Гресько В.Р., Сергеев М.М., Долгополов А.Д., Сокура Л.А., Григорьев Е.А.
Исследование влияния длины волны лазерного излучения на эффект дихроизма в пленках ZnO:Ag

Пленки ZnO:Ag применяются в качестве фотопоглощающих слоев в плазмонных фотодетекторах. Применение лазерного излучения при изготовлении фотодетекторов позволяет управлять параметрами пика плазмонного резонанса и изменять диапазон спектральной чувствительности устройства. Известные исследования по лазерному воздействию на подобные фотопоглощающие пленки с наночастицами уделяют мало внимания эффекту дихроизма, возникающему в результате лазерного воздействия. При наличии дихроизма эффективность плазмонного фотодетектора зависит от поляризации детектируемого излучения. В работе исследован эффект дихроизма, возникающий в ZnO:Ag пленках при воздействии фемтосекундного лазерного излучения с длинами волн вблизи плазмонного резонанса наночастиц и вдали от него. Метод. Для получения эффекта дихроизма в пленках использовались лазерные импульсы с длиной волны вблизи плазмонного резонанса наночастиц (515 ± 5 нм) и вдали от него (1030 ± 5 нм). Применены импульсы с линейной поляризацией длительностью 224 ± 15 фс и частотой следования 200 кГц. Спектры пропускания линейно- поляризованного света с областями пленок ZnO:Ag, модифицированными лазерным излучением, получены с помощью микроскопа-спектрофотометра. Размер, концентрация, форма и расположение наночастиц в пленках, морфология поверхности пленок оксида цинка (ZnO) исследовались методами электронной микроскопии. Основные результаты. Показано, что лазерное излучение с длиной волны вблизи плазмонного резонанса наночастиц с плотностью энергии в импульсе выше 43 ± 0,5 мДж/см2, приводит к появлению в пленках эффекта дихроизма. Возникновение этого эффекта связано с переориентацией наночастиц. Лазерное воздействие приводит к переориентации исходного хаотичного расположения наночастиц в направление, параллельное вектору поляризации лазерного излучения. Наибольшее значение величины линейного дихроизма достигается в области длин волн плазмонного резонанса 515 ± 5 нм при плотности энергии излучения 66 ± 0,5 мДж/см2. Дальнейшее увеличение плотности энергии приводит к уменьшению дихроизма за счет возвращения хаотической ориентации. Воздействие излучения с длиной волны вдали от плазмонного резонанса 1030 ± 5 нм с эквивалентными плотностями энергии не приводит к переориентации наночастиц и, как следствие, изменение величины линейного дихроизма оказывается значительно ниже. Обсуждение. Согласно предложенной гипотезе отличия между результатами лазерного воздействия могут быть связаны с различными механизмами поглощения излучения в материале. Излучение с длиной волны 515 ± 5 нм поглощается наночастицами. В случае линейной поляризации излучения происходит ионизация наночастиц и их переориентация параллельно вектору поляризации. На длине волны 1030 ± 5 нм излучение поглощается матрицей ZnO. Это приводит к нагреву пленки, передаче тепла к наночастицам, в результате процесс переориентации наночастиц параллельно вектору поляризации затрудняется, а эффект дихроизма проявляется значительно меньше. Результаты проведенного исследования могут быть использованы при проектировании и изготовлении фотодетекторов за счет выявленной возможности смещать пик плазмонного резонанса наночастиц в фотопоглощающем слое фотодетектора. Управление эффектом дихроизма позволяет управлять диапазоном чувствительности детекторов.

1. 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 
2. 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. https://doi.org/10.1063/5.0005334 
3. Alharbi A.M., Ahmed N.M., Rahman A.A., Azman N.Z.N., Algburi S., Wadi I.A., Binzowaimil A.M., Aldaghri O., Ibnaouf K.H. Development of ZnO and Si semiconductor-based ultraviolet photodetectors enhanced by laser-ablated silver nanoparticles // Photonics and Nanostructures-Fundamentals and Applications. 2024. V. 58. P. 101228. https://doi.org/10.1016/j.photonics.2024.101228 
4. Koleva M.E., Nedyalkov N.N.,  Nikov Ru., Nikov Ro., Atanasova G., Karashanova D., Nuzhdin V.I., Valeev V.F., Rogov A.M., Stepanov A.L. Fabrication of Ag/ZnO nanostructures for SERS applications // Applied Surface Science. 2020. V. 508. P. 145227. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2019.145227 
5. Jain S., Medlin W., Uprety S., Isaacs-Smith T., Olsson T., Davis J., Burrows S., Chumley S., Park M., Laurent G.M. Nanosecond-laser annealing of zinc oxide thin-films: The effect of the laser wavelength and fluence // Thin Solid Films. 2024. V. 791. P. 140236. https://doi.org/10.1016/j.tsf.2024.140236 
6. 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 
7. 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 
8. 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 
9. 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 
10. 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. N 3. С. 384–398. https://doi.org/10.17586/2226-1494-2024-24-3-384-398 
11. Liu J.M. Simple technique for measurements of pulsed Gaussian-beam spot sizes // Optics letters. 1982. V. 7. N 5. P. 196–198. https://doi.org/10.1364/OL.7.000196 
12. Yeshchenko O.A., Dmitruk I.M., Alexeenko A.A., Kotko A.V., Verdal J., Pinchuk A.O. Size and temperature effects on the surface plasmon resonance in silver nanoparticles // Plasmonics. 2012. V. 7. P. 685–694. https://doi.org/10.1007/s11468-012-9359-z 
13. Shirshneva-Vaschenko E.V., Sokura L.A., Baidakova M.V., Yagovkina M.A., Snezhnaia Z.G., Shirshnev P.S., Romanov A.E. Study of the influence of the ZnO: Al polycrystalline film morphology on the silver nanoparticles formation // Journal of Physics: Conference Series. 2019. V. 1400. N 5. P. 055026. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1400/5/055026 
14. Kuptsova A.O., Kuptsov G.V., Petrov V.A., Atuchin V.V., Petrov V.V. Laser scanning method for time-resolved measurements of wavefront distortion introduced by active elements in high-power laser amplifiers // Photonics. 2024. V. 11. N 8. P. 748. https://doi.org/10.3390/photonics11080748 
15. 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 Diode by Sol-Gel technology // Reviews on Advanced Materials Science. 2018. V. 57. N 2. P. 167–174. https://doi.org/10.1515/rams-2018-0061 
16. 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 
17. Zamfirescu M., Dinescu A., Danila M., Socol G., Radu C. The role of the substrate material type in formation of laser induced periodical surface structures on ZnO thin films // Applied surface science. 2012. V. 258. N 23. P. 9385-9388. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2012.01.089 
18. Sokura L.A., Snezhnaia Zh.G., Nevedomskiy V.N., Shirshneva-Vaschenko E.V., Romanov A.E. Ordering mechanism of silver nanoparticles synthesized in a ZnO: Al polycrystalline film by sol gel method // Journal of Physics: Conference Series. 2020. V. 1695. P. 012034. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1695/1/012034 
19. 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 

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