Аннотация результатов, полученных в 2017 году
Проведены исследовательские работы по следующим четырем направлениям: 1. Новые материалы и элементы жидкокристаллических микролазеров Начаты исследования лазерного эффекта в новой геометрии. Если на предыдущих этапах основное внимание было уделено геометрии, где используется исключительно пространственно периодическая структура, которая одновременно выполняет роль и распределенной обратной связи, и средства вывода лазерного излучения в подложку, то в новой геометрии ЖК микролазер строится по классической схеме из двух принципиальных элементов: активной жидкокристаллической среды и жидкокристаллических зеркал, которые индуцируются в том же слое с помощью электрического поля. На данном этапе нами была поставлена задача раздельного изучения свойств этих двух принципиальных элементов. Изучена люминесценция в однородно-ориентированных жидкокристаллических слоях в волноводном режиме, и получена стимулированная усиленная эмиссия (суперлюминесценция). Свойства люминесценции и суперлюминесценции исследованы при разных длинах волн лазерного возбуждения (355, 440, 532 нм) и при различных граничных условиях, определяющих ориентацию директора ЖК (как вдоль, так и перпендикулярно волновому вектору Брэгговских зеркал). Для жидкокристаллического материала, допированного лазерным красителем DCM, были измерены зависимости суперлюминесценции от интенсивности накачки и определены энергетические пороги возбуждения суперлюминесценции, которые оказались на уровне 0.3 МВт/см2, что более чем в два раза ниже чем пороги возбуждения лазерной генерации в жидкокристалличесхих микролазерах, исследованных нами ранее [N. M. Shtykov, S. P. Palto, A. R. Geivandov, B. A. Umanskii Lasing in micro-grating liquid crystal systems // Liquid Crystals. 44 (8), pp. 1216-1222 (2017). DOI: 10.1080/02678292.2016.1272721]. Экспериментально обнаружено, что в новой геометрии пик усиленной волноводной люминесценции не совпадает с максимумом спонтанной люминесценции (578 нм), а сдвинут в длинноволновую область спектра на 28 – 32 нм. Спектральная область максимального коэффициента усиления достаточно узкая, поэтому для получения низкопорогового лазерного эффекта требуется точная спектральная настройка положения фотонных зон Брэгговских жидкокристаллических зеркал. Используя численные методы изучена отражающая способность жидкокристаллических зеркал, индуцированных электрическим полем. Установлено, что число периодов микроэлектродной решетки для полевого индуцирования Брэгговских зеркал в слое ЖК должно быть не менее 40. Таким образом, экспериментально показано, что однородно ориентированный тонкий слой ЖК может выступать в качестве усиливающей лазерной среды при поперечной оптической накачке. Определены параметры электродных микрорешеток, для последующего их изготовления и создания экспериментальных образцов ЖК микролазеров по новой схеме. 2. Плазмонно-обусловленный электрооптический эффект в нематических жидких кристаллах Детально изучен плазмонно-обусловленный электрооптический эффект в гибридных системах на основе нематических ЖК и металлических нанорешеток, которые одновременно выступают в качестве наноэлектродов для управления приповерхностным слоем ЖК [M. V. Gorkunov, I. V. Kasyanova, V. V. Artemov, M. I. Barnik, A. R. Geivandov, and S. P. Palto "Fast Surface-Plasmon-Mediated Electro-Optics of a Liquid Crystal on a Metal Grating"// Phys. Rev. Appl. 8, 054051 (2017)]. На двухлучевом электронном микроскопе FEI Scios методом травления сфокусированным ионным пучком были изготовлены системы встречно-штыревых электродов в виде субволновой алюминиевой решетки. Были изучены оптические свойства самих решеток и созданы гибридные ЖК образцы. Экспериментально изучены изменения спектров пропускания гибридной ЖК системы в зависимости от амплитуды управляющего электрического поля. Обнаружено, что в коротковолновой части спектра эффект малых (менее 2 В) управляющих напряжений незначителен, тогда как в длинноволновой части, наоборот, все изменения происходят при малых напряжениях. Был сделан вывод об определяющей роли слоев ЖК, непосредственно прилегающих к решетке, которые контролируют возбуждение на ней поверхностных плазмонов. Соответственно, наблюдаемая электрооптика была охарактеризована как плазмонно-обусловленная. Исследования показали, что измеренная динамика электрооптического отклика хорошо аппроксимируется экспоненциальными временными зависимостями при управляющих напряжениях ниже 2 В. Были проанализированы зависимости времен включения и выключения от амплитуды управляющего напряжения и найдено, что время выключения остается на уровне 120-140 мкс. Для напряжений 2 В и ниже время включения остается на том же уровне, но быстро снижается до уровня 20 мкс при более высоком напряжении. Проверка всех гипотез о механизме эффекта была проведена решением точных численных моделей, включавших и расчет распределения ЖК директора над решеткой, и вычисление соответствующих коэффициентов пропускания света TM-поляризации, и моделирование динамики переориентации ЖК. Было показано, что, несмотря на сложное распределение ЖК директора, можно интерпретировать электрооптический эффект как изменение эффективного угла преднаклона ЖК на решетке, а соответствующий сдвиг минимумов пропускания понимать как следствие изменения длины волны поверхностного плазмона. 3. ITN-режим электрооптического переключения для различной геометрии электродных микрорешеток Эта мода электрооптического переключения была предложена нами по результатам исследований на предыдущих этапах [S.P. Palto, M.I. Barnik, A.R. Geivandov, I.V Kasyanova, V.S Palto. Submillisecond Inverse TN Bidirectional Field Switching Mode// Journal of Display Technology 12 (10), pp. 992-999 (2016)]) . Нами получены новые экспериментальные данные по быстродействию и оптическому контрасту в образцах на основе ITN-эффекта в широкой области изменения геометрических параметров электродных решеток (период решеток изменялся от 1.76 мкм до 15 мкм, а толщина слоя ЖК от 2 до 10 мкм). В результате исследований эффекта c электродными решетками предельно малого периода (1.76 мкм) была открыта поверхностная мода электрооптического переключения. Особенностью поверхностной моды оказалась чрезвычайно высокая скорость электрооптического переключения, которая характеризуется временами в несколько десятков микросекунд. Скорость переключения оказалась почти на порядок выше скорости объемного ITN-эффекта, и почти на три порядка величины быстрее традиционных мод электрооптического переключения в нематических ЖК. В случае объемного ITN-эффекта определена оптимальная геометрия (период решетки 6 мкм и толщина слоя 3.5 мкм) для использованного нами ЖК (Merck ZLI-1957/5), для которой реализуются субмиллисекундные времена и высокий оптический контраст. Нами рассчитаны параметры дополнительных фазовых пластинок, которые, будучи введенными в оптическую систему, обеспечивают высокие угловые характеристики оптического контраста ITN-эффекта. 4. Электрооптические и фотовольтаические эффекты в гибридных наноструктурах на основе пленок органических полупроводников (фталоцианинов и фуллеренов) и металлических нанорешеток Изучен электрооптический эффект в гибридной гетероструктуре «стекло-ITO-сегнетоэлектрик-Al(с решеткой)» [ Л. М. Блинов, В. В. Лазарев, С. Г. Юдин, В. В. Артемов, М. В. Горкунов, С. П. Палто Электрооптический эффект в плазмонной структуре «стекло –In2O3:Sn –сегнетоэлектрик -Al с субволновой решеткой» // Журнал экспериментальной и теоретической физики (ЖЭТФ) – 2017-Т.152-Вып.3.-С.552-559. DOI 10.7868/S0044451017090127]. В оптических спектрах обнаружены резонансные явления, связанные с возбуждением поверхностных плазмонных состояний. Показано, что спектральное положение этих резонансов может изменяться за счет электрооптического эффекта, связанного с изменением коэффициента преломления сегнетоэлектрика в электрическом поле. В электрооптическом эффекте получены значительные амплитуды модуляции показателя преломления органического сегнетоэлектрика P(VDF/TrFE), достигающие абсолютных значений 0.06. Предложен новый метод изучения фотовольтаических эффектов в органических гетероструктурах, основанный на фурье-спектроскопии с гармоническим законом изменения оптической задержки в интерферометре Майкельсона. Используя этот метод получены данные о быстродействии и обнаружительной способности фотодетекторов на основе ZnPc:C70. Экспериментально обнаружена анизотропия возбуждения фотовольтаического эффекта в гибридной структуре, состоящей из металлической нанорешетки и фоточувствительного слоя ZnPc:C70. Эта анизотропия связывается нами с плазмонными электромагнитными полями, возбуждаемыми ТМ-поляризованным излучением вблизи поверхности алюминиевой решетки. Согласно нашей гипотезе, плазмонные поля, проникая в фоточувствительный слой, способствуют возбуждению экситонных состояний, увеличивая квантовую эффективность возбуждения электронно-дырочных пар в органических гетероструктурах.

Аннотация результатов, полученных в 2018 году
В 2018 г. велись работы по четырем направлениям: - создание и исследование материалов и элементов для жидкокристаллических микролазеров с индуцируемыми электрическим полем жидкокристаллическими Брэгговскими зеркалами; - исследование плазмонно-обусловленного электрооптического эффекта; - исследование поверхностного электрооптического эффекта в слоях нематических ЖК, управляемых с использованием микроэлектродных решеток; - изучение фотовольтаического эффекта в гибридных структурах ITO/органическая пленка/Al-нанорешетка. По каждому из направлений получены важные результаты. 1. В части работ по созданию и исследованию материалов и элементов для жидкокристаллических микролазеров с индуцируемыми электрическим полем жидкокристаллическими Брэгговскими зеркалами получены следующие результаты. i). Методами численного моделирования определен оптимальный период электродных микро-решеток, который обеспечивает селективное Брэгговское отражение в области максимального коэффициента усиления красителя DCM, при распространении излучения в волноводном режиме в слое НЖК. На основании этих данных методом фотолитографии изготовлены необходимые электродные структуры и созданы образцы жидкокристаллических микролазеров. ii). Получены экспериментальные данные о свойствах суперфлуоресценции лазерного красителя DCM в экспериментальных образцах ЖК-микролазеров. iii). Получена одномодовая лазерная генерация в планарном образце ЖК-микролазера на материале Е7, наблюдаемая на длине волны 608.5 нм и имеющая ширину на половине высоты не более 2.3 нм, что соответствует спектральному разрешению используемого оптоволоконного спектрометра. iv) Показана возможность управления интенсивностью лазерной генерации с помощью электрического поля. Электрическое поле, индуцирующее жидкокристаллические Брэгговские зеркала, создает оптимальные условия для максимальной интенсивности генерации при амплитуде электрического напряжении U = 2.3 V на электродах микро-решетки. 2. В части исследования плазмонно-обусловленного электрооптического эффекта, открытого нами в 2017 г, выполнены новые работы и получены следующие результаты. i). Изучена ориентация молекул жидкого кристалла вблизи поверхности субволновывх алюминиевых нанорешеток с разной геометрией (период решеток и скважность). ii). Созданы новые образцы ЖК с субволновыми алюминиевыми нанорешетками, которые отличаются тем, что на поверхность алюминиевых электродных нанорешеток наносились дополнительные ориентирующие покрытия, которые задавали определенное направление ориентации длинных осей молекул ЖК. iii). Экспериментально показано, что спектры оптического пропускания образцов и соответствующий электрооптический эффект сильно зависят от типа ориентирующего покрытия. Так, наличие полиимидных ориентирующих пленок приводило к подавлению электрооптического эффекта для ТМ-поляризованного света и усилению эффекта для ТЕ-поляризованного света. Пленки из хромолана, обеспечивающие гомеотропную ориентацию, приводили почти к полному подавлению электрооптического эффекта как для ТМ-, так и для ТЕ-поляризованного света. iv). Созданы математические модели и проведено численное моделирование оптических спектров и их изменения в электрическом поле. Численные результаты позволили объяснить наблюдаемые особенности оптических и электрооптических свойств экспериментальных образцов. 3. В 2018 г. мы продолжили изучать поверхностный электрооптический эффект, который был нами численно предсказан в ЖК-системах, управляемых с использованием микроэлектродных решеток. Суть эффекта заключается в более быстром изменении ориентационного состояния молекул ЖК в приповерхностных, контактирующих с электродными решетками, слоях ЖК. В электрооптике эффект проявляется в наличии быстрой электрооптической моды на фоне существенно более медленного электрооптического переключения, связанного с деформацией поля директора в объеме слоя. Экспериментальные исследования электрооптического эффекта были выполнены для двух жидкокристаллических материалов, отличающихся вращательной вязкостью (E7 и ZLI-1957/5 от компании Merck). В образцах с обоими ЖК-материалами мы пронаблюдали быструю электрооптическую моду в случае электродных решеток с малым пространственным периодом (1.8 мкм). В случае ЖК ячейки с ZLI-1957/5 разделение быстрой и медленной мод более выражено в сравнении с Е7. Поскольку вращательная вязкость ZLI-1957/5 в два раза меньше в сравнении с E7, то и времена переключения существенно меньше для быстрой моды: например, при управляющем электрическом напряжении 10 В включение и выключение происходит за 0.4 мс. Причины возникновения быстрой и медленной мод были прояснены результатами численного моделирования. Быстрая мода возникает в начальный момент времени, когда приложенное электрическое поле локализовано в очень тонком приповерхностном слое на глубине менее одного периода решетки от поверхности. Этот процесс характеризуется чрезвычайно короткими временами включения и выключения. Дело в том, что наряду с малым расстоянием между электродами, посередине между ними возникает стенка с гомеотропной ориентацией молекул ЖК, которая выступает как граница, уменьшающая размер деформируемого полем ЖК-объема. Это в свою очередь обеспечивает очень быструю релаксацию директора ЖК в исходное состояние. Таким образом, было показано, что быстрая поверхностная мода является перспективной для применения в быстродействующих электрооптических модуляторах. Она наиболее ярко проявляется при использовании электродных решеток с малым периодом (менее 2 мкм) и коротких управляющих импульсов электрического поля, когда деформация не успевает распространиться в объем слоя ЖК. При построении такого модулятора света необходимо выбирать жидкие кристаллы с высокой оптической анизотропией, а толщина ЖК-слоя должна приблизительно совпадать с периодом электродных структур. 4. Нами были продолжены исследования фотовольтаического эффекта в гибридных структурах ITO/органическая пленка/Al-нанорешетка. Важная особенность органических полупроводников связана с низкой подвижностью носителей заряда. Следствием этого является то, что не все генерируемые светом носители заряда могут достигать электродов. Это делает актуальной задачу создания гетероструктур с оптимальным распределением оптического поля в их объеме, при котором генерируемые светом носители заряда наиболее эффективно могут участвовать в создании общего фототока. Именно эту роль, как оказалось в результате исследований, могут выполнять нанорешетки, изготовленные на втором алюминиевом электроде. Однако, прежде чем создавать сложную структуру с нанорешетками важно было изучить и свойства индивидуальных компонент и их простейших смесей. Для смесевой композиции ZnPc:C70 были получены рекордные значения ампер-ваттной чувствительности, которые составили S=152 mA/W на длине волны 620 нм. Отметим, что для образцов из индивидуальных компонент ZnPc или C70 соответствующая чувствительность на несколько порядков меньше. Таким образом, использование смесевых донорно-акцепторных композиций на порядки увеличивает спектральную фоточувствительность и квантовую эффективность структур со смесевой композицией в сравнении со структурами с индивидуальными органическими веществами. К сожалению, существует реальная проблема, связанная с деградацией ампер-ваттной чувствительности органических гетероструктур. Особенно деградация выражена в случае тонких алюминиевых электродов, которые мы используем в образцах с нанорешетками на алюминиевом электроде. Природа деградации до конца непонятна, но нами установлено, что одним из способов стабилизации фотовольтаических свойств является использование трехкомпонентных смесей, где к смеси двух полупроводников ZnPc:C70 добавлена третья составляющая - тефлон. Это приводит к заметному падению ампер-ваттной чувствительности элементов, но зато позволяет более надежно исследовать влияние других элементов структуры (например, нанорешеток) на фотоэлектрические свойства. Исследования фотоэлектрических свойств гибридных систем ITO/органическая пленка/Al-нанорешетка были начаты на предыдущем этапе и продолжены в 2018г. Экспериментально были исследованы поляризационные спектры оптического пропускания образцов совместно со спектрами фотоэлектрического отклика. Установлено, что для образцов с алюминиевыми нанорешетками на втором электроде наблюдается не только анизотропия возбуждения фототока, но и усиление фотоэлектрического отклика для ТМ-поляризованного света в сравнении с образцом без решетки. Для аналогичного фотоэлектрического элемента без решетки анизотропия возбуждения не наблюдается, а чувствительность близка к таковой для образца с решеткой, возбуждаемого ТЕ-поляризованным светом. Для объяснения экспериментальных результатов мы провели численное моделирование нашей конкретной системы методом FDTD. Оказалось, что распределение оптического поля ТМ-поляризованных волн в корне отличается от распределения ТЕ-поляризованного поля. Электромагнитное поле ТЕ-поляризованной волны локализовано в области щелей решетки, а ТМ-поле оказывается локализованным вблизи поверхности полосок алюминия, которые являются электродом фотовольтаического элемента. Более того, ТМ-поляризованная волна также возбуждает и вторичное поле, поляризованное вдоль направления z (нормаль к слоям), которое также сильно локализовано в области электрода. Именно поле Ez, ассоциируется с плазмонными состояниями на поверхности металлической решетки. В итоге, ТМ-поляризованное световое поле более эффективно возбуждает экситоны, которые, диссоциируя на электронно-дырочные пары, дают вклад в фототок.