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 19-79-10240

НазваниеОптико-терагерцовые фотопроводящие преобразователи коротких импульсов лазерного излучения (1.03-1.56 мкм) на основе сверхрешеточных гетероструктур InGaAs/InAlAs для создания компактных систем спектроскопии и визуализации

РуководительХабибуллин Рустам Анварович, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет)", г Москва

Период выполнения при поддержке РНФ 07.2019 - 06.2022  , продлен на 07.2022 - 06.2024. Карточка проекта продления (ссылка)

Конкурс№41 - Конкурс 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 09 - Инженерные науки, 09-710 - Новые материалы для наноэлектронных приборов

Ключевые словасверхрешеточные гетероструктуры InGaAs/InAlAs; зонная диаграмма полупроводников; молекулярно-пучковая эпитаксия; фотопроводники; терагерцовые технологии; терагерцовая импульсная спектроскопия; биомедицинские приложения терагерцовой науки и техники; плазмонные фотопроводящие антенны; плазмонная решетка; оптико-терагерцовая конверсия; моделирование методом конечных элементов.

Код ГРНТИ29.03.31, 76.29.49

СтатусУспешно завершен

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Интерес к терагерцовой фотонике, возникший в последнее время, обусловлен широким кругом практических приложений терагерцового излучения (ТГц, 10^11-10^13 Гц) вследствие уникальных возможностей, открывающихся при его использовании в спектроскопии, технике построения изображений скрытых объектов, высокочувствительных устройствах распознавания состава и состояния среды, медицинской визуализации и томографии и т.д. Одним из наиболее востребованных и перспективных ТГц приложений является ранняя неинвазивная, малоинвазивная и интраоперационная диагностика злокачественных новообразований в различных локализациях. Слабое рассеяние длинных волн ТГц диапазона, по сравнению с оптическими волнами, создает основу для создания эфективных систем построения изображений. Методы ТГц диагностики основаны на использовании естественных (эндогенных) маркерах новообразования, например, разном содержании воды в тканях, и поэтому не требуют введения в организм экзогенных веществ-маркеров новообразования. Большинство современных методов дифференциации тканей в нормальном состоянии и при наличии патологии с использованием ТГц излучения основаны на импульсной спектроскопии и/или визуализации по причине высокой информативности сигналов в таких системах. К сожалению, для работы широкополосных импульсных источников и приемников ТГц излучения требуются сложные лазерные системы накачки с фемтосекундной длительностью импульсов. Несмотря на значительный прогресс в области методологии ТГц диагностики злокачественных новообразований, развитие и широкое внедрение диагностических систем сдерживается в первую очередь размерами и стоимостью импульсных лазеров, а также отсутствием отечественных оптико-ТГц преобразователей. Именно по этой причине, предлагаемый проект по разработке оптико-ТГц преобразователей коротких импульсов ИК лазерного излучения (1.03-1.56 мкм) имеет своей целью создание эффективных ТГц излучателей, способных работать с недорогими волоконными лазерами без удвоения частоты и без применения усилителей мощности выходного излучения (со средней мощностью 1-10 мВт) для массовых диагностических систем импульсной спектроскопии и построения изображений. Для достижения сформулированной цели в проекте будет решаться комплекс теоретических, технологических и экспериментальных задач: I) проведение теоретических и экспериментальных исследований по формированию фотопроводящих узкозонных полупроводниковых материалов на основе сверхрешеточных гетероструктур InGaAs/InAlAs с новыми функциональными слоями; II) проведение теоретических и экспериментальных исследований по формированию фотопроводящих антенн (ФПА) с высоко-аспектными плазмонными решетками h/p (где h – высота металла плазмонного электрода, а p – период решетки) с высотой электрода более 100 нм с целью повышения эффективности генерации ТГц излучения; III) проведение теоретических и экспериментальных исследований по субволновой концентрации энергии лазерного ИК излучения в зазоре традиционных ФПА с целью повышения эффективности генерации ТГц излучения; IV) проведение экспериментальной апробации оптико-ТГц преобразователей в составе оригинального импульсного спектрометра и изображающей системы при накачке ИК волоконным лазером с перестраиваемой длиной волны в диапазоне 1.03-1.56 мкм. В ходе выполнения проекта будут получены значимые научные, технические и технологические результаты в области создания узкозонных фотопроводящих материалов на основе InGaAs с новыми функциональными слоями, разработаны подходы к повышению эффективности оптической накачки фотопроводящих источников ТГц излучения путем использования высоко-аспектных плазмонных решеток и субволновой фокусировки ИК лазерного излучения. Разработанные материалы и подходы станут фундаментальной основой для постановки дальнейших исследовательских и конструкторских работ не только по созданию отечественных оптико-ТГц преобразователей коротких импульсов ИК лазерного излучения, но и для приемников ТГц излучения, а также компактных и недорогих биомедицинских приборов на их основе. Наряду с получением новых значимых результатов, реализация предлагаемого проекта будет способствовать повышению квалификации молодежной научной группы – расширению кругозора участников проекта (в том числе за счет работы на стыке научных дисциплин), наработке опыта проведения научных исследований в команде, формированию и укреплению связей с ведущими отечественными и зарубежными научными коллективами. Результаты проекта будут опубликованы в высокорейтинговых научных журналах, представлены на международных научных конференциях, а также найдут отражение в квалификационных работах молодых ученых – кандидатских диссертациях членов научной группы (аспирантов). Выполнение проекта позволит также расширить экспериментальные и технологические возможности научной группы и усилить ее вычислительную базу.

Ожидаемые результаты
НАУЧНЫЕ И ТЕХНИЧЕСКИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ПРОЕКТА В результате выполнения проекта будут получены следующие основные научные и технические результаты: I) Будут проведены теоретические и экспериментальные исследования по формированию новых фотопроводящих полупроводниковых материалов на основе сверхрешеточных гетероструктур Метод генерации импульсного терагерцового (ТГц) излучения с использованием фотопроводящих антенн (ФПА) активно развивается с середины 80-х годов XX века [1]. ФПА применяются в современных ТГц широкополосных спектрометрах и системах построения изображений (визуализации) благодаря своей простоте, долговременной стабильности сигнала и надежности [2–9]. Первыми массовыми источниками и приемниками ТГц излучения стали ФПА на основе низкотемпературного GaAs (low-temperature grown, LT-GaAs), которые требовали сложных лазерных систем для накачки. В настоящее время, особенно в биомедицинских системах, происходит переход к ФПА на узкозонных материалах, которые способны работать в паре с компактными ИК волоконными лазерами без умножения частоты - с длиной волны в диапазоне 1.03-1.56 мкм. Узкозонные слои InGaAs обладают подходящей шириной запрещенной зоны, однако времена жизни их фотовозбужденных носителей заряда, величина электрического сопротивления и ряд других физических параметров (эффективная масса, подвижность и т.д.) не являются оптимальными для создания ФПА и требуют дальнейшей оптимизации. [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). В настоящем проекте будет впервые теоретически и экспериментально исследовано влияние на физические параметры сверхрешеточных гетероструктур (СГ) InGaAs/InAlAs упругих деформаций, возникающих в СГ за счет изменения состава барьерных слоев InAlAs и введения напряженных функциональных вставок InAs в фотопроводящие слои InGaAs. Для целей сравнительного анализа, методом молекулярно-пучковой эпитаксии будут изготовлены образцы СГ InGaAs/InAlAs с решеточно-согласованными СГ (без напряжений) и с исскуственно напряжеными СГ на подложках GaAs с использованием метаморфного буфера со ступенчатым и линейным законами изменения состава InAlAs. Для характеризации напряженно-деформированных слоев экспериментальных образцов СГ InGaAs/InAlAs будут использованы методы: - рентгеновской дифрактометрии высокого разрешения (определение латерального и релаксированного параметров кристаллической решетки слоя InGaAs, расчет остаточной деформации в СГ); - просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ) высокого разрешения (аттестации качества гетероинтерфейсов InGaAs/InAlAs и InGaAs/InAs), что позволит оптимизировать режимы эпитаксиального роста СГ. Будет исследована временная динамика фотовозбужденных носителей заряда в СГ с новыми конструкциями функциональных слоев – оптическим методом накачка-зондирование (optical pump-probe), что позволит оптимизировать конструкцию СГ, с точки зрения уменьшения, времени фотовозбужденных жизни носителей заряда. Полученные в области создания узкозонных фотопроводников с малыми временами жизни фотовозбужденных носителей заряда результаты, будут обладать существенной научной новизной и практической значимостью – впервые для уменьшения времени жизни носителей заряда вместо легирования примесными атомами p-типа (в частности, атомами бериллия) будут использованы напряженные СГ с различным дизайном (конструкцией) функциональных фотопроводящих слоев на основе InGaAs. Параметры изготовленных фотопроводящих структур будут соответствовать современному мировому уровню исследований в рассматриваемой области и позволят нам на следующем этапе проекта перейти к изготовлению экспериментальных образцов ФПА на их основе, в том числе с высоко-аспектными плазмонными решетками для увеличения интегральной мощности и ширины спектра генерации ТГц излучения. II) Будут проведены теоретические и экспериментальные исследования по формированию ФПА с высоко-аспектными плазмонными решетками Развитие компактных спектроскопических и изображающих систем ТГц диапазона частот сдерживается практическими требованиями к соотношению сигнал/шум, то есть фактически, к минимально допустимой выходной мощности источников излучения. Перспективным подходом к повышению эффективности оптико - ТГц преобразователей ИК излучения на основе ФПА является применение геометрии электродов антенны с высоко-аспектными плазмонными решетками. Потенциально, ФПА с такой геометрией смогут работать в паре с волоконными ИК лазерами без усилителей выходного сигнала (со средней мощностью 10-1 мВт и даже меньше [1]). Важно отметить, что работа с маломощными лазерными пучками принципиально важна при спектроскопии злокачественных новообразований [2]. [1] D.V. Lavrukhin, A.E. Yachmenev, I.A. Glinskiy, R.A. Khabibullin, Y.G. Goncharov, M. Ryzhii, T. Otsuji, I.E. Spector, M. Shur, M. Skorobogatiy, K.I. Zaytsev, and D.S. Ponomarev, Terahertz photoconductive emitter with dielectric-embedded high-aspect-ratio plasmonic grating for operation with low-power optical pumps, AIP Advances 9, 015112 (2019). [2] Zaytsev, K.I., Kudrin, K.G., Karasik, V.E., Reshetov, I.V., Yurchenko, S.O. In vivo terahertz spectroscopy of pigmentary skin nevi: Pilot study of non-invasive early diagnosis of dysplasia, Applied Physics Letters, 106 (5), 053702 (2015). Будет теоретически исследована и экспериментально апробирована (на длине волны 1.03-1.55 мкм) эффективность пассивации поверхности фотопроводящего слоя InGaAs тонким слоем диэлектрика SiNx (для снижения темнового тока антенны). В том числе, будет проведен расчет влияния пассивации на форму вольт-амперных характеристик (ВАХ) ФПА – при лазерном ИК освещении и без освещения. Будут выполнены теоретические исследования эффективности возбуждения плазмонных резонансов (усиления поглощения лазерного ИК излучения) на границе металл/фотопроводящий слой InGaAs при формировании плазмонных решеток с высоким значением аспектного соотношения (h/p=0.5, где h – высота плазмонного электрода, а p– период решетки) и высотой металлизации h>100 нм. В частности, будет проведено: - моделирование перераспределения света на границе металл/фотопроводящий слой за счет плазмонных эффектов; - моделирование спектров пропускания и отражения ИК лазерного излучения тонким слоем InGaAs при наличии плазмонной решетки и без нее; Отдельно будет теоретически проанализирован случай формирования интерфейса типа «металл-диэлектрик (Al2O3)» вместо «металл-воздух», с точки зрения эффективности поглощения ИК излучения фотопроводником и эффективности возбуждения плазмонных мод. Также будет рассмотрена возможность формирования из диэлектрика Al2O3 антиотражающего (просветляющего) слоя. Будет разработана технология и изготовлены экспериментальные образцы ФПА с высоко-аспектными плазмонными решетками на основе СГ InGaAs/InAlAs с новыми функциональными слоями. Для образцов ФПА будут измерены ВАХ без освещения (темновые токи утечки) и с ИК лазерной накачкой с длинной волны 1.03-1.56 мкм, в том числе при разной ориентации вектора поляризации лазерного излучения относительно плазмонной решетки. Таким образом, в проекте будет системно изучено влияние различных параметров и элементов конструкции плазмонных решеток на эффективность поглощения в фотопроводящих слоях InGaAs лазерного излучения ИК диапазона. Результаты исследований будут соответствовать мировому уровню в рассматриваемой области. Практическая значимость связана с тем, что при выполнении данного этапа работы будут разработаны высокоэффективные оптико - ТГц преобразователи нового типа для работы с ИК лазерной накачкой, а также технология их изготовления. III) Будут проведены теоретические и экспериментальные исследования влияния субволновой фокусировки лазерного излучения в зазоре традиционной ФПА на генерацию ТГц излучения Одним из факторов, ограничивающих эффективность работы традиционных ФПА является малая длина свободного пробега фотовозбужденных носителей заряда в зазоре антенны - в большинстве случаев много меньше, чем диаметр пятна фокусировки лазерного излучения (например, для LT-GaAs длина свободного пробега составляет порядка 100 нм) [1]. В узкозонных слоях InGaAs с большей подвижностью носителей заряда (по сравнению с LT-GaAs) длина свободного пробега увеличивается, тем не менее, с точки зрения повышения выходной мощности ТГц излучения представляется чрезвычайно важным сконцентрировать энергию лазерного излучения в непосредственной близости от края зазора антенны и в максимально компактном пятне. [1] N. T. Yardimci, S.-H. Yang, C. W. Berry, M. Jarrahi. IEEE Trans. Ter. Sci. Technol., 5, 223 (2015). В проекте будут получены результаты численного моделирования перераспределения интенсивности (субволновой фокусировки) световой волны ИК лазерного излучения при взаимодействии плазмонной поверхностной волны с диэлектриком ассиметричной формы - кубоидом с призмой, с формированием плазмонного фотонного крюка (ПФК). В том числе, будет выполнен анализ влияния параметров кубоида, угла призмы и материала тонкой металлической пленки на форму и интенсивность ПФК, включая: - определение ширины пика интенсивности световой волны (E^2) на его полувысоте (FWHM) при возбуждении поверхностной плазмонной волны оптическим излучением с длиной волны 1.03-1.56 мкм. - определение кривизны ПФК для разных размеров кубоида, угла призмы, а также при изменении материала металлической поверхности и длины волн ИК излучения в диапазоне 1.03-1.56 мкм. - оптимизацию геометрии плазмонной структуры за счет использования каскада диэлектрических частиц (кубоидов с призмой) для возбуждения поверхностной плазмонной волны: моделирование перераспределения интенсивности световой волны (E^2) в такой структуре, определение величины FWHM и сравнение с результатами моделирования для одиночной частицы. По результатам моделирования будет выбрано несколько оптимальных вариантов диэлектрических частиц для формирования ПФК с разной кривизной и пиковой интенсивностью (размером пятна фокусировки), которые впоследствии будут экспериментально изготовлены и исследованы. Будет проведена отработка экспериментальной реализации системы субволнового концентрирования энергии ИК лазерного излучения в зазоре традиционной ФПА в составе разработанного нами лабораторного стенда TDS (time-domain spectroscopic system) – импульсного ТГц спектрометра во временной области. IV) Будет проведена экспериментальная апробация оптико-ТГц преобразователей Будет проведено сравнительное исследование спектральных и энергетических характеристик изготовленных оптико - ТГц преобразователей ИК лазерного излучения на основе двух подходов: 1) повышение эффективности за счет использования высоко-аспектных плазмонных решеток; 2) повышение эффективности за счет использования субволновой фокусировки лазерного излучения в зазоре традиционной антенны. Для каждого из подходов будет экспериментально измерена интегральная мощность ТГц излучения при разном уровне накачки и выполнена оценка достигаемой эффективности оптико-ТГц преобразования. Разработанные и изготовленные в ходе выполнения проекта оптико-ТГц преобразователи на основе СГ InGaAs/InAlAs будут апробироваться в ИОФ РАН им. А.М. Прохорова и МГТУ им. Н.Э. Баумана в составе совместно разработанного оригинального ТГц импульсного спектрометра [1] и изображающей системы [3–6], в том числе при накачке ИК волоконным лазерным излучением с разной длиной волны (1.03-1.56 мкм). В частности, они будут использоваться для спектроскопических исследований ТГц диэлектрического отклика здоровых тканей и злокачественных новообразований in vivo и ex vivo, проводимых совместно с группами 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). Это позволит в кратчайшие сроки довести разработки научной группы Р.А. Хабибуллина до практического применения. [1] D.V. Lavrukhin, A.E. Yachmenev, A.Yu. Pavlov, R.A. Khabibullin, Yu.G. Goncharov, I.E. Spektor, G.A. Komandin, S.O. Yurchenko, K.I. Zaytsev, D. S. Ponomarev, Semiconductor science and technology 34, 034005 (2019) [2] D.V. Lavrukhin, A.E. Yachmenev, I.A. Glinskiy, R.A. Khabibullin, Y.G. Goncharov, M. Ryzhii, T. Otsuji, I.E. Spector, M. Shur, M. Skorobogatiy, K.I. Zaytsev, and D.S. Ponomarev, AIP Advances 9, 015112 (2019). [3] N.V. Chernomyrdin et al., Review of Scientific Instruments 88(1), 014703 (2017). [4] N.V. Chernomyrdin et al., Applied Physics Letters 110(22), 221109 (2017). [5] N. V. Chernomyrdin, A. S. Kucheryavenko, G. S. Kolontaeva, G. M. Katyba, I. N. Dolganova, P. A. Karalkin, D. S. Ponomarev, V. N. Kurlov, I. V. Reshetov, M. Skorobogatiy, V. V. Tuchin, and K. I. Zaytsev, Applied Physics Letters, 113, 111102 (2018) (см. приложение к Заявке). [6] Chernomyrdin, N.V., Kucheryavenko, A.S., Malakhov, K.M., Schadko, A.O., Komandin, G.A., Lebedev, S.P., Dolganova, I.N., Kurlov, V.N., Lavrukhin, D.V., Ponomarev, D.S., Yurchenko, S.O., Tuchin, V.V., Zaytsev, K.I., Progress in Biomedical Optics and Imaging - Proceedings of SPIE, 10716, 1071606 (2018) (см. приложение к Заявке). 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 и сверхвысокочастотных антенн, экспериментаторов с опытом работы с квазиоптическими системами дальнего ИК диапазона (в том числе, 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 совместного 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 знаний. 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, научная группа ведет активное сотрудничество с ведущими зарубежными коллективами: • научная группа под руководством профессора Taiichi Otsuji (https://www.scopus.com/authid/detail.uri?authorId=35453439600) из Университета Тохоку (Сендай, Япония), в которой руководитель проекта Р.А. Хабибуллин с 2018 года является пригашенным исследователем. Результаты первых совместных исследований отражены в публикациях [1-3]: [1] D.S. Ponomarev, D.V. Lavrukhin, A.E. Yachmenev, R.A. Khabibullin, I. Semenikhin, V. Vyurkov, M. Ryzhii, T. Otsuji, V. Ryzhii, Journal of Physics D: Applied Physics (2018), 51, 135101 (2018). [2] D S Ponomarev, D V Lavrukhin, A E Yachmenev, R A Khabibullin, I E Semenikhin, V V Vyurkov, M Ryzhii, T Otsuji and V Ryzhii, Journal of Physics: Conf. Series 1092 012166 (2018). [3] D.S. Ponomarev, D.V. Lavrukhin, A.E. Yachmenev, R.A. Khabibullin, I. Semenikhin, V. Vyurkov, M. Ryzhii, K.V. Marem’yanin, V.I. Gavrilenko, M. Shur, T. Otsuji, V. Ryzhii, Applied Physics Letters, under review (2019). • научная группа под руководством Maksim Skorobogatiy (https://www.scopus.com/authid/detail.uri?authorId=6701860936), Polytechnique Montréal, Montreal, Canada. • научная группа под руководством Michael Shur (https://www.scopus.com/authid/detail.uri?authorId=55902750300), Rensselaer Polytechnic Institute, Troy, United States. Результаты первых совместных исследований отражены в публикациях [4-6]: [4] N. V. Chernomyrdin, A. S. Kucheryavenko, G. S. Kolontaeva, G. M. Katyba, I. N. Dolganova, P. A. Karalkin, D. S. Ponomarev, V. N. Kurlov, I. V. Reshetov, M. Skorobogatiy, V. V. Tuchin, and K. I. Zaytsev, Applied Physics Letters, 113, 111102 (2018). [5] D.V. Lavrukhin, A.E. Yachmenev, I.A. Glinskiy, R.A. Khabibullin, Y.G. Goncharov, M. Ryzhii, T. Otsuji, I.E. Spector, M. Shur, M. Skorobogatiy, K.I. Zaytsev, and D.S. Ponomarev, AIP Advances 9, 015112 (2019). [6] D.V. Lavrukhin, A.E. Yachmenev, I.A. Glinskiy, R.A. Khabibullin, Y.G. Goncharov, M. Ryzhii, T. Otsuji, I.E. Spector, M. Shur, M. Skorobogatiy, K.I. Zaytsev, and D.S. Ponomarev, EPJ Web of Conferences 195, 02009 (2018). Полученные научные и технические результаты исследований найдут свое отражение в квалификационных работах (кандидатских диссертациях) молодых ученых - И.А. Глинского, А.С. Кучерявенко и Н.В. Зенченко, участвующих в проекте. 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. Р.А. Хабибуллина. РАЗВИТИЕ МАТЕРИАЛЬНО-ТЕХНИЧЕСКОЙ БАЗЫ НАУЧНОЙ ГРУППЫ Еще одной важной целью предлагаемой работы является развитие материально-технической базы отдельной научной группы. При выполнении проекта группа расширит свои возможности в области создания полупроводниковых фотопроводящих материалов с новыми функциональными слоями, проведения прецизионных оптических измерений, а также в области создания - на основе разрабатываемых в проекте ФПА - спектроскопических и изображающих систем с накачкой, с волоконными лазерами. Для этого, в проекте планируется приобретение современной вычислительной техники и экспериментального оборудования для модернизации и/или дооснащения имеющихся стендов.

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2019 году
Для создания эффективных оптико-терагерцовых (ТГц) фотопроводящих преобразователей (ОТП) лазерных импульсов ближнего ИК диапазона, в ходе выполнения первого этапа гранта РНФ, были предложены и реализованы идеи по улучшению характеристик полупроводниковых соединений, используемых в качестве элементной базы для ОТП. В частности, предложено использовать для создания ОТП как решеточно-согласованные сверхрешеточные гетероструктуры (СГ) на основе множественных квантовых ям (КЯ) In0.53Ga0.47As/In0.52Al0.48As, так и рассогласованные по периоду решетки сверхрешеточные структуры с напряженными барьерными слоями In0.38Al0.62As, а также с напряженными вставками InAs в фотопроводящих слоях In0.53Ga0.47As. Для анализа оптимальной конструкции СГ было проведено численное моделирование зонных структур и волновых функций (ВФ) основного состояния для СГ трех типов: с решеточно-согласованными слоями In0.53Ga0.47As/In0.52Al0.48As (СГ № 0), с напряженными барьерными слоями In0.53Ga0.47As/In0.38Al0.62As (напряженная СГ №1) и с напряженными вставками в фотопроводящих слоях In0.53Ga0.47As/InAs/In0.53Ga0.47As /In0.52Al0.48As (напряженная СГ №2). Были рассчитаны зонные диаграммы для всех типов СГ в приближении отсутствия механических напряжений (пластических деформаций) при эпитаксиальном росте слоев. В структуре со вставками InAs (СГ №2) обнаружено усиление локализация ВФ внутри составных КЯ In0.53Ga0.47As/InAs/In0.53Ga0.47As вследствие малой ширины запрещенной зоны и высокой подвижности электронов в слоях узкозонного полупроводника InAs. Ожидаемым эффектом от такой конструкции должен стать прирост мощности генерируемого ТГц излучения за счет увеличения фототока. С другой стороны, локализация ВФ в составных КЯ может несколько ухудшить детектирующие свойства ОТП на основе таких СГ за счет увеличения времени жизни фотовозбужденных носителей заряда. Зная плотность вероятности распределения электронов, была рассчитана зависимость средней глубины проникновения ВФ для различных толщин барьерных слоев InAlAs, из которой выбрано оптимальное значение толщины барьерного слоя 4 нм. Такое значение обеспечивает компромисс между высокой проводимостью поперек слоев СГ и возможностью эффективного использования уровней дефектов в барьерных слоях InAlAs для безызлучательной рекомбинации фотовозбужденных носителей заряда (и соответствующего уменьшения их времени жизни). Методом эмпирических псевдопотенциалов было выполнено моделирование зонной структуры напряженных фотопроводящих слоев на примере твердого раствора In0.53Ga0.47As. В модель были введены эпитаксиальные напряжения в виде гидростатического давления за счет изменения постоянной решетки твердого раствора по сравнению с состоянием термодинамического равновесия. Было обнаружено, что всестороннее сжатие, т.е. уменьшение постоянной решетки во всех направлениях для твердого раствора In0.53Ga0.47As приводит к уменьшению ширины его запрещенной зоны на 0.04 эВ (для комнатной температуры). Было выполнено численное моделирование влияния всестороннего сжатия кристаллической решетки твердого раствора In0.53Ga0.47As на динамику фотовозбужденных носителей заряда в напряженной СГ №1. Мы показали, что в этом случае имеет место снижение времени жизни фотовозбужденных носителей заряда до значения tau ~ 1.7 пс по сравнению с решеточно-согласованной структурой (СГ №0, tau ~ 2.4 пс). Таким образом, показана возможность за счет инжиниринга зонной структуры полупроводников, создавать фотопроводящие СГ с заданными физическими свойствами, что позволит увеличить эффективность оптико-ТГц преобразования энергии в ОТП на основе исследуемых структур (данная работа будет проводиться на следующем этапе гранта). На установке для молекулярно-лучевой эпитаксии Riber 32P, используя подложки GaAs с помощью метаморфного буферного слоя, были изготовлены экспериментальные образцы СГ всех трех типов. Были определены температурные режимы роста барьерных слоев InAlAs, которые обеспечили формирование суб-слоев - кластеров InAs и AlAs. Данные суб-слои имеют энергетические уровни в середине запрещенной зоны твердого раствора InAlAs и являются центрами захвата/рекомбинации фотовозбужденных носителей заряда. В СГ №2 непосредственно под функциональными слоями сверхрешетки был сформирован распределенный брэгговский отражатель (РБО), состоящий из восьми периодов сверхрешетки In0.53Ga0.47As/In0.52Al0.48As с толщиной слоев 60.5 нм и 65.8 нм соответственно. Наличие РБО предотвращает проникновение оптического излучения накачки в подложку, а также за счет возвращения импульса накачки обратно в фотопроводник обеспечивает расчетную эффективность фотовозбуждения СГ на уровне 95%. С помощью рентгеновской дифрактометрии высокого разрешения были проанализированы кристаллические структуры выращенных образцов СГ всех типов. Измерения кривых дифракционного отражения (КДО) проводились для симметричного отражения от плоскостей типа (400) и для антисимметричного отражения от плоскостей типа (422). По полученным КДО определены латеральный и релаксированный параметры кристаллической решетки слоя InGaAs, проведена оценка остаточного напряжения (параметры поперечной деформации epsilon) в слоях СГ. Было обнаружено, что в разных слоях напряженной СГ №1 возникли примерно одинаковые по модулю деформации сжатия и растяжения. Слои сверхрешетки в образце СГ №2 со вставками InAs в фотопроводящих слоях InGaAs подвергаются только деформациям сжатия, причем слой InAs характеризуется самой большей величиной сжатия. Максимальная остаточная деформация наблюдается в образце СГ №2 и составляет |epsilon|=0.0052. С помощью просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) была выполнена аттестация качества слоев выращенных образцов СГ всех типов. ПЭМ изображения для СГ №1 продемонстрировали хорошее кристаллическое качество всех 30 периодов СГ, а также выявили в барьерах InAlAs наличие суб-слоев, являющихся центрами захвата/рекомбинации фотовозбужденных носителей заряда. В СГ №2 ПЭМ изображения для распределенного брэгговского отражателя продемонстрировали высокое качество всех его 8 периодов, при этом в фотопроводящих слоях были обнаружены множественные дислокации несоответствия, ориентированные под углом 60 градусов к плоскости слоев. Были проведены экспериментальные исследования сверхбыстрой динамики фотовозбужденных носителей заряда в образцах СГ всех типов с использованием методики «накачка-зондирование» в геометрии на отражение. Экспериментальные кривые изменения коэффициента отражения во времени, полученные с использованием импульсов лазерного излучения с длительностью ~ 100 фc и длиной волны 800 нм для разной средней мощности излучения накачки в диапазоне 1-85 мВт, были интерпретированы при помощи двухэкспоненциальной феноменологической модели. Было обнаружено, что минимальное время жизни наблюдаются для образцов СГ №1 с напряженными барьерами (In0.53Ga0.47As/In0.38Al0.62As) при средней мощности накачки 1 мВт и составляет tau ~ 1.7 пс. В образце СГ №2 с составным фотопроводящим слоем InGaAs/InAs/InGaAs с напряженными вставками InAs время жизни фотовозбужденных носителей составляет tau ~ 3.8 пс и превосходит соответствующую величину для решеточно-согласованной структуры. Мы связываем это с бо́льшей локализацией ВФ электронов в КЯ, «запирающей» фотовозбужденные электроны, не давая таким образом достигнуть уровней ловушек в барьерных слоях InAlAs. Результаты работы первого этапа гранта РНФ нашли свое отражение в 4 опубликованных научных статьях в изданиях, входящих в Web of Science, в т.ч. 2 статьи опубликованы в Q1 SJR, WoS. Часть материалов, содержащих результаты уже выполненных нами работ, находится на первой стадии рецензирования в журналах, 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.

 

Публикации

1. Гавдуш А.А., Черномырдин Н.В., Лаврухин Д.В., Чао И., Командин Г.А., Спектор И.Е., Долганова И.Н., Курлов В.Н., Пономарев Д.С., Скоробогатый М., Решетов И.В., Зайцев К.И. A proof of concept for continuously-tunable terahertz bandpass filter based on a gradient metal-hole array Journal of Physics D: Applied Physics, - (год публикации - 2020)

2. Лаврухин Д.В., Ячменев А.Э., Глинский И.А., Зенченко Н.В., Хабибуллин Р.А., Гончаров Ю.Г., Спектор И.Е., Зайцев К.И., Пономарев Д.С. Излучательная эффективность терагерцовых антенн с традиционной топологией и металлической метаповерхностью: сравнительный анализ Оптика и спектроскопия, 129, 1, 1012 (2020) (год публикации - 2020) https://doi.org/10.21883/OS.2020.07.49575.19-20

3. Пономаев Д.С., Ячменев А.Э., Глинский И.А., Хабибуллин Р.А., Хусяинов Д.И., Буряков А.М., Мишина Е.Д. Strained superlattices InGaAs/InAlAs with ultrashort photocarrier lifetime SPIE Proceedings, Proceedings Volume 11457, Saratov Fall Meeting 2019: Optical and Nano-Technologies for Biology and Medicine; 114571A (2020) (год публикации - 2020) https://doi.org/10.1117/12.2560460

4. 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

5. 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

Аннотация результатов, полученных в 2020 году
При разработке оптико-терагерцевых (ТГц) преобразователей (далее - ОТП) на основе фотопроводящих антенн с повышенной эффективностью и интегральной мощностью генерации ТГц излучения одним из ключевых подходов является структурирование электродов антенны в области зазора. Формирование системы штыревых электродов суб-волнового размера, расположенных с каждой стороны зазора ОТП, формирует дифракционную решетку, которая обеспечивает условия для возбуждения плазмонных волн, а также повышает площадь контакта металла с фотопроводником. Резонансное усиление электрического поля световой волны накачки (плазмонный резонанс) в области контакта металла антенны с фотопроводящим слоем InGaAs приводит к увеличению эффективного коэффициента поглощения лазерного излучения в приповерхностном слое фотопроводника, и тем самым повышает эффективность конверсии энергии лазерного излучения в электромагнитные колебания ТГц-диапазона. При разработке ОТП было проведено численное моделирование перераспределения электромагнитной энергии оптической накачки в плазмонной металлической решетке при воздействии на нее лазерным излучением с λ = 0.8 мкм для определения геометрии решетки, которая обеспечивает максимальный коэффициент пропускания. Для этого применялось электромагнитное моделирование методом конечных элементов, использовалась топология решетки в виде системы штыревых металлических (Au) электродов определенной высоты, ширины и периодичности расположения. По результатам расчета максимальный коэффициент пропускания, равный 85%, достигается при ширине электрода w = 100 нм, расстоянии между электродами g = 120 нм и высоте h = 150-170 нм. Далее была рассчитана оптимальная толщина просветляющего слоя диэлектрика, при которой наблюдается минимальное отражение для всей структуры, расположенной на фотопроводнике. Диэлектрический слой Al2O3 толщиной 120 нм, если считать от края металлической структуры плазмонной решетки позволяет снизить коэффициент отражения до 26%. После расчета плазмонной решетки была предложена новая технология создания ОТП, позволяющая существенно уменьшить темновой ток. В ней напыление металлизации ОТП происходит на поверхность предварительно нанесенного диэлектрического слоя, а контакт с полупроводником осуществляется через вытравленные окна в диэлектрике в области зазора между электродами антенны. Площадь, по которой происходит утечка тока, определяется только размерами окна и больше не зависит от площади и топологии ОТП. Методом конечных элементов была исследована зависимость влияния площади контакта с полупроводником на величину темнового тока для ОТП с топологиями «диполь» и «бабочка» для слоя полупроводника InGaAs толщиной 100 мкм. Показано, что уменьшение длины контакта металл/полупроводник со 120 до 10 мкм позволяет уменьшить величину темнового тока в 3.5 раза для ОТП с топологией «диполь», и в 5 раз для ОТП с топологией «галстук-бабочка». На основе образцов сверхрешеточных гетероструктур, изготовленных на первом этапе проекта, используя предложенную технологию уменьшения темнового тока, были изготовлены кристаллы ОТП. В качестве диэлектрического слоя использовался SiNx толщиной 230 нм, в котором были сформированы окна. Далее создавался рисунок металлизации ОТП и методом термического распыления наносилась металлизация Ti/Au толщиной 50/450 нм соответственно. В части кристаллов окна перекрываются металлом лишь частично, формируя контактную площадку для последующего изготовления плазмонных решеток. Для формирования рисунка плазмонной решетки было проведено математическое моделирование по учету и компенсации эффектов близости и на его основе расчет дозы экспонирования для каждого участка плазмонной структуры для толщины слоя электронного резиста, обеспечивающего формирование однородного рисунка с заданной высотой и размерами электродов. Проведена отработка технологии на тестовых процессах, показавшая корректность найденных параметров экспонирования. После чего на установке электронно-лучевой литографии, используя ОТП с различной топологией, были изготовлены высоко-аспектные плазмонные решетки. Ширина одного электрода решетки составляла 100 нм, зазор между электродами 100 нм, высота 100 нм. Сверху методом атомно-слоевого осаждения наносился просветляющий слой Al2O3 толщиной 130 нм, в котором далее вскрывались контактные площадки ОТП для обеспечения электрического контакта. На изготовленных кристаллах ОТП были проведены измерения темновых ВАХ при отсутствии оптической накачки для оценки влияния новой технологии на паразитные темновые токи. Измерения показали, что использование диэлектрического слоя позволяет более, чем на 90% уменьшить величину темнового тока для ОТП любой топологии. Были измерены фототоки для образцов ОТП с плазмонными решетками при разной ориентации вектора поляризации оптического импульса относительно электродов решетки. Во всем исследуемом диапазоне напряжений смещения и мощностей оптической накачки ориентация вектора поляризации оптического импульса перпендикулярно электродам плазмонной решетки дает результат с величиной фототока до 30% выше, чем для ориентации вдоль электродов решетки, что говорит об эффективном возбуждении плазмонов в металлической структуре решетки. Были измерены спектры излучения ОТП с плазмонными решетками при при разных значениях средней мощности лазерной накачки на длине волны 0.8 мкм и приложенного напряжения смещения. Обнаружено, что при одинаковом напряжении смещения на электродах ОТП динамический диапазон у образцов с традиционной топологией (без плазмонной решетки) более чем на 20 дБ хуже. Показано, что ОТП с плазмонными решетками выделяются значительным приростом мощности в низкочастотной области спектра до 0.5 ТГц, при этом при снижении средней мощности лазерного излучения форма спектров не зависит ни от приложенного напряжения смещения, ни от средней мощности лазерного излучения. Были проведены экспериментальные исследования интегральной мощности ТГц излучения в зависимости от приложенного напряжения смещения и мощности накачки приведены. Зарегистрированные для всех образцов величины интегральной мощности ТГц излучения не превосходят 10 мкВт, причем образцы ОТП с плазмонной структурой позволяют получить такую мощность при безопасном напряжении смещения (ниже 20 В). Используя результаты измерения мощности, были проведены экспериментальные исследования эффективности оптико-ТГц преобразования (η) для обоих типов ОТП (обычных и с плазмонной решеткой). Установлено, что эффективность оптико-ТГц преобразования для ОТП с традиционной топологией не превосходит η = 0.1%, однако в ОТП с плазмонной решеткой η имеет тенденцию к последующему увеличению с ростом и напряжения, и мощности накачки, и достигает значения η = 0.2%. С использованием длины волны накачки 1.56 мкм были построены спектры детектирования образцами ОТП (изготовленными на основе сверхрешеточных гетероструктур) при использовании в качестве излучателя ОТП с плазмонной решеткой. Обнаружено, что ОТП на основе решеточно-согласованной структуры обеспечивает бо́льший динамический диапазон по сравнению с напряженной структурой. Это может быть обусловлено различием в подвижности носителей заряда за счет рассеяния на шероховатостях гетероинтерфейсов и величине фототока. Также были исследованы шумовые и спектральные характеристики ОТП-приемников для разной мощности в зондирующем пучке при фиксированной длине волны 0.78 мкм. Результаты работ календарного плана неоднократно докладывались на международных и отечественных конференциях в виду приглашенных, устных и стендовых докладов, и нашли свое отражение в одной публикации в журнале из перечня Q1 Web of science, Scopus; при этом одна публикация на момент подачи отчета находится на стадии повторной рецензии в журнале Optics Letters, и мы ожидаем её опубликования в ближайшее время.

 

Публикации

1. А.А. Гавдуш, Н.В. Черномырдин, Д.В. Лаврухин, Я. Чао, Г.А. Командин, И.Е. Спектор, И.Н. Долганова, В.Н. Курлов, Д.С. Пономарев, М. Скоробогатый, И.В. Решетов, К.И. Зайцев A proof of concept for continuously-tunable terahertz bandpass filter based on a gradient metal-hole array Optics Express, Vol. 28, Issue 18, pp. 26228-26238 (2020) (год публикации - 2020) https://doi.org/10.1364/OE.401608

2. Д.В. Лаврухин, А.Э. Ячменев, Ю.Г. Гончаров, К.И. Зайцев, Р.А. Хабибуллин, А.В. Буряков, Е.Д. Мишина, Д.С. Пономарев Strain-induced InGaAs-based photoconductive THz antenna-detector IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology, - (год публикации - 2021)

3. Иляков И.Е., Шишкин Б.В., Малевич В.Л., Пономарев Д.С., Галиев Р.Р., Павлов А.Ю., Ячменев А.Э., Ковалев С.П., Чен М., Ахмеджанов Р.А., Хабибуллин Р.А. Efficient optical-to-terahertz conversion in large-area InGaAs photo-Dember emitters with increased indium content Optics Letters, - (год публикации - 2021)

Аннотация результатов, полученных в 2021 году
В ходе выполнения работ в отчетном периоде проводился комплекс исследований, направленный на создание новых подходов и технических решений по увеличению эффективности оптико-терагерцовых (ТГц) преобразователей ультракоротких лазерных импульсов (далее – ОТП). Была проведена теоретическая проработка концепции субволновой фокусировки лазерного излучения с длиной волны 0.78-1.56 мкм в зазоре ОТП путем имплементации перспективного оптического материала (профилированного сапфирового волокна) на поверхность фотопроводящей подложки. Предложена и рассмотрена концепция фотопроводящего ТГц излучателя большой площади на основе ОТП с излучающей областью 0.3х0.3 кв.мм. для генерации мощного ТГц излучения, где в качестве фокусирующей оптики используется массив плотноупакованных ПСВ с диаметром волокна в диапазоне 100-300 мкм. Построены зависимости пространственного распределения квадрата электрического поля ЭМ волны для различных значений d/g (где d – диаметр волокна, а g – ширина зазора в ОТП). На зависимостях отчетливо видны субволновые каустики, размер которых увеличивается по мере увеличения соотношения (d/g) и достигает своего максимума (другими словами, максимальной локализации энергии импульса лазерной накачки) при d/g = 22. Показано, что интенсивность ЭМ волны монотонно растет с увеличением параметра (d/g), и также достигает своего максимума = 40 при d/g = 22. Важно отметить, что данное значение характеризует случай, когда субволновые каустики располагаются строго у краев электродов ОТП, позволяя тем самым бόльшему числу фотовозбужденных носителей заряда внести вклад в ТГц генерацию излучения. Последнее, в свою очередь, приведет к увеличению генерируемого ОТП фототока и повысит эффективность оптико-ТГц преобразования. Изготовлены образцы ОТП с разной топологией методами электронно-лучевой и контактной (оптической) литографией, система металлов толщиной 500 нм Ti/Au напылялась термически в вакуумной камере. В качестве полупроводниковой подложки использовался 500 нм слой LT-GaAs, который был выращен методом молекулярно-лучевой эпитаксии при температуре роста 200 гр. Цел. Предложена новая технология для уменьшения токов утечки в образцах ОТП (вне зависимости от типа фотопроводящей подложки), которая заключается в вытравливании специальной «канавки» в полупроводнике между электродами, формирую тем самым меза-изоляцию (другими словами, фотопроводящий слой остается только в месте возбуждения импульсом лазерной накачки). Показано, что данная технология позволяет примерно на порядок сократить величину темнового тока по сравнению со структурой без меза-изоляции (при напряжении смещения более 20 В и фотопроводящем зазоре 5 мкм). Предложена и реализована последовательная схема сборки образца ОТП с фокусирующей оптикой на основе ПСВ. Методика позиционирования (с точностью до 10 мкм) заключается в использовании прецизионных манипуляторов, в которые вместо стандартных держателей зондов внедряется специально разработанная оснастка, позволяющая фиксировать и перемещать ПСВ по поверхности образца ОТП. На последнем этапе, образец ОТП с ПСВ монтируется на печатную текстолитовую плату, а подводящие полоски формируются посредством использования тонких проводников и токопроводящего серебряного клея. Проведены измерения спектров генерации ТГц излучения в изготовленных образцах ОТП с традиционной топологией и ОТП с ПСВ (диаметр волокна составлял 220 мкм по результатам численного моделирования) посредством использования лабораторного импульсного ТГц спектрометра во временной области и калиброванной ячейки Голея. Для согласования результатов численного моделирования с экспериментом, нами были внесены поправки в оптический тракт спектрометра. В частности, в узле генерации ТГц излучения на ОТП-излучатель поступал не узкий пучок лазерного излучения накачки, а трансформированный при помощи телескопической системы линз параллельный широкий пучок, соизмеримый с диаметром ПСВ = 200 мкм. Использование телескопической системы позволяет получить более плоский спектр генерации ТГц излучения с увеличенным динамическим диапазоном до 70 дБ в полосе генерации до 3.5 ТГц. Величины интегральной мощности генерации ТГц излучения в исследуемых образцах ОТП с ПСВ посредством использования калиброванной ячейки Голея находятся на уровне P_int = 2-3 мВт, что соответствует эффективности оптико-ТГц преобразования gamma = 0.01% - данная величина на порядок выше по сравнению с аналогичной величиной для ОТП без волокна, что хорошо коррелирует с результатами численного расчета. Нами также проведены сравнительные ТГц измерения с образцом ОТП, у которого края электродов были структурированы путем использования периодичных металлических структур – плазмонных решеток с высоким аспектным отношением между высотой (100 нм) и периодом решетки (200 нм). Данные образцы ОТП были изготовлены на втором этапе проекта. При накачке ОТП с плазмонной решеткой вектор поляризации световой волны ориентировался перпендикулярно электродам решетки для возбуждения поверхностного плазмон-поляритона. Измерения интегральной мощности для образца плазмонного ОТП показали P_int = 10 мВт, что соответствует gamma = 1-2%. Рассмотрена физическая концепция ТГц фотомиксера на основе разработанных в проекте образцов ОТП. Показана принципиальная необходимость увеличения частот, связанных с RC и времяпролетным затуханием, а также предложены этапы изготовления ТГц фотомиксера на основе образцов ОТП для генерации непрерывного ТГц излучения при работе с волоконными лазерами ближнего ИК излучения 1.03-1.56 мкм. Результаты работ календарного плана неоднократно докладывались на международных и отечественных конференциях в виду приглашенных, устных и стендовых докладов, и нашли свое отражение в 3 публикациях в журналах из перечня Q1 Web of science/JCR; при этом одна публикация на момент подачи отчета находятся на стадии повторной рецензии в журналах, и мы ожидаем их опубликования в ближайшее время.

 

Публикации

1. И.Е. Иляков, Б.В. Шишкин, В.Л. Малевич, Д.С. Пономарев, Р.Р. Галиев, А.Ю. Павлов, А.Е. Ячменев, С.П. Ковалев, М. Чен, Р.А. Ахмеджанов, Р.А. Хабибуллин Efficient optical-to-terahertz conversion in large-area InGaAs photo-Dember emitters with widely variable indium content Optics Letters, 46(14), 3360-3363 (2021) (год публикации - 2021) https://doi.org/10.1364/OL.428599

2. Пономарев Д.С., Лаврухин Д.В., Зенченко Н.В., Фролов Т.В., Глинский И.А., Хабибуллин Р.А., Катыба Г.М., Курлов В.Н., Отсудзи Т., Зайцев К.И. Boosting THz photoconductive antenna-emitter using optical light confinement behind a high refractive sapphire fiber-lens Optics Letters, 47(7), 1899-1902 (2022) (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1364/OL.452192

3. Ячменев А.Э., Хабибуллин Р.А., Пономарев Д.С. Recent advances in THz detectors based on semiconductor structures with quantum confinement: a review Journal of Physics D: Applied Physics, 55, 193001 (2022) (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1088/1361-6463/ac43dd

4. - Для диагностики рака и новых поколений сотовой связи РНФ, Новостная лента РНФ, новость от 08 апреля 2022, 12:59 (год публикации - )

5. - Сапфировое волокно помогло увеличить мощность терагерцовых излучателей РАН, Новостная лента РАН, новость от 08.04.2022 (год публикации - )

6. - Сканеры и томографы станут более зоркими РНФ, Новостная лента РНФ, новость от 21 июля 2021 (год публикации - )

7. - РАЗРАБОТАНА НОВАЯ ТЕХНОЛОГИЯ, КОТОРАЯ УВЕЛИЧИЛА ЭФФЕКТИВНОСТЬ ИЗЛУЧАТЕЛЕЙ ТЕРАГЕРЦЕВЫХ ВОЛН Научная Россия, Новостная лента от 20.07.2021, 12:35 (год публикации - )

8. - Сканеры и томографы станут более зоркими Коммерсантъ, Новостная лента от 19.07.2021, 18:27 (год публикации - )

9. - Ученые придумали, как сделать излучатели терагерцевых волн эффективнее Тасс Наука, Новостная лента от 21.07.2021, 12:00 (год публикации - )

Возможность практического использования результатов
В ходе выполнения проекта создан огромный научно-технический задел в сфере новых товаров высокотехнологического сектора экономики РФ - разработаны и исследованы образцы оптико-терагерцовых преобразователей (далее - ОТП) на основе как широко используемых полупроводниковых материалов группы А3В5, так и оригинальных конструктивных решений. Данные образцы созданы впервые в РФ, и уже начали применяться в системах импульсной терагерцовой спектроскопии нашими коллегами из Сеченовского Университета (профессор П.С. Тимашев) для исследования биотканей. Результаты проекта, безусловно, имеют высокий потенциал практического использования в различных отраслях (в частности, в области персонализированный медицины и высокоскоростной передачи данных). В настоящий момент мы готовим два патента на изобретение, и планируем запустить малое инновационное предприятие для мелкосерийной поставки разработанных образцов ОТП.