КАРТОЧКА ПРОЕКТА,
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 19-72-10141

НазваниеТонкопленочные структуры на основе висмута и сурьмы для терагерцовой фотоники

РуководительХодзицкий Михаил Константинович, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регионфедеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет ИТМО", г Санкт-Петербург

Срок выполнения при поддержке РНФ 07.2019 - 06.2021 

КонкурсКонкурс 2019 года «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 02 - Физика и науки о космосе, 02-301 - Физическая оптика

Ключевые словатерагецовое излучение, фотодетектор, полуметаллы, устройства на базе тонких пленок, тонкие пленки, висмут, висмут-сурьма, сурьма, термоэлектрические материалы, фототермоэлектрический эффект

Код ГРНТИ29.31.26 29.31.27


СтатусУспешно завершен


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
Излучение терагерцового диапазона частот перспективно для решения различных практически важных задач и может быть использовано в системах спектроскопии, визуализации, детектирования и передачи данных. Но для развития терагерцовых технологий до сих пор существует проблема, связанная с отсутствием доступных и эффективных терагерцовых устройств. Так, несмотря на то, что за последние два десятилетия значительное количество исследований было посвящено разработке высокочувствительного, быстродействующего, компактного детектора терагерцового излучения, работающего при комнатной температуре, в этом направлении остается много нерешенных задач. Одна из основных задач заключается в поиске новых материалов с высокой чувствительностью к терагерцовому излучению при комнатной температуре, для их использования в качестве функциональной среды в системах детектирования. Большинство предлагаемых к настоящему моменту терагерцовых датчиков либо обладают высокой скоростью отклика, но имеют низкую чувствительность, либо обладают высокой чувствительностью при низком быстродействии. Значительным потенциалом для решения данной проблемы обладают термоэлектрические материалы на основе твердых растворов висмута и сурьмы, благодаря малой ширине запрещенной зоны они относятся к классу полуметаллов с хорошими термоэлектрическим характеристиками. В рамках данного проекта впервые будет исследовано влияние терагерцового излучения на свойства термоэлектрических материалов. И на основе полученных данных будет создана теоретическая база и определены границы применимости термоэлектриков в качестве основы терагерцовых устройств. Нахождение материала с необходимыми характеристиками даст возможность создания детекторов терацерцового излучения с высокой чувствительностью и малым временем отклика. Настоящий проект является передовым в области ТГц технологий и соответствует мировому уровню исследований. Полученные результаты должны способствовать использованию новых термоэлектрических материалов, а также разработанных устройств на их основе в различных областях современной терагерцовой фотоники.

Ожидаемые результаты
Основной результат выполнения проекта - прототип высокочувствительного ТГц детектора на основе тонкопленочных термоэлектрических структур с малым временем отклика, работающий при комнатной температуре. Данный детектор может быть использован в качестве элемента для систем связи и безопасности.Также будет получена информация о взаимодействии ТГц излучения с тонкопленочными термоэлектрическими материалами на основе твердых растворов висмут-сурьма. Результаты научной работы, полученные в ходе выполнения проекта, окажут значительное влияние на научное сообщество в области терагерцовой фотоники и термоэлектрических материалов. Для этого результаты будут публиковаться в высокорейтинговых журналах (Q1 и Q2, не менее пяти раз в год), а основные результаты будут представляться на ведущих конференциях в области фотоники и термоэлектрических материалов (не менее двух раз в год). Кроме того, разработанные компоненты могут быть использованы производителями и предприятиями индустрии фотоники, такими как ООО "Тидекс", TeraSense, BATOP GmbH, TeraView, TOPTICA, EKSPLA, Menlo Systems.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация результатов, полученных в 2019 году
1.Гиперболическая среда - это особый класс сильно анизотропных материалов, описываемых тензором диагональной диэлектрической проницаемости, главные компоненты которого имеют противоположные знаки, что приводит к гиперболической форме контуров изочастот. Эти среды поддерживают распространение электромагнитных волн с чрезвычайно большими волновыми векторами, демонстрирующими уникальные оптические свойства и приложения, такие как отрицательное преломление, субволновая визуализация, усиление спонтанного излучения, управление излучательной теплопередачей, повышение скорости спонтанного излучения (фактор Парселла), биосенсорика и удержание света в наномасштабе. Гиперболические метаматериалы были экспериментально реализованы для оптического, инфракрасного и микроволнового диапазонов частот. Для терагерцового частотного диапазона среды на основе графена и висмута только теоретически предсказывали наличие гиперболической дисперсии. В данной работе мы показываем экспериментальные доказательства гиперболической дисперсии в висмут-диэлектрических материалах на терагерцовых частотах. Мы измерили временные формы ТГц импульсов, прошедших через ультратонкие структуры пленка висмута/диэлектрик, и обнаружили отрицательную временную задержку, вызванную переходом между эллиптической и гиперболической дисперсией при увеличении толщины висмута. В гиперболическом режиме мы демонстрируем переключение между эффективным режимом, близким к нулю, и отрицательным показателем преломления, который зависит от толщины пленки висмута и оптических свойств диэлектрической подложки. Наши результаты демонстрируют возможность реализации простых плоских гиперболических сред для развития ТГц фотоники, зондирования, визуализации и систем связи. https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/pssr.202000093 2. Представлены результаты измерений гавальномагнитных и оптических свойств в ТГц диапазоне частот тонких пленок Bi1-xSbx на полиимидных и слюдяных подложках с различными концентрациями сурьмы (x от 0 до 15%) и толщиной пленки (70, 150 нм). Удельное сопротивление, коэффициент Холла и магнитосопротивление пленок измерялись экспериментально в магнитном поле 0,65 Тл при комнатной температуре. Подвижность и концентрация электронов и дырок в плоскости пленки рассчитывались с использованием коэффициентов переноса. Терагерцовая спектроскопия во временной области была использована для измерения комплексной проводимости и диэлектрической проницаемости тонких пленок Bi1-xSbx на диэлектрических подложках в диапазоне частот от 0,2 до 1 ТГц. Плазменная частота, время релаксации, проводимость на постоянном токе и эффективная масса носителей заряда были взяты из этих данных и оценены как функции концентрации Sb для различной толщины пленки и подложки. Было обнаружено, что магнитосопротивление пленки уменьшается с увеличением концентрации Sb, и для большинства пленок коэффициент Холла отрицателен и незначительно зависит от внешних факторов. Показано, что подвижность носителей заряда слабо зависит от концентрации Sb, что подтверждает утверждение о рассеянии носителей на себе, а не на дефектах в структуре. Выявлено, что статическое и динамическое удельное сопротивление пленки (проводимость), а также диэлектрическая проницаемость зависят от содержания Sb и толщины пленки. Результаты могут быть использованы для разработки различных термоэлектрических, электронных и оптических устройств, таких как ТГц детекторы или компоненты, которые могут управлять свойствами ТГц излучения. https://www.mdpi.com/2076-3417/10/8/2724 3. Были получены пленки висмута толщиной 200 и 600 нм на подложке из слюды с подслоем сурьмы толщиной 10 нм между висмутом и слюдой. Были изучены два типа пленок: блочные и монокристаллические. Пленки были получены методом термического испарения с использованием непрерывного и дискретного распыления. Дискретное распыление позволяет получать меньшие размеры пленочных блоков: 2–6 мкм по сравнению с 10–30 мкм, полученными при непрерывном распылении. Монокристаллические пленки были изготовлены методом зонной рекристаллизации. Микроскопическое исследование пленок висмута с подслоем сурьмы и без него не выявило существенного различия в кристаллической структуре. Гальваномагнитное исследование показывает, что подслой сурьмы приводит к изменению свойств пленок висмута. Подслой сурьмы приводит к увеличению удельного сопротивления блочных пленок и не оказывает существенного влияния на монокристаллические пленки. Для монокристаллических пленок с подслоем сурьмы толщиной 200 нм коэффициент Холла имеет значение в 1,5 раза выше, чем для пленок толщиной 600 нм при 77 К. Изменение коэффициента Холла указывает на изменение вклада носителей в проводимость. Этот факт указывает на изменение структуры энергетических зон тонкой пленки висмута. Наиболее существенное влияние подслой сурьмы имеет на магнитосопротивление монокристаллических пленок при низких температурах. Увеличение магнитосопротивления указывает на увеличение подвижности носителей заряда. Для разработки ТГц детекторов повышенная подвижность носителей заряда может привести к более быстрому времени отклика устройства. https://www.mdpi.com/1996-1944/13/9/2010 4. Было предложено модифицированный подход к более детальному изучению гиротропных материалов с использованием метода терагерцовой эллипсометрии, основанного на магнитооптическом эффекте Керра. Такой подход позволяет получить поляризационные свойства и рассчитать тензор диэлектрической проницаемости материалов, которые непрозрачны в терагерцовом диапазоне частот. Метод позволяет измерять любые значения диагональной и внедиагональных составляющих тензора диэлектрической проницаемости и может быть использован для материалов с сильным магнитооптическим откликом, таких как пленки висмут-сурьма. https://www.spiedigitallibrary.org/conference-proceedings-of-spie/11348/113481B/Modified-theory-of-terahertz-time-domain-magneto-optical-ellipsometry-of/10.1117/12.2560501.short?SSO=1 5. Был смоделирован терагерцовый детектор на основе термоэлектрических тонких пленок методом конечных элементов. Термоэлектрическая цепь состояла из пленок Sb и Bi88Sb12 длиной 150 нм на подложке из слюды. Свойства Sb, Bi88Sb12 и слюдяной подложки были измерены экспериментально в ТГц диапазоне частот. Модель электромагнитного нагрева была использована для оценки возможного нагрева контакта Sb-Bi88Sb12. Мощность ТГц излучения изменялась от 1 мкВт до 50 мВт, а частота изменялась в диапазоне от 0,3 до 0,5 ТГц. Расчеты показали разницу температур до 1 К, напряжение до 0,1 мВ и чувствительность в несколько мВт-1. Результаты показывают, что тонкие термоэлектрические пленки Sb и Bi-Sb могут быть использованы для детектирования ТГц излучения при комнатной температуре. https://www.mdpi.com/2076-3417/10/6/1929/htm

 

Публикации

1. Зайцев А., Демченко П., Макарова Е., Тукмакова А., Каблукова Н., Асач А., Новотельнова А., Ходзицкий М. Hyperbolic bismuth-dielectric structure for terahertz photonics Physica status solidi (RRL)–Rapid Research Letters, 2020, 2000093-98 (год публикации - 2020).

2. Зайцев А.Д., Демченко П.С., Зыков Д.В., Коротина Е.А., Макарова Е.С., Тхоржевский И.Л., Тукмакова А.С., Каблукова Н.С., Асач А.В., Новотельнова А.В., Ходзицкий М.К. Optical and Galvanomagnetic Properties of Bi1-xSbx Thin Films in the Terahertz Frequency Range Applied Sciences, Т. 10, № 8, С. 2724-2735 (год публикации - 2020).

3. Кузикова А., Новоселов М., Возианова А., Ходзицкий М. Modified theory of terahertz time domain magneto-optical ellipsometry of magnetic media PROCEEDINGS OF SPIE, 11348, 113481B, 1-6 (год публикации - 2020).

4. Макарова Е.С., Тукмакова А.С., Новотельнова А.В., Комаров В.А., Герега В.А., Каблукова Н.С., Ходзицкий М.К. Effect of Antimony Buffer Layer on the Electric and Magnetic Properties of 200 and 600 nm Thick Bismuth Films on Mica Substrate Materials, Т. 13, № 9, С. 2010-2019 (год публикации - 2020).

5. Тукмакова А.С., Асач А.В., Новотельнова А.В., Тхоржевский И.Л., Каблукова Н.С., Демченко П.С., Зайцев А.Д., Ходзицкий М.К. FEM Simulation of THz Detector Based on Sb and Bi88Sb12 Thermoelectric Thin Films Applied Sciences, Т. 10, № 6, С. 1929-1942 (год публикации - 2020).

6. Тхоржевский И.Л., Зайцев А.Д., Демченко П.С., Зыков Д.В., Асач А.В., Тукмакова А.С., Макарова Е.С., Новотельнова А.В., Каблукова Н.С., Ходзицкий М.К. Properties of Bi and BiSb nano-dimensional layers in THz frequency range Solid State Phenomena, - (год публикации - 2020).


Аннотация результатов, полученных в 2020 году
1. Терагерцовый диапазон частот перспективен для решения различных практически важных задач. Однако для развития терагерцовой технологии все еще существует проблема отсутствия доступных и эффективных терагерцовых устройств. Одна из основных задач - поиск новых материалов с высокой чувствительностью к терагерцовому излучению при комнатной температуре. Для таких условий подходят тонкие пленки Bi1-xSbx с разной концентрацией Sb. В данной работе впервые исследовано влияние терагерцового излучения на свойства термоэлектрических пленок Bi1-xSbx толщиной 200 нм. Пленки были получены методом термического испарения в вакууме. На них воздействовало терагерцовое излучение с частотой 0,14 ТГц при наличии теплового градиента, электрического поля или без этих воздействий. Были измерены временные зависимости фотопроводимости, разности температур и падения напряжения. Полученные данные демонстрируют возможность практического использования тонких пленок Bi1-xSbx для регистрации ТГц излучения. Результаты нашей работы способствуют использованию этих термоэлектрических материалов, а также детекторов ТГц излучения на их основе в различных областях современной фотоники ТГц диапазона частот. https://www.mdpi.com/2304-6732/8/3/76 2. Терагерцовые (ТГц) фильтры и детекторы могут найти широкое применение в таких областях, как: сенсорика, визуализация, системы безопасности, медицина, беспроводная связь и обнаружение веществ. Термоэлектрические материалы являются перспективной основой для создания детекторов ТГц диапазона частот благодаря их чувствительности к ТГц излучению, возможности нагреваться под действием ТГц излучения и создавать напряжение за счет эффекта Зеебека. Термоэлектрические тонкие пленки твердых растворов Bi-Sb представляют собой полуметаллы / полупроводники с шириной запрещенной зоны, сравнимой с ТГц энергией, и с высокой эффективностью термоэлектрического преобразования при комнатной температуре. Поверхность детектирующей пленки может быть преобразована в периодическую частотно-избирательную поверхность (ЧИП), которая может работать как частотный фильтр и увеличивает поглощение ТГц излучения. Мы впервые представляем моделирование ТГц детектора на основе термоэлектрической тонкопленочной частотно-селективной поверхности Bi-Sb. Показано, что такая структура может быть как детектором, так и частотным фильтром. Более того, было показано, что конструкция ЧИП увеличивает не только нагрев за счет поглощения, но и температурный градиент в пленке Bi-Sb на два порядка по сравнению с непрерывными пленками. Локальные градиенты температуры могут достигать значений порядка 100 К∙мм^(-1). Это открывает новые перспективы повышения эффективности тонкопленочных термоэлектрических детекторов. Разница температур, образованная из-за поглощения ТГц излучения может достигать значений порядка 1 градуса. Расчеты частотно-переходных процессов показывают степенную зависимость температуры пленки от времени с характерным насыщением на временах около нескольких мс. Это указывает на перспективу достижения быстрого отклика на таких конструкциях. https://www.mdpi.com/2304-6732/8/4/119 3. Мы продемонстрировали и сравнили различные свойства тонких пленок Bi и Bi1-xSbx, помещенных на полиимидную подложку, в диапазоне частот от 0,2 до 1,0 ТГц. Исследованы пленки Bi толщиной 40, 105 и 150 нм, а также твердые растворы Bi1-xSbx 150 нм с концентрацией Sb 5, 8, 12 и 15%. Эффективный показатель преломления и диэлектрическая проницаемость всей структуры подложка / пленка были получены с помощью метода терагерцовой спектроскопии во временной области. Эти измерения показали положительный фазовый сдвиг в полиимидной подложке толщиной 42 мкм и показали, что она практически не прозрачна в исследуемом диапазоне частот, но вся структура подложка / пленка обеспечивает отрицательный фазовый сдвиг терагерцовой волны. Было показано, что диэлектрическая проницаемость зависит от подвижности носителей заряда, которая определяется толщиной пленки и содержанием сурьмы. https://www.scientific.net/SSP.312.206

 

Публикации

1. - Физики синтезировали гиперболический материал на основе висмута Пресс-служба РНФ, 11:03, 4 июня, 2020 (год публикации - ).

2. - Физики синтезировали гиперболический материал на основе висмута Пресс-служба Газета.Ru, 21:17, 4 июня, 2020 (год публикации - ).

3. - Петербургские физики впервые синтезировали гиперболический материал для терагерцового диапазона частот Пресс-служба Университета ИТМО, ITMO.NEWS, 09:00, 23 Июня 2020 (год публикации - ).

4. - На основе висмута создали гиперболический материал Пресс-служба Indicator.ru, 17:35, 05 июня 2020 (год публикации - ).

5. - На основе висмута создали гиперболический материал Пресс-служба Nanonewsnet.ru, 20:53, 9 июня 2020 (год публикации - ).

6. Зайцев А.Д., Демченко П.С., Зыков Д.В., Коротина Е.А., Макарова Е.С., Тхоржевский И.Л., Тукмакова А.С., Каблукова Н.С., Асач А.В., Новотельнова А.В., Ходзицкий М.К. Optical and electronic properties of thin bismuth-antimony films in the terahertz frequency range Proceedings of SPIE, Volume 11582, Pages: 115821P-1 - 115821P-4 (год публикации - 2020).

7. Зайцев А.Д., Демченко П.С., Зыков Д.В., Коротина Е.А., Ходзицкий М.К., Макарова Е.С., Тхоржевский И.Л., Тукмакова А.С., Асач А.В., Новотельнова А.В., Каблукова Н.С. Bi and Bi1−xSbx thin films for terahertz photonics AIP Conference Proceedings, Volume 2300, Pages: 020137-1 - 020137-4 (год публикации - 2020).

8. Кузикова А.В., Возианова А.В., Ходзицкий М.К. Extraction the diagonal and off-diagonal components of permittivity tensor using terahertz time-domain polarimetry Proceedings of SPIE, Volume 11582, Pages: 115821O-1 - 115821O-6 (год публикации - 2020).

9. Кузикова А.В., Новоселов М.Г., Возианова А.В., Зыков Д.В., Макарова Е.С., Каблукова Н.С., Ходзицкий М.К. Study of thin bismuth-based films using terahertz time-domain polarimetry Proceedings of SPIE, Volume 11559, Pages: 1155918-1 - 1155918-6 (год публикации - 2020).

10. Тукмакова А., Тхоржевский И., Сединин А., Асач А.В., Новотельнова А., Каблукова Н., Демченко П., Зайцев А., Зыков Д., Ходзицкий М. FEM Simulation of Frequency-Selective Surface Based on Thermoelectric Bi-Sb Thin Films for THz Detection Photonics, Vol. 8, No. 4, p. 119 (год публикации - 2021).

11. Тхоржевский И.Л., Зайцев А.Д., Демченко П.С., Зыков Д.В., Асач А.В., Тукмакова А.С., Макарова Е.С., Новотельнова А.В., Каблукова Н.С., Ходзицкий М.К. Properties of Bi and BiSb Nano-Dimensional Layers in THz Frequency Range Solid State Phenomena, Volume 312, Pages: 206-212 (год публикации - 2020).

12. Ходзицкий М.К., Демченко П.С., Зыков Д.В., Зайцев А.Д., Макарова Е.С., Тукмакова А.С., Тхоржевский И.Л., Асач А.В., Новотельнова А.В., Каблукова Н.С. Photothermal, Photoelectric, and Photothermoelectric Effects in Bi-Sb Thin Films in the Terahertz Frequency Range at Room Temperature Photonics, Vol. 8, No. 3, p. 76 (год публикации - 2021).

13. Ходзицкий М.К., Мегедь М.С. Программа расчета терагерцовой дисперсии комплексной проводимости тонких пленок на подложке с учетом эффекта Фабри-Перо -, 2021615004 (год публикации - ).


Возможность практического использования результатов
Основной результат выполнения проекта - прототип высокочувствительного компактного дешевого ТГц детектора на основе тонкопленочных термоэлектрических структур с малым временем отклика, работающий при комнатной температуре. Данный детектор может быть использован в качестве элемента для систем связи и безопасности. Разработанный детектор может быть использованы производителями и предприятиями индустрии фотоники, такими как ООО "Тидекс", TeraSense, BATOP GmbH, TeraView, TOPTICA, EKSPLA, Menlo Systems.