Способность полупроводниковых нитевидных нанокристаллов генерировать излучение терагерцового диапазона под действием сверхкоротких лазерных импульсов зависит в том числе и от расстояния между ними. Как показали эксперименты, которые проводились в ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН, эффективность генерации терагерцового излучения может быть в несколько раз выше, чем у объемных полупроводников, и достигает максимума, когда расстояние между нанокристаллами приблизительно равняется длине волны возбуждающего света от лазерного источника.

Полупроводниковые нитевидные нанокристаллы — тонкие проволоки диаметром в десятки нанометров и длиной несколько сотен нанометров. Такие структуры имеют очень большое отношение площади поверхности к объему. Говоря иначе, нитевидные нанокристаллы чем-то похожи на отрезок в геометрии, у которого нет ширины, а только длина (такие объекты называются квазиодномерными). Поэтому их свойства могут существенно отличаться от тех, что демонстрируют объемные полупроводники, у которых отношение площади поверхности к объему меньше.

Перспективы использования подобного рода нитевидных нанокристаллов в практике весьма широки — от компонентов нанобиоэлектроники будущего до эффективных излучателей и приемников излучения в разных спектральных диапазонах. В частности, известно, что они могут преобразовывать оптическое излучение в терагерцовое. Это излучение (также называемое субмикронным) располагается на шкале частот между инфракрасным и сверхвысокочастным диапазонами. Благодаря близости к собственным частотам колебаний многих органических молекул его можно использовать для определения состава веществ, в том числе лекарств, в системах безопасности — для детектирования взрывчатых веществ. А благодаря тому, что терагерцовое излучение не является ионизирующим и не оказывает инвазивного воздействия, оно оказывается очень важным инструментом медицинской диагностики для определения опухолей.

Эксперименты с нитевидными нанокристаллами на основе арсенида галлия (GaAs), которые проводятся в ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН, были нацелены на то, чтобы оценить эффективность генерации терагерцового излучения и сравнить этот показатель c тем, что происходит в объемных полупроводниках из арсенида индия. Последний общепризнанно является одним из наиболее эффективных полупроводниковых материалов, генерирующих терагерцовое излучение и применяется в ряде приложений, в том числе спектроскопических системах.

Исследователи использовали нитевидные нанокристаллы, выращенные на полупроводниковой подложке методом газофазного осаждения. Их длина колебалась от сотен до тысяч нанометров, диаметр составлял десятки нанометров, а расстояния между ними — от 300 до 2000 нанометров.

Нанокристаллы облучали сверхкороткими оптическими лазерными импульсами длительностью 15 фемтосекунд. Под действием световых импульсов в полупроводнике начинают двигаться носители заряда, которые создают колебания электромагнитного поля в терагерцовом диапазоне. Механизм и тип движения этих носителей тесно связан с различными параметрами исследуемой синтезированной структуры. Эффект резонансного усиления генерации терагерцового излучения связан с резонансным поглощением света нанопроводами (что было предсказано еще в рвботах Ми), причем эффективность этого усиления зависит от геометрических параметров структуры: расстояния между нанокристаллами и их диаметра, в зависимости от длины волны возбуждающего излучения

Полученные результаты не совсем соответствовали более ранним предположениям о том, что эффективность будет возрастать в прямой зависимости от плотности «упаковки» нанопроводов на подложке (предполагалось, что чем ближе друг к другу находятся нанокристаллы, тем выше будет эффективность).

Однако оказалось, что важную роль в генерации начинают играть резонансные возбуждения самих нанокристаллов. Для наибольшей эффективности необходимо искать оптимум расстояния между ними. Наилучшего усиления удалось достичь, когда расстояние между кристаллами было сравнимо с длиной волны падающего лазерного излучения: амплитуда увеличилась в два раза, а интенсивность — в четыре раза по сравнению с генерацией излучения в объемном полупроводнике арсенида индия.

Эксперименты проводились с арсенидом галлия, и, как ожидают исследователи, абсолютные показатели могут еще улучшиться, если использовать уже упоминавшийся арсенид индия, который сегодня считается одним из лучших источников когерентного терагерцового излучения.

Изображение массивов нанокристаллов на под...

Изображение массивов нанокристаллов на подложке, полученное с помощью сканирующей электронной микроскопии

Так выглядят массивы нанокристаллов на под...

Так выглядят массивы нанокристаллов на подложке. Это изображение получено обычным оптическим микроскопом. Размеры массива нанопроводов с заданном плотностью — 200×200 мкм

Результаты исследований коллектива авторов ФТИ им. А.Ф. Иоффе (Трухин В.Н., Мустафин И.А., Буравлев А.Д., Цырлин Г.Э.) опубликованы в 8 работах и представлялись в устных и приглашенных докладах на международных и российских конференциях. Цикл работ был удостоен премии за лучшую научную работу ФТИ им. А.Ф. Иоффе 2015 года («Эффективная генерация терагерцового излучения полупроводниковыми нитевидными нанокристаллами»).

Нитевидные нанокристаллы могут преобразовывать оптическое излучение в терагерцовое более эффективно, чем объемные полупроводники. Аннотация на сайте ФТИ им. А.Ф. Иоффе