T.R. Plasmon-sensitized optoelectronic properties of Au nanoparticle-assisted vertically aligned TiO2 nanowires by GLAD technique // IEEE Transactions on Electron Devices. 2017. V. 64. N 3. P. 1127–1133. https://doi.org/10.1109/TED.2017.2648500
Gresko V.R., Smirnova V.V., Sergeev M.M., Pushkareva A.E., Dolgopolov A.J., Sokura L.A., Bryukhanova V.V. Laser-induced improvement of the photoelectric characteristics of ZnO:Ag thin films // Journal of Optical Technology. 2023. V. 90. N 4. P. 192–198. https://doi.org/10.1364/JOT.90.000192
Varlamov P.V., Sergeev M.M., Zakoldaev R.A., Grigoryev E.A. Femtosecond wavelength influence on TiO2:Ag film spectral changes: Comparative study // Materials Letters. 2022. V. 323. P. 132605. https://doi.org/10.1016/j.matlet.2022.132605
Andreeva Y., Sharma N., Rudenko A., Mikhailova J., Sergeev M., Veiko V.P., Vocanson F., Lefkir Y., Destouches N., Itina T.E. Insights into ultrashort laser-driven Au:TiO2 nanocomposite formation // The Journal of Physical Chemistry C. 2020. V. 124. N 18. P. 10209–10219. https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.0c01092
Miranda M.H.G., Falcão-Filho E.L., Rodrigues Jr.J.J., de Araújo C.B., Acioli L.H. Ultrafast light-induced dichroism in silver nanoparticles // Physical Review B. 2004. V. 70. N 16. P. 161401. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.70.161401
Stalmashonak A., Seifert G., Graener H. Spectral range extension of laser-induced dichroism in composite glass with silver nanoparticles // Journal of Optics A: Pure and Applied Optics. 2009. V. 11. N 6. P. 065001. https://doi.org/10.1088/1464-4258/11/6/065001
Shirshneva-Vaschenko E.V., Sokura L.A., Shirshnev P.S., Kirilenko D.A., Snezhnaia Z.G., Bauman D.A., Bougrov V.E., Romanov A.E. Preparation of transparent N-Zno:Al / P-Cualcro2 heterojunction diodeby sol-gel technology // Reviews on Advanced Materials Science. 2018. V. 57. N 2. P. 167–174. https://doi.org/10.1515/rams-2018-0061
Sergeev M.M., Gresko V.R., Andreeva Y.M., Sokura L.A., Shirshneva-Vaschenko E.V., Itina T.E., Varygin G.V. Precise laser-induced local modification of AZO:Ag films and their optical properties // Optics & Laser Technology. 2022. V. 151. P. 108059. https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2022.108059
Bohren C.F., Huffman D.R. Absorption and Scattering of Light by Small Particles. John Wiley & Sons, 2008. 552 p.
Kaempfe M., Seifert G., Berg K.-J., Hofmeister H., Graener H. Polarization dependence of the permanent deformation of silver nanoparticles in glass by ultrashort laser pulses // The European Physical Journal D - Atomic, Molecular, Optical and Plasma Physics. 2001. V. 16. P. 237–240. https://doi.org/10.1007/s100530170100
Buividas R., Mikutis M., Juodkazis S. Surface and bulk structuring of materials by ripples with long and short laser pulses: Recent advances // Progress in Quantum Electronics. 2014. V. 38. N 3. P. 119–156. https://doi.org/10.1016/j.pquantelec.2014.03.002
Royon A., Petit Y., Papon G., Richardson M., Canioni L. Femtosecond laser induced photochemistry in materials tailored with photosensitive agents [Invited] // Optical Materials Express. 2011. V. 1. N 5. P. 866–882. https://doi.org/10.1364/OME.1.000866

This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License