КАРТОЧКА
ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ
Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Номер 18-79-10195
НазваниеТерагерцовые фотопроводящие антенны на основе новых физических принципов для создания систем диагностики злокачественных новообразований: технология изготовления, теоретические и экспериментальные исследования
РуководительПономарев Дмитрий Сергеевич, Кандидат физико-математических наук
Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Федеральный исследовательский центр "Институт общей физики им. А.М. Прохорова Российской академии наук", г Москва
| Период выполнения при поддержке РНФ | 07.2018 - 06.2021 | , продлен на 07.2021 - 06.2023. Карточка проекта продления (ссылка) |
Конкурс№30 - Конкурс 2018 года по мероприятию «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.
Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки, 09-710 - Новые материалы для наноэлектронных приборов
Ключевые словаТерагерцовые технологии; терагерцовая импульсная спектроскопия; терагерцовый импульсный имиджинг; биомедицинские приложения терагерцовой науки и техники; биомедицинские приложения терагерцовых технологий; фотопроводящая антенна; моделирование переходного тока; вычислительная электродинамика; микроструктурированные антенны; плазмонные антенны; плазмонная решетка; управление спектром терагерцовой генерации; терагерцовые оптические элементы и системы; оптико-терагерцовая конверсия; моделирование методом конечных элементов.
Код ГРНТИ29.03.31, 76.29.49
СтатусУспешно завершен
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Терагерцовая (ТГц) область электромагнитного спектра расположена между инфракрасным и микроволновым диапазонами – между 0,1 и 10,0 ТГц (или 3 000 и 30 мкм, соответственно). Частотная зависимость ТГц диэлектрической проницаемости несет информацию о низкочастотных молекулярных колебаниях и структурных свойствах вещества. Это делает ТГц оптотехнику уникальным инструментом решения широкого спектра фундаментальных и прикладных проблем физики конденсированного состояния, химии и фармацевтики, обеспечения безопасности жизнедеятельности, биологии и медицины.
Одним из перспективных приложений ТГц технологий является ранняя неинвазивная, малоинвазивная и интраоперационная диагностика злокачественных новообразований в различных локализациях. Методы ТГц диагностики основаны на естественных (эндогенных) маркерах новообразования и не требуют введения в организм экзогенных лайблов новообразования. Большинство методов дифференциации тканей в нормальном состоянии и при наличии патологии с использованием ТГц излучения основаны на ТГц импульсной спектроскопии и имиджинге благодаря высокой информативности сигналов ТГц импульсных систем и значительному развитию их элементной базы. Несмотря на значительный прогресс в области ТГц диагностики злокачественных новообразований внедрение ТГц технологий в клиническую практику значительно сдерживается ограниченными мощностью и чувствительностью антенн-генераторов и антенн-детекторов ТГц импульсного излучения, высокой стоимостью комплектующих импульсной системой и отсутствием отечественной элементной базы.
Именно поэтому целью проекта является разработка фотопроводящих антенн (ФПА) нового типа для генерации импульсов ТГц электромагнитного излучения с повышенным коэффициентом преобразования и управляемым спектром в интересах использования ТГц импульсной спектроскопии и имиджинга в медицинской диагностике.
Для достижения сформулированной цели в проекте будет решаться комплекс технологических, экспериментальных и теоретических задач:
I) разработка физико-математической модели нестационарного (переходного) тока в фотопроводнике при возбуждении фотопроводящей антенны лазерными импульсами фемтосекундной длительности;
II) проведение теоретических и экспериментальных исследований по оптимизации ФПА, направленные на повышение эффективности оптико-ТГц конверсии и управление спектром генерации;
III) проведение теоретических и экспериментальных исследований, направленные на оптимизацию полупроводниковой подложки фотопроводящей антенны для эффективного ввода энергии фемтосекундного лазерного излучения в ФПА и управления спектром ТГц генерации;
IV) апробация разработанных ФПА в ходе ТГц спектроскопических исследований тканей in vivo и ex vivo в нормальном состоянии и при наличии патологии.
В ходе выполнения проекта будут получены новые научные, технические и технологические результаты в области фотопроводящих источников ТГц излучения, ТГц импульсной спектроскопии и ее биомедицинских приложений, а также заложены основы создания отечественной элементной базы ТГц импульсной спектроскопии – фотопроводящих генераторов и детекторов ТГц импульсов.
Наряду с получением новых научных и технических результатов реализация предлагаемого проекта поспособствует развитию молодежной научной группы – расширению кругозора, получению опыта проведения научных исследований и сотрудничества с ведущими отечественными и зарубежными научными организациями. Результаты проекта будут опубликованы в высокорейтинговых научных журналах, представлены на международных научных конференциях, а также найдут отражение в квалификационных работах молодых ученых –кандидатских и докторских диссертациях членов научной группы. Выполнение проекта позволит расширить экспериментальную и вычислительную базы научной группы.
Ожидаемые результаты
НАУЧНЫЕ И ТЕХНИЧЕСКИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ПРОЕКТА
В результате выполнения проекта будут получены следующие основные научные и технические результаты:
I) Будет разработана физико-математическая модель нестационарного (переходного) тока в фотопроводнике при его возбуждении фемтосекундными лазерными импульсами
Метод генерации широкополосного ТГц излучения с использованием фотопроводящих антенн (ФПА) активно развивается с середины 80-х годов XX века [1]. ФПА широко применяются в современных ТГц импульсных спектрометрах и изображающих системах благодаря своей простоте, долговременной стабильности сигнала и надежности. С момента своего появления ТГц импульсная спектроскопия стала незаменима в решении фундаментальных и прикладных задач в различных областях науки и техники [2–9]. К сожалению, эффективность конверсии энергии лазерного излучения в энергию электромагнитных колебаний ТГц-диапазона до сих пор остается не высокой. Проведенные в инициативном порядке нашей научной группой исследования показывают, что одна из причин этого – низкая эффективность согласования импеданса антенны с сопротивлением фотопроводника [10–13].
Первой задачей, которую предстоит решить на пути повышения эффективности фотопроводящих генераторов импульсного ТГц излучения, является разработка физико-математической модели процесса генерации ТГц излучения в фотопроводнике, отражающей все этапы конверсии энергии ультракоротких лазерных импульсов оптического диапазона в ТГц импульсы:
– ввод лазерных импульсов в фотопроводник и их поглощение средой;
– образование свободных носителей зарядов фотопроводника (электронов и дырок) и их диффузия во внешнем квазистационарном электрическом поле;
– возникновение нестационарного (переходного) фототока;
– конверсия мощности колебаний фототока в ТГц колебания электромагнитного поля и его вывод из антенны в окружающее пространство.
Для построения модели переходного фототока (в частности) и процесса генерации ТГц импульсов (в целом) в проекте будут использоваться как аналитические подходы, так и методы численного моделирования (в том числе методы вычислительной электродинамики). Планируется разработать наиболее общую физико-математическую модель, которая в дальнейшем будет применяться для оценки возможности повышения эффективности оптико-ТГц конверсии и управления спектром генерации с использованием различных (новых для фотопроводящих ТГц генераторов) физических принципов:
– оптимизация геометрии антенны (в том числе применение плазмонных электродов) с целью согласования ее импеданса с импедансом фотопроводника;
– оптимизация структуры фотопроводника (в том числе его микроструктурирование) с целью согласования его импеданса с импедансом антенны, а также для повышения эффективности ФПА в целом, за счет эффектов оптической локализации лазерного излучения в фотопроводнике;
– микроструктурирование поверхности полупроводника с целью снижения френелевских потерь при вводе в него фемтосекундных лазерных импульсов.
Разработанная физико-математическая модель будет обладать существенной научной новизной и практической значимость. Она будет соответствовать современному мировому уровню исследований в рассматриваемой области и позволит решить широкий спектр задач оптимизации ФПА различного назначения.
II) Будут проведены теоретические и экспериментальные исследования по оптимизации геометрии фотопроводящей антенны, направленные на повышение эффективности оптико-ТГц конверсии и управление спектром генерации
Возможность адаптации радиационных для радиотехники топологий антенн (диполь – dipole, бабочка – bow-tie; спираль – log-spiral) для генерации ТГц излучения экспериментально исследуется давно [14-15]. К сожалению, спектры стандартных ФПА с такими топологиями не оптимальны для решения актуальных задач фундаментальных и прикладных исследований, связанных с ТГц спектроскопией и имиджингом, в том числе – задач медицинской диагностики злокачественных новообразований. В частности, для задач диэлектрической спектроскопии требуются широкополосные источники с гладким (немодулированным или «плоским») спектром, а для задач оперативной дифференциации тканей и определения границ злокачественного новообразования зачастую удобнее использовать ФПА, спектральная плотность мощности которых сосредоточена в определенных частотных областях; чаще – в области низких частот (< 1.0 … 2.0 ТГц), так как при работе на более высоких частотах становятся существенными эффекты рассеяния ТГц излучения на поверхностных и объемных неоднородностях биологических тканей.
Проведенные нашей группой пилотные теоретические и экспериментальные исследования указывают на возможность управления шириной и формой спектра ФПА за счет изменения частотно-зависимого импеданса антенны – селективного согласования импеданса антенны и импеданса (сопротивления) фотопроводника [16]. Каждая топология антенны характеризуется индивидуальными особенностями зависимости импеданса от частоты, которые отражаются в спектральной плотности мощности и поляризации генерируемого ТГц излучения. В ходе выполнения проекта будут рассмотрены ФПА
– c традиционной топологией: диполь, спираль, бабочка;
– с комбинированной топологией: “спираль + бабочка”, “спираль + диполь”;
– c трехмерной (3D) геометрией электродов ФПА типа “плазмонная решетка” с высоким соотношением высоты к ширине (аспектным соотношением); новизна заключается в использовании комбинации двух диэлектриков SiNx и Al2O3, причем слой SiNx используется для пассивации – для уменьшения величины тока утеки ФПА, а слой Al2O3 – для заполнения зазора между электродами плазмонной решетки.
Будет проведен сравнительный анализ перечисленных топологий и выработаны рекомендации по их практическому применению для решения задач ТГц медицинской диагностики.
Необходимо отметить, что для каждой новой геометрией электродов ФПА в проекте будет проводиться полный цикл исследований, включающий:
– аналитическое и/или численное моделирование работы ФПА с заданной топологией плеч антенны и геометрией электродов;
– разработку технологического процесса изготовления ФПА с заданной геометрией: топологией плеч антенны и геометрией электродов;
– изготовление тестовой партии ФПА с заданной геометрией;
– изготовление оснастки для монтажа кристаллов ФПА на теплоотвод и проведения экспериментальных исследований антенн;
– экспериментальные исследования процесса генерации ТГц излучения в ФПА с заданной геометрией (измерение спектров генерации и поляризации генерируемого излучения);
– сравнение результатов экспериментальных исследований ФПА с заданной геометрией с теоретическими предсказаниями.
Таким образом, в проекте будет систематически изучено влияние различных геометрий ФПА (в том числе несколько ранее не рассматривавшийся геометрий электродов) на эффективность конверсии оптических импульсов в ТГц поле, спектр и поляризацию генерируемого ТГц излучения. Результаты исследований будут соответствовать мировому уровню в рассматриваемой области.
III) Будут проведены теоретические и экспериментальные исследования, направленные на оптимизацию полупроводниковой подложки фотопроводящей антенны для эффективного ввода фемтосекундного лазерного излучения и управления спектром ТГц генерации
Наряду с оптимизацией геометрии ФПА, в работе планируется рассмотреть подход к повышению эффективности ТГц генерации на основе микроструктурирования фотопроводника:
– при масштабах структуры полупроводника сопоставимых с длиной волны фемтосекундного лазерного излучения планируется достичь высокой эффективности оптико-ТГц конверсии за счет эффектов локализации оптического поля, и соответственно, повышения эффективности взаимодействия фемтосекундного лазерного излучения с материалом фотопроводника (повышения эффективности генерации электронно-дырочных пар) [17–21];
– при существенно суб-волновых масштабах микроструктурирования фотопропроводника планируется реализовать просветление его поверхности – снизить френелевские потери на ввод лазерного излучения в фотопроводник [22–27].
Для формирования микроструктурированного фотопроводника ФПА будет рассмотрена возможность применения различных технологических подходов:
– абляция фемтосекундными лазерными импульсами;
– литографические подходы;
– травление сфокусированным ионным пучком.
Для успешного выполнения данной задачи планируется сочетать теоретические и экспериментальные подходы. Фундаментальная значимость данного результата связана с тем, что в работе будет впервые систематически изучено влияние микроструктурирования фотопроводящего слоя ФПА на процесс генерации ТГц импульсов, причем будет рассмотрены различные масштабы структуры и различные физические принципы повышения эффективности оптико-ТГц конверсии. Практическая значимость связана с тем, что при выполнении данной работы будут разработаны высокоэффективные ФПА нового типа, а также технология их изготовления.
IV) Будет проведена апробация разработанных фотопроводящих антенны в ходе ТГц спектроскопических исследований тканей in vivo и ex vivo
Разработанные и изготовленные в ходе выполнения проекта ФПА будет применяться в работах Лаборатории субмиллиметровой диэлектрической спектроскопии ИОФ РАН им. А.М. Прохорова в составе оригинального ТГц импульсного спектрометра [16] и изображающей системы [28–30]. В частности, они будут использоваться для спектроскопических исследований ТГц диэлектрического отклика здоровых тканей и злокачественных новообразований in vivo и ex vivo, проводимых в Лаборатории совместно с группой акад. И.В. Решетова, Первый МГМУ им. И.М. Сеченова (Москва, Россия) и группой акад. А.А. Потапова, НИИ Нейрохирургии им. акад. Н.Н. Бурденко (Москва. Россия) [31]. Это позволит в кратчайшие сроки довести разработки научной группы Д.С. Пономарева до практического применения.
ПРЕДПОСЫЛКИ УСПЕШНОЙ РЕАЛИЗАЦИИ ПРОЕКТА
Для успешного выполнения задач проекта заявлен междисциплинарный коллектив исполнителей, который включает специалистов различных отраслей научного знания – физиков и математиков с практическим опытом моделирования в области свойств полупроводников, оптических систем и сверхвысокочастотных антенн, экспериментаторов с опытом работы и создания уникальных спектральных и изображающих систем ТГц диапазона частот, специалистов в области полупроводниковой эпитаксии и электронно-лучевой литографии, технологов микромеханического и полупроводникового производства.
Руководитель проекта и члены научной группы имеют достаточный для решения поставленных задач опыт научно-исследовательской деятельности в указанных областях. Коллектив имеет опыт опубликования научных статей в высокорейтинговых изданиях, в том числе, входящих в перечень Q1 и Q2 по Web of Science/Scopus, а также опыт представления результатов исследований на ведущих отечественных и международных конференциях в рассматриваемой области.
РАЗВИТИЕ КАДРОВОГО ПОТЕНЦИАЛА НАУЧНОЙ ГРУППЫ
Реализация предлагаемого проекта создаст благоприятные условия для развития молодежной научной группы – расширению кругозора ее участников, приобретению молодыми учеными опыта самостоятельных научных исследований, установлению связей с коллегами из ведущих вузов и научных организаций в России и за рубежом (в частности, с группой профессора Taiichi Otsuji из Университета Тохоку (Сендай, Япония), URL: < http://www.riec.tohoku.ac.jp/en/ >, в которой руководитель проекта Д.С. Пономарев с 2018 года является пригашенным исследователем). Полученные научные и технические результаты исследований найдут свое отражение в квалификационных работах (кандидатских диссертациях) молодых ученых – И.А. Глинского и М.В. Майтама, участвующих в проекте. Более того, результаты проекта также лягут в основу докторских диссертаций руководителя проекта Д.С. Пономарева и молодого кандидата наук А.Ю. Павлова. Таким образом, выполнение проекта позволит не только достичь значимых фундаментальных и прикладных научных результатов, но и создаст благоприятные условия для развития и сплочения молодежной научной группы, работающей под руководством к.ф.-м.н. Д.С. Пономарева.
РАЗВИТИЕ МАТЕРИАЛЬНО-ТЕХНИЧЕСКОЙ БАЗЫ НАУЧНОЙ ГРУППЫ
Еще одной важной целью предлагаемой работы является развитие материально-технической базы отдельной научной группой. При выполнении проекта группа расширит свои возможности в области комплексного (многомасштабного) математического моделирования сложных полупроводниковых устройств, а также в области создания ТГц импульсных систем (спектроскопических и изображающих) на основе разрабатываемых ФПА. Для этого при выполнении проекта ежегодно планируется приобретение соответствующего вычислительно и экспериментального оборудования.
[1] H. Auston et al., Applied Physics Letters 43, 631 (1983).
[2] L. Ozyuzer et al., Science 318, 1291 (2007).
[3] C. Kubler et al., Physical Review Letters 99, 116401 (2007).
[4] S.O. Yurchenko et al., Journal of Applied Physics 116, 113508 (2014).
[5] B. Fischer et al., Semiconductor Science and Technology 20, S246 (2005).
[6] K.I. Zaytsev et al., IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology 5, 817 (2015)
[7] R.J. Falconer et al., Journal of Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves 33, 973 (2012)
[8] R. Gente et al., Journal of Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves 34, 316 (2013)
[9] E. Castro-Camus et al., Photonics Research 4(3), A36–A42 (2016).
[10] I.A. Glinskiy et al., Russian Microelectronics 46(6), P.408–413 (2017).
[11] D.I. Khusyainov et al., Technical Physics Letters 43(11), 1020–1022 (2017).
[12] D.I. Khusyainov et al., IEEE MTT-S International Microwave Workshop Series on Advanced Materials and Processes for RF and THz Applications (IMWS-AMP), 20-22 Sept. 2017, p. 1-3 (2017)
[13] D.S. Ponomarev et al., Semiconductors 51(9), 1218–1223 (2017).
[14] R. Yano et al., Journal of Applied Physics 97(10), 103103 (2005).
[15] C.W. Berry et al., Applied Physics Letters 104, 081122 (2014).
[16] D.V. Lavrukhin et al., “An impact of impedance matching on THz pulse generation in photoconductive antenna with log-spiral electrode
s”, to be submitted – см. Приложение к заявке.
[17] K.I. Zaytsev et al., Applied Physics Letters 105(5), 051902 (2014).
[18] K.I. Zaytsev et al., Journal of Applied Physics 115(21), 213505 (2014).
[19] S.O Yurchenko et al., Journal of Physics D: Applied Physics 50(5), 05510 (2017).
[20] Yu.P. Voinov et al., Physics of the Solid State 57(3), 453–459 (2015).
[21] S. Lepeshov et al., “Boosting the Terahertz Photoconductive Antenna Performance with Optimized Plasmonic Nanostructures,” arXiv:1706.04607 [physics.optics] (2018).
[22] C.-H. Sun et al., Applied Physics Letters 92(06), 061112 (2008).
[23] Q. –K. Li et al., IEEE Photonics Technology Letters 28(12), 1290 (2016).
[24] G. Tan et al., Optica 4(7), 678 (2017).
[25] D. Hobbs et al., Optical Materials Express 7(9), 3377 (2017).
[26] S. McDanie et al., Optical Materials Express 4(11), 2225 (2014).
[27] Q. K. LI et al., Optics Letters 42(3), 543 (2017).
[28] N.V. Chernomyrdin et al., Review of Scientific Instruments 88(1), 014703 (2017).
[29] N.V. Chernomyrdin et al., Applied Physics Letters 110(22), 221109 (2017).
[30] N.V. Chernomyrdin et al., “Terahertz solid immersion microscopy for sub-wavelength-resolution imaging of biological objects and tissues,” Proceedings of SPIE (2018, accepted) – см. Приложение к заявке.
[31] N.V. Chernomyrdin et al., “In vitro terahertz spectroscopy of gelatin-embedded human brain tumors – a pilot study,” Proceedings of SPIE (2018, accepted) – см. Приложение к заявке.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2018 году
При выполнении первого этапа научно-исследовательского проекта по гранту РНФ развивался комплексный подход к разработке фотопроводящих антенн (ФПА) на основе новых физических принципов. Работы проводились одновременно по трем направлениям.
Первое направление – разработка фотопроводящих материалов с малым временем жизни фотовозбужденных носителей заряда в сочетании с относительно высокими значениями их подвижности.
Методом молекулярно-пучковой эпитаксии (МПЭ) были выращены фотопроводящие слои широкозонного материала - низкотемпературного GaAs с временем жизни фотовозбужденных носителей заряда t_rec = 0.5 пс. Проведено аналитическое моделирование временной формы импульса переходного тока в данном фотопроводнике при разных параметрах лазерного освещения.
Предложены узкозонные фотопроводящие материалы - сверхрешеточные гетероструктуры (СГ) InGaAs/InAlAs с малыми значениями t_rec и относительно большой подвижностью носителей, и не использующие легирующих примесей p-типа (бериллий, эрбий). Комбинация требуемых параметров (малые времена жизни и высокая подвижность носителей) достигается за счет пространственного разделения фотовозбужденных носителей заряда в фотопроводящих слоях и ловушек в барьерных слоях. Конструкция СГ была оптимизирована (определены оптимальные толщины фотопроводящих и барьерных слоев) по результатам численного моделирования зонной структуры.
Образцы решеточно-согласованных СГ были изготовлены в ИСВЧПЭ РАН методом МПЭ на подложках GaAs (100) с помощью метаморфного буфера (МБ). Ступенчатый МБ (0.75 мкм) содержал пять последовательных слоев In(y)Al(1−y)As c возрастающей от 10% до 53% мольной долей индия (y). Сверхрешетка состоит из 30-ти последовательно выращенных слоев In(0.53)Ga(0.47)As и In(0.52)Al(0.48)As с толщинами 12 нм и 4 нм соответственно. Слои СГ были выращена при температуре 400◦С для достижения необходимой концентрации центров захвата и рекомбинации носителей заряда в барьерах.
Образцы СГ были охарактеризованы различными методами: определено кристаллическое совершенство их слоев, определены подвижности и t_rec носителей заряда, измерена ТГц генерация с поверхности. Было обнаружено, что t_rec снижается по мере увеличения длины волны c 800 нм до 930 нм – при этом минимальное значение t_rec составило 2 пс.
Нами впервые было предложено использовать для снижения t_rec напряженные СГ – за счет создания эпитаксиальных напряжений в СГ при уменьшении мольной доли в барьерах до 38% в процессе роста (для рассогласования параметров кристаллических решеток In(0.53)Ga(0.47)As и In(0.38)Al(0.62)As). Были изготовлены и охарактеризованы образцы напряженных СГ на подложках GaAs (100) с МБ (толщины слоев были выбраны аналогично решеточно-согласованной СГ для проведения количественного сравнения характеристик). В частности, было обнаружено, что при тех же условиях оптического возбуждения, для напряженных СГ t_rec снизилось до 1.7 пс - почти в 3 раза по сравнению с ненапряженными (решеточно-согласованными) СГ. Такое резкое снижение t_rec мы связываем с дополнительными механизмами рассеяния, вызванными появлением механических напряжений в СГ – микросплавного рассеяния и рассеяния носителей на неоднородностях (шероховатости) гетероинтерфейса InGaAs/InAlAs. Также зафиксировано увеличение интегральной мощности ТГц излучения более чем в 10 раз, что связано с уменьшением ширины запрещенной зоны в фотопроводящих слоях за счет введенных напряжений и соответствующим увеличением избыточной энергии кванта фотона.
Второе направление - создание ФПА-излучателей с использованием высоко-аспектных плазмонных решеток для повышения эффективности антенны – связано с увеличением оптико-ТГц преобразования энергии лазерного импульса в электромагнитные колебания ТГц диапазона в ФПА.
Был предложен и экспериментально апробирован подход для управления спектром ФПА-излучателя на стадии проектирования антенны, основанный на явном учете эффективного сопротивление фотопроводника Zs и частотной зависимости импеданса антенны Za (селективного согласования Za и Zs).
Было выполнено электромагнитное моделирование параметров антенн с разной топологией. Была построена модель работы используемой в нашем лабораторном импульсном ТГц спектрометре ФПА-детектора, с учетом дифракции ТГц излучения и временных характеристик фотопроводника.
Изготовлены образцы ФПА с разной топологией, исследованы спектры их излучения. Продемонстрирована хорошая корреляция рассчитанных в рамках предложенного подхода (теоретических) и экспериментальных спектров, особенно в области частот <0.6 ТГц.
Были проведены пилотные исследования по повышению эффективности ФПА за счет использования высоко-аспектных плазмонных решеток, расположенных в зазоре антенны. Оптимизация параметров решетки была выполнена путем численного моделирования перераспределения электрического поля световой волны в области контакта металла электрода и фотопроводника: была выбрана оптимальная толщина (высота) металлизации плазмонного электрода (100 нм) при которой наблюдается наиболее сильный плазмонный резонанс, также была определена оптимальная толщина просветляющего (антиотражающего) слоя Al2O3 (180 нм).
Было выполнено математическое моделирование процесса рассеяния электронов в электронно-лучевом резисте для оптимизации дозы экспонирования каждого участка будущей высоко-аспектной плазмонной решетки.
Были изготовлены пилотные образцов ФПА с высоко-аспектной плазмонной решеткой: толщина системы металлов Ti/Au составила 18 нм/82 нм, ширина одного электрода 100 нм, зазор между двумя соседними электродами 100 нм. Было экспериментально показано (по результатам измерения вольт-амперных характеристик для образцов ФПА), что применение пассивации поверхности фотопроводника тонким слоем Si3N4 (по предложенной нами технологии с вытравливанием окон в диэлектрике без использования меза-изоляции) позволило для всех топологий антенн значительно уменьшить токи утечки: до единиц нА (для напряжения питания порядка 40 В) для ФПА на основе LT-GaAs (и SI-GaAs) и до единиц мкА (для напряжения питания порядка 20-30 В) для ФПА на основе СГ InGaAs/InAlAs.
В ходе пилотных исследовании спектральных характеристик ФПА-излучателей с высоко-аспектными плазмонными решетками на основе исследуемых нами фотопроводников было зафиксировано значительное увеличение фототока антенны и интегральной мощности ТГц излучения. Для средней мощности лазерной накачки < 1 мВт в плазмонных ФПА на основе SI-GaAs увеличение фототока и интегральной мощности составили 25 и 3000 раз соответственно, в плазмонных ФПА на основе СГ InGaAs/InAlAs увеличение составило 5 раз (для фототока) и 200 раз (для мощности). Оценочные данные по величине оптико-ТГц преобразования составляют 1.5% для плазмонной ФПА и 1/(1000)% для обычной антенны.
Третье направление - микроструктурирование поверхности ФПА для повышения эффективности ввода лазерного излучения в зазор антенны - связано с разработкой новых методов концентрации световой энергии лазера в зазоре ФПА.
Путем численного моделирования было установлено, что рассеяние лазерного излучение в диэлектрике особой ассиметричной формы (кубоид с призмой, расположенный на металлической поверхности) приводит к суб-волновой фокусировке оптического излучения.
Было показано, что путем выбора параметров (к примеру, размера кубоида и угла призмы) с помощью такой диэлектрической конструкции в области задней поверхности кубоида возможно сформировать изогнутый в пространстве пучок излучения - «плазмонный фотонный крюк» (ПФК). При оптимальных параметрах, формирование ПФК позволяет преодолеть дифракционный предел 0.5lambda и может быть использовано для эффективной фокусировки оптического излучения. Таким образом, нами совместно с группой И. Минина (ТПУ) был впервые теоретически предложен новый класс искривленных ближнепольных пучков, отличных от пучков Эйри, который позволяет сконцентрировать энергию импульса в сверхмалом объеме в зазоре ФПА. Мы полагаем, что предложенный таким образом фокусирующий элемент на основе ПФК может повысить эффективность обычных ФПА.
Результаты работы первого этапа гранта РНФ нашли свое отражение в 11 опубликованных научных статьях в зарубежных и отечественных изданиях. Часть материалов подготавливается в данный момент к опубликованию на следующих этапах выполнения проекта. Результаты работы были представлены на зарубежных и отечественных научных мероприятиях (конференциях и симпозиумах), в том числе в виде приглашенных, устных и стендовых докладов. Из средств гранта приобретен комплект для сборки оптического стола под лабораторный импульсный ТГц спектрометр, расположенный в ИОФ РАН, для решения экспериментальных (измерительных) задач по проекту. Таким образом, выполнение проекта позволило не только достичь всех запланированных на первом этапе научных и технических результатов, но и развить кадровый потенциал, а также пополнить материально-техническую базу отдельной молодежной научной группы.
Публикации
1. А.М. Буряков, Д.И. Хусяинов, Е.Д. Мишина, А.Э. Ячменев, Р.А. Хабибуллин, Д.С. Пономарев Effect of Epitaxial Stresses on the Time Dynamics of Photoexcited Charge Carriers in InGaAs−Based Superlattices MRS Advances, 1-6 (год публикации - 2019) https://doi.org/10.1557/adv.2019.163
2. Д.В. Лаврухин, А.Э. Ячменев, А.Ю. Павлов, Р.А. Хабибуллин, Ю.Г. Гончаров, И.Е. Спектор, Г.А. Командин, С.О. Юрченко, Н.В. Черномырдин, К.И. Зайцев, Д.С. Пономарев Shaping the spectrum of terahertz photoconductive antenna by frequencydependent impedance modulation Semicond. Sci. Technol., 034005 (10pp) (год публикации - 2019) https://doi.org/10.1088/1361-6641/aaff31
3. Д.В. Лаврухин, А.Э. Ячменев, И.А. Глинский, Р.А. Хабибуллин, M. Рыжий, Т. Отсуджи, М. Шур, К.И. Зайцев, Д.С. Пономарев Plasmonic terahertz emitters with high-aspect ratio metal gratings Proc. SPIE 11022, International Conference on Micro- and Nano-Electronics 2018, 1102203 5p (год публикации - 2019) https://doi.org/10.1117/12.2521290
4. Д.В. Лаврухин, А.Э. Ячменев, И.А. Глинский, Р.А. Хабибуллин, Ю.Г. Гончаров, M. Рыжий, Т. Отсуджи, И.Е. Спектор, М. Шур, М. Скоробогатый, К.И. Зайцев, Д.С. Пономарев Terahertz photoconductive emitter with dielectric-embedded high-aspect-ratio plasmonic grating for operation with low-power optical pumps AIP Advances, 9, 015112 5p. (год публикации - 2019) https://doi.org/10.1063/1.5081119
5. Д.В. Лаврухин, Р.Р. Галиев, А.Ю. Павлов, А.Э. Ячменев, М.В. Майтама, И.А. Глинский, Р.А. Хабибуллин, Ю.Г. Гончаров, К.И. Зайцев, Д.С. Пономарев Плазмонные фотопроводящие антенны для систем терагерцовой импульсной спектроскопии и визуализации Оптика и спектроскопия, том 126, вып. 5, стр. 665-671 (год публикации - 2019) https://doi.org/10.21883/0000000000
6. Д.С. Пономарев, А. Городецкий, А.Э. Ячменев, С.С. Пушкарев, Р.А. Хабибуллин, М.М. Грехов, К.И. Зайцев, Д.И. Хусяинов, А.М. Буряков, Е.Д. Мишина Enhanced terahertz emission from strain-induced InGaAs/InAlAs superlattices J. Appl. Phys., 125, 151605 (год публикации - 2019) https://doi.org/10.1063/1.5079697
7. И.А. Глинский Электромагнитное моделирование плазмонных металлических решеток для фотопроводящих антенн Нано- и микросистемная техника, Том 20, №11, стр. 651-658 (год публикации - 2018) https://doi.org/10.17587/nmst.20.651-658
8. Минин И.В., Минин О.В., Пономарев Д.С., Глинский И.А. Photonic Hook Plasmons: A New Curved Surface Wave Annalen der Physik, 1800359 (год публикации - 2018) https://doi.org/10.1002/andp.201800359
9. Хусяинов Д.И., Буряков А.М., Мишина Е.Д., Хабибуллин Р.А., Ячменев А.Э., Пономарев Д.С. Роль энергии фотонов возбуждения в динамике фотоиндуцированных носителей заряда в сверхрешеточных гетероструктурах InGaAs/InAlAs Письма в журнал технической физики, том 44,вып. 23, стр.146 (год публикации - 2018) https://doi.org/10.21883/PJTF.2018.23.47022.17469
10. Ячменев А.Э., Лаврухин Д.В., Глинский И.А., Хабибуллин Р.А., Галиев Р.Р., Павлов А.Ю., Гончаров Ю.Г., Спектор И.Е., Рыжий М., Отсуджи Т., Зайцев К.И., Пономарев Д.С. Plasmonic terahertz antennas with high-aspect ratio metal gratings EPJ Web of Conferences, 195, 02009 (год публикации - 2018) https://doi.org/10.1051/epjconf/201819502009
11. Ячменев А.Э., Хабибуллин Р.А., Иляков И.Е., Глинский И.А., Кучерявенко А.С., Шишкин Б.В., Ахмеджанов Р.А., Зайцев К.И., Пономарев Д.С. Terahertz emission from InGaAs with increased indium content SPIE, the international society for optics and photonics, SPIE 10800, Millimetre Wave and Terahertz Sensors and Technology XI, 108000D (год публикации - 2018) https://doi.org/10.1117/12.2322536
12. К.И. Зайцев, И.Н. Долганова, Н.В. Черномырдин, Г.М. Катыба, А.А. Гавдуш, О.П. Черкасова, Г.А. Командин, М.А. Щедрина, А.Н. Ходан, Д.С. Пономарев, И.В. Решетов, В.Е. Карасик, М.А. Скоробогатый, В.Н. Курлов и В.В. Тучин Malignancy diagnosis using terahertz spectroscopy and imaging: a review Journal of Optics, - (год публикации - 2019)
13. - Photonic plasmon hook: scientists obtain a new class of curved beams for biosensors and nanoparticle control NanoWerk, - (год публикации - )
14. - «Плазмонный крючок»: ученые получили новый класс искривленных пучков для биосенсоров и управления наночастицами Российский научный фонд, - (год публикации - )
Аннотация результатов, полученных в 2019 году
При выполнении второго этапа гранта развивался комплексный подход к разработке фотопроводящих антенн (ФПА) на основе новых физических принципов функционирования. Работы проводились одновременно по трем направлениям.
ПЕРВОЕ НАПРАВЛЕНИЕ – разработка фотопроводящих материалов с малым временем жизни фотовозбужденных носителей заряда в сочетании с относительно высокими значениями их подвижности.
В ходе экспериментальных исследований были оптимизированы режимы эпитаксиального роста напряженных сверхрешеточных (СР) гетероструктур InAlAs/InGaAs на подложках GaAs (100) с метаморфным буфером. Рассматривались как решеточно-согласованные СР, так и предложенные в ходе работы оригинальные напряженные структуры, в которые механические напряжения вводились путем искусственного рассогласования параметров кристаллической решетки барьерных слоев InAlAs по отношению к слоям InGaAs. Для локализации фотовозбуждения в тонкой фотопроводящей СР гетероструктуре, нами были отработаны режимы формирования распределенного Брэгговского отражателя между слоями СР и слоем метаморфным буфером.
Для аттестации степени кристаллического совершенства и/или параметров созданного искусственно напряженно-деформированного состояния слоев СР были проведены рентгенодифракционнные исследования образцов СР в геометрии сканирования Theta-2*Theta. Также для выращенных образцов фотопроводящих материалов методом накачка-зондирование были измерены времена жизни фотовозбужденных носителей заряда. В напряженных СР было зафиксировано рекордно низкое время жизни ~ 1.7 пс. Отметим, что наш подход позволил в процессе роста фотопроводящих слоев InGaAs отказаться от легирования их компенсирующей примесью p-типа, при этом сохраняя высокую подвижность в слоях InGaAs одновременно с достаточно высоким электрическим сопротивлением. На основе выращенных материалов были изготовлены образцы ФПА, которые использовались в качестве антенны-детектора в лабораторном импульсном ТГц спектрометре во временной области.
ВТОРОЕ НАПРАВЛЕНИЕ - создание ФПА-излучателей и ФПА-детекторов с использованием высоко-аспектных плазмонных решеток для повышения эффективности антенны – связано с увеличением оптико-терагерцового преобразования энергии лазерного импульса в электромагнитные колебания ТГц диапазона в ФПА.
На основе выращенных нами напряженных и решеточно-согласованных (не напряженных) СР гетероструктур InAlAs/InGaAs были спроектированы и изготовлены образцы ФПА-детекторов импульсного ТГц излучения. Для проведения экспериментов с ФПА был собран лабораторный импульсный ТГц спектрометр во временной области, позволяющий в разных режимах работы измерять абсолютные мощности антенн-излучателей и характеристики антенн-детекторов.
Измерения при средней мощности зондирующего излучения 10 мВт показали, что динамический диапазон ФПА-детекторов на основе СР обоих типов составляет ~ 60-65 дБ при ширине полосы приема 0.1-3.5 ТГц. Однако ФПА на основе напряженной СР во всей полосе приема все же обеспечили 2-3 кратный прирост сигнал по сравнению с ФПА на основе решёточно-согласованной СР. Было экспериментально показано, что в диапазоне мощностей зондирующего лазерного излучения Popt = 0.3-12 мВт напряженные структуры обладают и более низким уровнем шума. Были выполнены экспериментальные измерения зависимостей отношения сигнал/шум (signal–to-noise ratio, SNR) на фиксированных частотах ТГц излучения (в диапазоне 0.5-2.5 ТГц) от Popt для образцов ФПА на основе напряженных и решеточно-согласованных СР, которые выявили интересную особенность - наличие пересечения экспериментальных кривых для двух образцов вблизи Popt ~ 5–8 мВт. Таким образом, в области малой мощности зондирования Popt < 5 мВт значения SNR для решеточно-согласованной СР выше, чем для напряженной структуры. С увеличением мощности излучения SNR напряженной структуры начинает расти, а для решеточно-согласованной - выходит на насыщение, а потом снижается. Разное поведение кривых мы связали с различным протеканием процессов экранирования электрического поля падающей на приемник ТГц волны фотовозбужденными носителями заряда из-за неодинаковости подвижности носителей и концентрации центров захвата в рассматриваемых СР.
Нами был предложен и опробован на численных 3D моделях антенн с разной топологией, оригинальный подход к снижению величины темнового тока в ФПА-излучателях: заменить технологический процесс травления мезы в зазоре антенны нанесением на поверхность фотопроводника тонкого пассивирующего слоя широкозонного диэлектрика Si3N4. Методом численного моделирования были выбраны оптимальные, с точки зрения снижения темнового тока в 3-5 раз, геометрические размеры области контакта металла к фотопроводнику – размеры окна в диэлектрике. Был предложен и реализован технологический маршрут с использованием диэлектрика Si3N4, пригодный для фабрикации антенн с традиционной топологией и с плазмонными решетками. Было показано, что для образцов ФПА на основе GaAs наблюдается снижение темнового тока не менее чем в 8 раз, а на основе СР гетероструктур InGaAs/InAlAs – не менее 4 раз.
Эффективность работы ФПА-излучателя и спектр его излучения можно оценить с позиций согласования импеданса: рассматривая сопротивление (импеданс) фотопроводника Zs и частотно-зависимый импеданс антенны Za. Для расчета Zs нами была построена реалистичная численная модель переходного тока, возникающего в фотопроводящем материале при воздействии ультракороткого импульса лазерного излучения, учитывающая динамику заполнения и высвобождения центров захвата фотовозбужденных носителей - для случаев однородного и точечного лазерного возбуждения. Модель базировалась на наборах параметров фотопроводящего слоя из низкотемпературного GaAs и идеальной спиральной антенны бесконечной длины. Мы показали, что с точки зрения эффективности работы ФПА-излучателя, точечное освещение зазора оказывается предпочтительнее однородного: при том же значении средней мощности лазерного возбуждения достигается большая мощности ТГц излучения и расширяется спектр ТГц генерации антенны.
Для случая точечного освещения было показано, что увеличение мощности лазерного возбуждения не оптимально с точки зрения прироста эффективности ФПА-излучателя: в реальных материалах центры захвата быстро заполняются, но медленно освобождаются, соответственно, с ростом мощности импульсы переходного тока удлиняются (спектр излучения), а мощность ТГц излучения падает. Больший прирост эффективности ФПА-излучателя достигается увеличением приложенного к антенне напряжения смещения, так как это не сопровождается изменением формы импульсов переходного тока. Это означает, что если при фабрикации антенн принять описанные выше меры по снижению темнового тока, то максимальная эффективность для конкретной ФПА будет ограничиваться только электрической прочностью фотопроводника.
Для абсолютных измерений интегральной мощности ФПА-излучателей была проведена калибровка приемника ТГц излучения - ячейки Голея. С помощью лабораторного спектрометра во временной области были продолжены исследования пилотных образцов ФПА-излучателей на основе SI-GaAs с плазмонной топологией, продемонстрировавшие динамический диапазон спектрометра 75 дБ при ширине спектра 3.5-3.8 ТГц. Для плазмонной ФПА по сравнению с традиционной был зафиксирован примерно постоянный по спектру прирост плотности мощности ТГц излучения, а также прирост интегральной мощности от 200 до 2000 раз. Мы показали, что с ростом мощности лазерного излучения накачки эффективность оптико-ТГц конверсии снижается - максимально достигнутое значение конверсии составило около 1.5% при мощности лазерного излучения ~ 0.1-1 мВт. Для плазмонной ФПА максимальная достигнутая в экспериментах интегральная мощность ТГц излучения составила ~ 10 мкВт.
Использую приобретенный опыт численного моделирования и технологические наработки по увеличению высоты плазмонного электрода, была проведена оптимизация конструкции плазмонных решеток. Расчеты показали, что для h = 150 нм выбором геометрических параметров решетки можно достичь рекордного (расчетного) значения коэффициента электрического поля (квадрата отношения напряженности эл. поля в области контакта металла решетки с фотопроводником к квадрату напряженности эл. поля без решетки) Egr^2 / Ewo gr^2 = 10^5. На основе данных моделирования были изготовлены новые пилотные образцы плазмонных антенн со следующими геометрическими размерами: высота электрода h = 150 нм, ширина электрода 100 нм, период электродов 250 нм. При средней мощности лазерной накачки ~ 10 мВт и очень малом напряжении смещения (всего 12 В), пилотные образцы ФПА продемонстрировали интегральную мощность ТГц излучения уже на уровне 10 мкВт.
ТРЕТЬЕ НАПРАВЛЕНИЕ - микроструктурирование поверхности ФПА для повышения эффективности ввода лазерного излучения в зазор антенны - связано с разработкой новых методов концентрации световой энергии лазера в зазоре ФПА.
Предложено использовать диэлектрические металинзы двух новых типов для суб-волновой фокусировки лазерного излучения в зазоре ФПА. Металинзы представляют собой одну (или несколько) коллоидных сферических микрочастиц из полиметилметакрилата (PMMA) диаметром 0.4-2.5 мкм или отрезок сапфирового волокна диаметром 140-240 мкм с высоким показателем преломления в оптическом диапазоне. Металинзы располагаются на поверхности верхнего просветляющего слоя ФПА из Al2O3 или SiNx. Создан лабораторный стенд для манипуляций и/или размещения предлагаемых структур в зазоре антенны, состоящий из оптического микроскопа с высоким увеличением и специального механического микропозиционера. Оба типа металинз позволяют сформировать сильно локализованную в пространстве каустику оптического излучения, создавая высокую плотность носителей заряда в приповерхностном слое фотопроводника. С помощью численного моделирования показано, что применение данных структур действительно позволяет увеличить плотность фотовозбужденных носителей заряда в области контактов ФПА в 8-10 раз по сравнению с антенной без фокусирующего элемента.
Показано, что при взаимодействии плазмонной поверхностной волны (возникающей при воздействии оптического излучения) с диэлектрической микроструктурой, происходит суб-волновая фокусировка излучения света за счет формирования «плазмонного джета (струи)». Проведена первая экспериментальная верификация модели формирования «плазмонного джета» с характерной длиной распространения 3-5 lambda (где lambda – длина волны оптического излучения 1490-1630 нм, возбуждающего поверхностные плазмонные волны).
Результаты работы второго этапа гранта РНФ нашли свое отражение в 4 опубликованных научных статьях в зарубежных изданиях, входящих в Web of Science. Часть материалов, содержащих результаты уже выполненных нами работ, находится на первой стадии рецензирования в журналах (в 2 журналах из перечня Q1 Web of Science), другие - в данный момент только подготавливаются к опубликованию на следующем этапе выполнения проекта. Результаты работы представлялись на зарубежных и отечественных научных мероприятиях (конференциях и симпозиумах), в том числе в виде приглашенных, устных и стендовых докладов. Из средств гранта была приобретена вычислительная станция для проведения численного моделирования и решения теоретических задач по проекту.
Публикации
1. Д.В. Лаврухин, И.А. Глинский, Н.В. Зенченко, Р.А. Хабибуллин, А.В. Арсенин, Д.И. Якубовский, В.С. Волков, И.В. Минин, О.В. Минин, Д.С. Пономарев Optical Light Confinement in Terahertz Antennas AIP Conference Proceedings, - (год публикации - 2020)
2. Минин И.В., Минин О.В., Глинский И.А., Хабибуллин Р.А., Малуреану Р., Лавриненко А.В., Якубовский Д.И., Арсенин А.В., Волков В.С., Пономарев Д.С. Plasmonic nanojet: an experimental demonstration Optics Letters, - (год публикации - 2020)
3. Минин И.В., Минин О.В., Глинский И.А., Хабибуллин Р.А., Малуреану Р., Якубовский Д.И., Волков В.С., Пономарев Д.С. Experimental verification of a plasmonic hook in a dielectric Janus particle Optics Express, - (год публикации - 2020)
4. Пономарев Д.С., Лаврухин Д.В., Ячменев А.Э., Хабибуллин Р.А., Семенихин И.А., Вьюрков В.В., Маремьянин К.М., Гавриленко В.И., Рыжий М.В., Шур М.В., Отчуджи Т., Рыжий В.И. Sub-terahertz FET detector with self-assembled Sn-nanothreads Journal of Physics D: Applied Physics, 53, 075102 (год публикации - 2019) https://doi.org/10.1088/1361-6463/ab588f
5. Зайцев К.И., Долганова И.Н., Черномырдин Н.В., Катыба Г.М., Гавдуш А.А., Черкасова О.П., Командин Г.А., Щедрина М.А., Ходан А.Н., Пономарев Д.С., Решетов И.В., Карасик В.Е., Скоробогатый М., Курлов В.Н., Тучин В.В. The progress and perspectives of terahertz technology for diagnosis of neoplasms: A review Journal of Optics, 22 013001 (2020) (год публикации - 2019) https://doi.org/10.1088/2040-8986/ab4dc3
6. Ячменев А.Э., Лаврухин Д.В., Глинский И.А., Зенченко Н.В., Гончаров Ю.Г., Спектор И.Е., Хабибуллин Р.А., Отчуджи Т., Пономарев Д.С. Metallic and dielectric metasurfaces in photoconductive terahertz devices: a review Optical Engineering, 59(6), 061608 (2019) (год публикации - 2020) https://doi.org/10.1117/1.OE.59.6.061608
7. Ячменев А.Э., Пушкарев С.С., Резник Р.Р., Хабибуллин Р.А., Пономарев Д.С. Arsenides-and related III-V materials-based multilayered structures for terahertz applications: Various designs and growth technology Progress in Crystal Growth and Characterization of Materials, - (год публикации - 2020) https://doi.org/10.1016/j.pcrysgrow.2020.100485
8. Пономарев Д.С. Новые оптические материалы Оптика и спектроскопия, 129, 1, 867 (2020) (год публикации - 2020)
9. - Strain incorporation in InGaAs/InAlAs superlattices enhances terahertz emission MRS Bulletin, Cambridge University Press, - (год публикации - )
Аннотация результатов, полученных в 2020 году
При выполнении третьего этапа проекта нами были проведены теоретические, технологические и экспериментальные работы, направленные на увеличение эффективности оптико-терагерцовой (ТГц) конверсии фотопроводящих антенн (ФПА)-излучателей и детекторов ТГц излучения.
1. Построена и исследована математическая модель возбуждения носителей заряда в зазоре ФПА через металинзу - волокно из профилированного сапфира, расположенное на поверхности фотопроводника. Показано, что вблизи волокна имеет место перераспределение энергии световой волны накачки с образованием субволновых каустик – компактных областей с высокой концентрацией фотовозбужденных носителей заряда. Путем численного моделирования показано, что при выбранных параметрах модели ФПА коэффициент усиления интенсивности достигает максимума ~ 7 при диаметре волокна 220 мкм (по сравнению с ФПА без металинзы). Разработана технология изготовления образцов, позволяющая практически осуществить размещение профилированного сапфирового волокна на поверхность ФПА.
2. Предложен новый метод фокусировки излучения - с помощью симметричной диэлектрической микроструктуры, расположенной на тонкой металлической пленке; путем численного моделирования оптимизированы ее геометрические параметры. Изготовлены образцы структур, снабженные специальными дифракционными решетками, для возбуждения в них при лазерном освещении поверхностных плазмон – поляритонов. Показана первая экспериментальная демонстрация эффекта «плазмонной наноструи». Предложена ассиметричная диэлектрическая микроструктура для формирования искривленных плазмонных пучков - «плазмонных крюков». Изготовлены и экспериментально исследованы образцы данных структур. Подтверждено наличие особого свойства у формируемых микроструктурами пучков электромагнитного излучения - наличие точки перегиба, начиная с которой пучок отклоняется от прямолинейной траектории.
3. Разработана и изготовлена специальная оптическая система для визуализации поверхности ФПА с видеокамерой, необходимая для точной юстировки излучения накачки относительно образцов антенн с сапфировыми волокнами. Разработано программное обеспечение для визуализации зазора антенны в режиме реального времени с разрешением ~0.6 мкм/пиксель при размере изображения 1600х1200, позволяющее представлять профиль лазерного пучка в разной форме.
Измерены спектры мощности ФПА-излучателей с высоко-аспектными плазмонными решетками для возбуждения на длине волны 780 нм. Эффективность ФПА с решетками с высотой (толщиной металла) 150 нм оказалась выше, чем в случае 100 нм. Обнаружено, что независимо от высоты решеток, эффекты экранирования приводят к снижению величины «прироста» (связанного с возбуждением плазмонных мод) в спектрах плотности мощности ТГц излучения. Измерены фототоки ФПА-излучателей при ориентации вектора напряженности электрического поля световой волны поперек и вдоль электродов решетки для разной высоты (толщины) металлизации и при разных условиях оптической накачки; измерены спектры ТГц генерации излучения. Для ФПА-излучателей с высотой плазмонных электродов 150 нм максимальная зарегистрированная интегральная мощность ТГц излучения составила 5,3 мкВт (эффективность оптико-ТГц конверсии 0,19%) при Popt = 2,8 мВт и напряжении смещения Ub = 8,6 В.
4. С помощью разработанных ФПА-детекторов с высоко-аспектными решетками при разных условиях оптической накачки зарегистрированы спектры ТГц излучения эталонной антенны. Экспериментально измерены шумы и полезные сигналы (спектры эталонной антенны) с помощью ФПА-детекторов с высоко-аспектными решетками, рассчитаны отношения «сигнал/шум». Максимальный прирост отношения «сигнал/шум» зафиксирован при мощностях накачки менее 1 мВт и составил ~1.6-2 раза. Максимальная эффективность ФПА-излучателей и ФПА-детекторов с высоко-аспектными плазмонными электродами наблюдается при мощностях накачки ~ 1-3 мВт, а уже при мощностях накачки более 5 мВт начинают проявляться эффекты насыщения.
5. Создан экспериментальный (лабораторный) импульсный ТГц спектрометр на основе разработанных ФПА для исследования биологических объектов. Выполнены ТГц измерения абсорбции паров воды коллагеновыми матрицами – скаффолдами: экспериментальное исследование динамики гидратации и обезвоживания коллагеновых матриц в различных условиях. Изучена кинетика адсорбции водяных паров децеллюляризованного бычьего перикарда (decellularized bovine pericardium). Исследована комплексная диэлектрическая проницаемость коллагеновых матриц в диапазоне частот 0,25-1,8 ТГц: для дегидратированных в вакууме матриц и для гидратированных при влажности 80%. Выполнены спектроскопические исследования структурной анизотропии образцов тканей мозга из области мозолистого тела.
6. Выполнен анализ и создана концепция функционирования мощных ФПА-излучателей с большой площадью периферии. Создана физическая концепция функционирования многоканальных детекторов ТГц излучения на основе массивов ФПА для увеличения скорости и пространственного разрешения систем визуализации биологических объектов на основе импульсной ТГц спектроскопии. Существенный прирост скорости формирования изображения может быть достигнут при использованием матричного (многоканального) приемника на основе ФПА с параллельным и одновременным считыванием не менее 8 каналов.
Результаты работ третьего этапа гранта РНФ нашли свое отражение в 6 опубликованных научных статьях в зарубежных и отечественных изданиях, в том числе 3 входящих в Q1 Web of Science, JCR (Appl. Phys. Lett.; Opt. Lett.; Opt. Eng.). Часть материалов, содержащих результаты уже выполненных нами работ, находится на первой стадии рецензирования в журнале IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, и на стадии повторного рецензирования в журнале IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology; другие - в данный момент только подготавливаются к опубликованию и будут отправлены в журналы, в случае продления гранта. Результаты работ неоднократно представлялись на зарубежных и отечественных научных мероприятиях (конференциях, симпозиумах и семинарах), в том числе в виде приглашенных, устных и стендовых докладов. Из средств гранта была приобретена вычислительная станция для проведения численного моделирования и решения теоретических задач по проекту.
Публикации
1. И.В. Минин, О.В. Минин, И.А. Глинский, Р.А. Хабибуллин, Р. Малуреану, А.В. Лавриненко, Д.И. Якубовский, А.В. Арсенин, В.С. Волков, Д.С. Пономарев Plasmonic nanojet: an experimental demonstration Optics Letters, Vol. 45, No. 12, 3244 (2020) (год публикации - 2020) https://doi.org/10.1364/OL.391861
2. Минин И.В., Минин О.В., Глинский И.А., Хабибуллин Р.А., Малуреану Р., Лавриненко А., Якубовский Д.И., Волков В.С., и Пономарев Д.С. Experimental verification of a plasmonic hook in a dielectric Janus particle Applied Physics Letters, 118, 131107 (год публикации - 2021) https://doi.org/10.1063/5.0043923
3. Пономарев Д.С. Элементная база фотопроводящих полупроводниковых устройств для генерации терагерцового излучения, Нано- и микросистемная техника Нано- и микросистемная техника, том 23, номер 2, стр.82-87 (год публикации - 2021) https://doi.org/10.17587/nmst.23.82-87
4. Пономарев Д.С. Photoconductive THz emitters with high-aspect-ratio plasmonic gratings Proceedings of SPIE, V. 11846,11846 0G, PROGRESS IN BIOMEDICAL OPTICS AND IMAGING Vol. 22 No. 57 (год публикации - 2021)
5. Ячменев А.Э., Лаврухин Д.В., Хабибуллин Р.А., Гончаров Ю.Г., Спектор И.Е., Зайцев К.И., Соловьев В.А., Иванов С.В., Пономарев Д.С. Фотопроводящий THz детектор на основе новых функциональных слоев в гетероструктурах Оптика и спектроскопия, том 129, вып. 6, стр. 741 (год публикации - 2021) https://doi.org/10.21883/OS.2021.06.50985.4-21
6. И.Н. Долганова, Д.С. Пономарев, И.Е. Спектор, М.С. Шур, П.С. Тимашев, В.В. Тучин Special Section Guest Editorial: Advances in Terahertz and Infrared Optoelectronics Optical Engineering, 60(8), 082001 (год публикации - 2021) https://doi.org/10.1117/1.OE.60.8.082001
Возможность практического использования результатов
не указано