Nuo tada, kai 1968 m. K. Drexhage‘as eksperimentiškai parodė, kad molekulių fluorescencija gali būti stiprinama dėl jų sąveikos su paviršiniais plazmonais, susidomėjimas šia plazmonikos sritimi vis didėja.

Plazmonas yra kvazidalelė, jį įsivaizduoti galime kaip kolektyvinį elektronų tankio virpesį, pavyzdžiui, metale. Tokių virpesių dažnis priklauso nuo elektronų tankio medžiagoje. Paviršinis plazmonas, tai metalo ir dielektriko sandūroje galinti sklisti elektromagnetinė banga, o jos dažnis priklauso nuo metalo ir dielektriko dielektrinių skvarbų.

Metalo sluoksnį pakeitus metalo nanodalelėmis įmanoma sužadinti lokalizuotus paviršinius plazmonus, kurių dažnis priklauso ne tik nuo dielektriko ir metalo nanodalelių dielektrinių skvarbų, bet ir nuo nanodalelių dydžio bei formos. Galimybė keisti tiek lokalizuotų paviršinių plazmonų metalo nanodalelėje energiją keičiant nanodalelių matmenis bei formą, tiek ir puslaidininkinių darinių draustinės juostos plotį keičiant tų darinių sudėtį bei struktūrą sudaro sąlygas projektuoti ir technologiškai realizuoti puslaidininkinius darinius su metalo nanodalelėmis, kurie gali būti panaudoti arba jau yra naudojami nanofotolitografijoje, biojutikliuose, nanofotonikos prietaisuose ir grandynuose, šviestukų našumui pagerinti, metamedžiagoms kurti.

Paviršinių ar lokalizuotų paviršinių plazmonų sąveikoje su fotonais gali susidaryti naujos kvazidalelės – plazmoniniai poliaritonai, kurių gyvavimo trukmė labai trumpa (pikosekundės ar net mažiau). Šių dalelių savybių tyrimai pastaruoju metu sulaukia didelio susidomėjimo dėl galimybės padidinti puslaidininkinių šviesos šaltinių – šviestukų – našumą, iš organinių ir neorganinių puslaidininkinių gaminamų saulės elementų efektyvumą.

Į lokalizuotų paviršinių plazmonų indžio galio nitrido kvantinių lakštų (InGaN) ir sidabro nanodalelių sandūroje sukeltus procesus podoktorantūros stažuotės Vilniaus Universitete metu ir gilinasi fizikas Saulius Nargelas.

Apžvelkime išsamiau kaip atliekami tyrimai. Viskas prasideda nuo sidabro nanodalelių suformavimo InGaN kvantinių lakštų. Nanodalelės buvo formuojamos saviorganizacijos būdu, kuris yra ženkliai pigesnis lyginant su nanolitografijos būdu, o viena iš šios stažuotės užduočių buvo patikrinti, ar šiuo pigiu būdu pagamintos nanodalelės tinka šviestukų našumui didinti.

Pradžioje ant kvantinių lakštų paviršiaus magnetroninio dulkinimo (angl. sputtering) būdu suformuojamas plonas, nuo kelių iki keliolikos nanometrų storio, sidabro sluoksnelis. Šį sluoksnelį iškaitinus staigaus iškaitinimo (angl. rapid thermal annealing) krosnyje susiformuoja sidabro nanodalelės. Staigaus iškaitinimo krosnyje bandinys kaitinamas infraraudonųjų spindulių lempų skleidžiama spinduliuote, todėl jį galime įkaitinti iki 1000^oC ar didesnės temperatūros per kelias ar keliolika sekundžių.

Kad išvengtume sidabro oksido plėvelės susidarymo, iškaitinimas vyksta azoto garų atmosferoje. Nanodalelių dydį (diametrą) galima keisti keičiant pradinį sidabro sluoksnio storį ir iškaitininimo parametrus. Didinant užgarinto sidabro sluoksnio storį didėjo ir nanodalelių matmenys. Taip pat didesnio diametro nanodalelės susiformuodavo trumpiau iškaitinant aukštesnėje temperatūroje (pvz. 10-15 min, 550^oC), nei ilgiau ir žemesnėje temperatūroje (pvz. 300-400^oC, 30-40 min). Skirtingomis sąlygomis suformuotų nanodalelių diametras svyravo nuo 40 iki 100 nm, o paviršiaus padengimas jomis kito nuo 40 iki 75%.

Suformuotų nanodalelių matmenys ir jų tankis ant bandinio paviršiaus buvo įvertinami naudojant atominės jėgos mikroskopą (AJM). AJM tai didelės erdvinės skyros skenuojančio zondo mikroskopas. Mikroskopo zondas, keliasdešimties mikrometrų (10^-6 m) dydžio plokštelė su jos gale esančia nanometrų (10^-9 m) dydžio adata, priglaustas prie tiriamo bandinio paviršiaus, veikiamas artimojo lauko jėgų, kartoja didelio tikslumo poslinkio staliuku stumdomo bandinio paviršiaus reljefą. Į zondą šviečiama lazeriu ir iš detektorių sudaryta matrica registruojamas besikeičiantis atsispindėjusios šviesos kampas. Atlikus skaičiavimus, šviesos kampo pokytis, kuris yra proporcingas zondo atsilenkimui, paverčiamas bandinio paviršiaus vaizdu.

Toliau atliekami optinių savybių tyrimai. Išmatavus bandinių pralaidumo spektrus būdavo nustatoma lokalizuotų paviršinių plazmonų rezonanso padėtis. Dėl susidarančių lokalizuotų paviršinių plazmonų kritusi šviesa labiau atspindima ir/ar sugeriama ir bandinio pralaidumas tam tikroje bangos ilgių srityje sumažėja lyginant su bandiniu be nanodalelių. Tyrimai parodė, kad didesnių nanodalelių plazminis rezonansas yra pasislinkęs į raudonąją spektro pusę lyginant su rezonansu mažesnėse nanodalelėse, kurių plazminis rezonansas buvo mėlynojoje ar žaliojoje šviesos dalyje.

Manoma, kad lokalizuotų paviršinių plazmonų ir puslaidininkyje esančių kvazidalelių rezonansinė sąveika trunka labai trumpai - kelias pikosekundes ar net jų dalis. Todėl sidabro nanodalelių ir InGaN kvantinių lakštų sandūroje esančių lokalizuotų paviršinių plazmonų sukelti sugerties pokyčiai buvo tyrinėjami naudojant skirtuminės sugerties metodą, kai bandinių sugertis buvo pakeičiama juos apšvietus labai trumpu ~200 femtosekundžių (10^-15 s) trukmės ultravioletinės šviesos lazerio pluošteliu, toliau vadinamu žadinančiu pluošteliu, o sugerties spektro atsistatymas į pradinę būseną stebimas vėlinamu plataus spektro zonduojančiu pluošteliu.

Zonduojantis plataus spektro pluoštelis (angl. supercontinuum) buvo sukuriamas žalios šviesos lazerio pluoštelį fokusuojant į optiškai netiesinį kristalą (šiuo atveju 3 mm storio safyro plokštelę), kuriame dėl netiesinių optinių efektų buvo išspinduliuojama įvairių bangos ilgių spinduliuotė – savotiška „lazerinė vaivorykštė“, kurioje galima rasti nuo ultravioletinės iki infraraudonos šviesos. Šių eksperimentų privalumas yra toks, kad galima gauti laikinę skyrą, kurią riboja tik naudojamo lazerio impulso trukmė.

Zonduojantis impulsas kelyje link bandinio atsispindi nuo atspindžio prizmės (įsivaizduokite prizmę, kuri sudaryta iš kampu suklijuotų veidrodžių), kuri pritvirtinta ant precizinio poslinkio staliuko ir jos padėtis gali būti keičiama mikrometrų tikslumu. Taip zonduojantis impulsas optomechaniškai dideliu tikslumu yra vėlinamas žadinančio impulso atžvilgiu. Vieno mikrometro staliuko postūmis atitinka maždaug 6 femtosekundžių poslinkį laike tarp žadinančio ir zonduojančio impulsų. Šie eksperimentai leido stebėti itin sparčią lokalizuotų paviršinių plazmonų ir puslaidininkyje esančių kvazidalelių rezonansinę sąveiką.

Dviejų stažuočių Rensselaer Politechnikos Institute (JAV) metu buvo tiriamos InGaN kvantinių lakštų su sidabro nanodalelėmis fotoliuminescencijos savybės. Bandiniai buvo apšviečiami 25 pikosekundžių (10^-12 s) trukmės ultravioletinės šviesos lazerio impulsais taip sukuriant elektronų ir skylių poras. Daliai jų rekombinavus buvo išspinduliuojami šviesos fotonai, kurie buvo registruojami spektrochronografu (ang. STREAK camera).

Spektrochronografas tai toks prietaisas, kuris leidžia didele skyra vienu metu išmatuoti ir tiriamos spinduliuotės spektrą ir gesimo trukmę. Šiame prietaise, tiriamos šviesos impulsas (šiuo atveju fotoliuminescencija) pirmiausiai yra paverčiamas į elektronų srautą, jis išskleidžiamas erdvėje ir galiausiai elektronai vėl paverčiami į šviesą, kuri registruojama surištųjų krūvių detektoriumi (angl. CCD camera).

Pradžioje fotoliuminescencija spektrometru išskleidžiama pagal spektrą: difrakcinės gardelės pagalba suformuojama šviesos juostelė kur trumpesnio bangos ilgio šviesa atsiduria vienoje juostelės pusėje, o ilgesnio – priešingoje juostelės pusėje. Taip gaunama spektrinė skyra. Ši šviesos juostelė nukreipiama į fotokatodą, kurį apšvietus šviesa yra sukuriamas fotoelektronų debesėlis. Pastarieji elektrinio lauko pagalba yra pagreitinami ir jų trajektorija yra išlenkiama tiesiškai kintančiu elektriniu lauku. Tokiu būdu, elektronai, kurie fotokatodą pasiekė vėliau yra užlenkiami labiau. Taip gaunama laikinė skyra.

Jautrumui pagerinti elektronų kiekis gali būti padidinamas panaudojus fotodaugintuvą. Galiausiai pagal abi koordinates išskleistas elektronų debesėlis pasiekia fosforescuojantį ekraną (panašiai kaip kineskopiniuose televizoriuose), kurio skleidžiama šviesa užregistruojama surištųjų krūvių detektoriaus matricoje.

Dalis eksperimentų buvo atliekami tiriamą bandinį patalpinus uždaro ciklo helio kriostate, kuriame bandinys buvo atšaldomas iki 10 K temperatūros (-263^o C). Šaldant bandinį jis turi būti patalpinamas į vakuuminę kamerą kurioje slėgis tesiekia apie 5 mTorr (apie 150 000 kartų mažesnis nei atmosferos slėgis). Tiesiog kambario ore atšaldyti bandinio nepavyktų dėl šilumos mainų tarp laboratorijos oro ir bandinio, taip pat ant bandinio paviršiaus kondensuotųsi kambaryje esanti drėgmė, susidarę ledo kristaliukai sklaidytų šviesą ir optinių matavimų nebebūtų įmanoma atlikti. Šiais tyrimais buvo ištirta kiek suintensyvėja InGaN kvantinių lakštų fotoliuminescencija ir paspartėja jos gesimas juos padengus sidabro nanodalelėmis.

S. Nargelo podoktorantūros stažuotė finansuojama pagal Europos Sąjungos struktūrinių fondų Žmogiškųjų išteklių plėtros veiksmų programą, Mokslininkų ir kitų tyrėjų mobilumo ir studentų mokslinių darbų skatinimo priemonės (VP1-3.1-ŠMM-01) įgyvendinamą projektą "Podoktorantūros (post doc) stažuočių įgyvendinimas Lietuvoje“.

Komentarai (0)