Хімія, фізика та технологія поверхні, 2020, 11 (4), 445-455.

Екситон-поляритони в 2D структурах макропористого кремнію з нанопокриттями



DOI: https://doi.org/10.15407/hftp11.04.445

L. A. Karachevtseva, O. O. Lytvynenko, V. F. Onyshchenko, V. V. Strelchuk, V. A. Boyko

Анотація


В роботі досліджені високороздільні спектри оптичного поглинання та відбивання в 2D односторонніх періодичних структурах макропористого кремнію з нанопокриттями SiO2 та наночастинками CdS, ZnO та у двосторонніх структурах макропористого кремнію без нанопокриттів. Після зміни роздільної здатності вимірювань з 2 на 1 cм–1 період осциляцій електрооптичного ефекту Ваньє-Штарка зменшується у 3 рази, поглинання збільшується у 60–100 разів; для двосторонніх структур макропористого кремнію період осциляцій зменшується у 1.5 рази, поглинання збільшується на 25–30 %. На додаток, для односторонніх структур макропористого кремнію виміряні гігантські позитивні та негативні осциляції поглинання величиною 107 відн.од. та напівшириною 0.4–1.0 см–1 в спектральній області поглинання Si–Si–зв’язками та Pb центрами. Подібні осциляції у спектрах відбивання мають набагато меншу амплітуду – до 4·104 відн. од. В спектральній області поперечного фонона ωTO(Si–Si–зв’язки) спектри поглинання повністю відповідають експериментальним даним по фононним поляритонам в тонких плівках в умовах резонансної взаємодії діпольно-активних коливань з частотою ωTO з поверхневими модами мікрорезонатора. У цьому випадку мікрорезонатори взаємодіють як між собою в односторонніх структурах, так і в системі двосторонніх структур макропористого кремнію. Гігантські осциляції свідчать про сильну взаємодію поверхневих поляритонів з фотонами. Когерентність осциляцій та великомасштабні макрокореляції є результатом конденсації екситонних поляритонів на макропорах як мікрорезонаторах. У 2D структурах макропористого кремнію з нано-покриттями вигини зон на поверхні макропор є значними. Тому, генеровані фотоелектрони зв’язуються з дірками в потенціальних ямах, утворюючи електрон-діркові пари, які називаються екситонними поляритонами відповідно до явища конденсації Бозе-Ейнштейна.


Ключові слова


односторонні та двосторонні структури макропористого кремнію; нанопокриття нанокристалів; екситонні поляритони; конденсація Бозе-Ейнштейна

Повний текст:

PDF (English)

Посилання


1. Birner A., Wehrspohn R.B., Gösele U.M., Busch K. Silicon-Based Photonic Crystals. Adv. Mater. 2001. 13(6): 377. https://doi.org/10.1002/1521-4095(200103)13:6<377::AID-ADMA377>3.0.CO;2-X

2. Karachevtseva L.A. Two-dimensional photonic crystals as perspective materials of modern nanoelectronics. Semiconductor Physics, Quantum Electronics and Optoelectronics. 2004. 7(4): 430. https://doi.org/10.15407/spqeo7.04.430

3. Karachevtseva L.A., Glushko A.E., Ivanov V.I., Lytvynenko O.O., Onishchenko V.F., Parshin K.A., Stronska O.J. Out-of-plane optical transmittance of 2D photonic macroporous silicon structures. Semiconductor Physics, Quantum Electronics and Optoelectronics. 2007. 10(2): 51.

4. Glushko A., Karachevtseva L. Photonic band structure of oxidized macroporous silicon. Opto-Electron. Rev. 2006. 14(3): 201. https://doi.org/10.2478/s11772-006-0026-9

5. Glushko A., Karachevtseva L. PBG properties of three-component 2D photonic crystals. Photonics Nanostruct. Fundam. Appl. 2006. 4(3): 141. https://doi.org/10.1016/j.photonics.2006.02.003

6. Karachevtseva L., Karas' N., Onischenko V., Sizov F. Surface polaritons in 2D macroporous silicon structures, Int. J. Nanotechnol. 2006. 3(1): 76. https://doi.org/10.1504/IJNT.2006.008722

7. Holiney R.Yu., Matveeva L.A., Venger E.F., Karachevtseva L.A., Lytvynenko O.A. Electroreflectance study of macroporous silicon surfaces. Appl. Surf. Sci. 2001. 172(3-4): 214. https://doi.org/10.1016/S0169-4332(00)00861-8

8. Karachevtseva L.A., Ivanov V.I., Lytvynenko O.O., Parshin K.A., Stronska O.J. The impurity Franz-Keldysh effect in 2D photonic macroporous silicon structures. Appl. Surf. Sci. 2008. 255(5): 3328. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2008.09.038

9. Karachevtseva L., Kuchmii S., Lytvynenko O., Sizov F., Stronska O., Stroyuk A. Oscillations of light absorption in 2D macroporous silicon structures with surface nanocoatings. Appl. Surf. Sci. 2011. 257(8): 3331. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2010.11.016

10. Karachevtseva L., Goltviansky Yu., Sapelnikova O., Lytvynenko O., Stronska O., Bo Wang, Kartel M. Wannier-Stark electro-optical effect, quasi-guided and photonic modes in 2D macroporous silicon structures with SiO2 coatings. Appl. Surf. Sci. 2016. 388(1): 120. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2016.03.026

11. Karachevtseva L.A. Coherent oscillations in IR spectra of 2D macroporous silicon structures with surface nanocoatings. Him. Fiz. Tehnol. Poverhni. 2020. 11(1): 115. https://doi.org/10.15407/hftp11.01.115

12. Patent UA 136455. Karachevtseva L. Method for Manufacturing of Optical Quantum Computer. 2019.

13. Karachevtseva L.A., Litvinenko O.A., Stronskaya E.I. Influence of Electrochemical Parameters on the Etching of Macropores in Silicon. Theor. Exp. Chem. 2003. 39(6): 385. https://doi.org/10.1023/B:THEC.0000013993.88442.0e

14. Mao J., Yao J.-N., Wang L.-N., Liu W.-S. Easily prepared high-quantum-yield CdS quantum dots in water using hyperbranchedpolyethylenimine as modifier. J. Colloid Interface Sci. 2008. 319(1): 353. https://doi.org/10.1016/j.jcis.2007.10.027

15. Karachevtseva L., Kuchmii S., Stroyuk A., Sapelnikova O., Lytvynenko O., Stronska O., Bo Wang, Kartel M. Light-emitting structures of CdSnanocrystals in oxidized macroporous silicon. Appl. Surf. Sci. 2016. 388(1): 288. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2016.01.069

16. Stroyuk A.L., Shvalagin V.V., Kuchmii S.Ya. Photochemical synthesis and optical properties of binary and ternary metal-semiconductor composites based on zinc oxide nanoparticles. J. Photochem. Photobiol. A. 2005. 173(2): 185. https://doi.org/10.1016/j.jphotochem.2005.02.002

17. Karachevtseva L., Kartel M., Kladko V., Gudymenko O., Wang B., Bratus' V., Lytvynenko O., Onyshchenko V., Stronska O. Functionalization of 2D macroporous silicon under the high-pressure oxidation. Appl. Surf. Sci. 2018. 434: 142. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2017.10.029

18. Hopfield J.J. Theory of the contribution of excitons to the complex dielectric constant of crystals. Phys. Rev. 1958. 112: 1555. https://doi.org/10.1103/PhysRev.112.1555

19. Pekar S.I. The theory of electromagnetic waves in a crystal in which excitonsare produced. Sov. Phys. JETP. 1958. 6(33): 785.

20. Vinogradov E.A. Semiconductor microcavitypolaritons, Sov. Phys. Usp. 2002. 172(12): 1371. https://doi.org/10.3367/UFNr.0172.200212b.1371

21. Kasprzak J., Richard M., Kundermann S., Baas A., Jeambrun P., Keeling J.M.J., Marchetti B., Szymacska F.M., Andre R., Staehli J.L., Savona V., Littlewood P.B., Deveaud B., Dang Le Si. Bose-Einstein condensation of excitonpolaritons. Nature. 2006. 443: 409. https://doi.org/10.1038/nature05131

22. Timofeev V.B. On Bose condensation of excitons in quasi-two-dimensional semiconductor heterostructures. Low Temperature Physics. 2012. 38(7): 693. https://doi.org/10.1063/1.4733681

23. Ohtani K., Meng B., Franckié M., Bosco L., Ndebeka-Bandou C., Beck M., Faist J. An electrically pumped phonon-polariton laser. Sci. Adv. 2019. 5(7): 1632. https://doi.org/10.1126/sciadv.aau1632

24. Karachevtseva L., Kuchmii S., Kolyadina O., Lytvynenko O., Matveeva L., Sapelnikova O., Smirnov O., Stroyuk O. Quantum-sized effects in oxidized silicon structures with surface II-VI nanocrystals. Semiconductor Physics, Quantum Electronics and Optoelectronics. 2014. 17(2): 168. https://doi.org/10.15407/spqeo17.02.168

25. Kang J.W., Song B., Liu W., Park S.-J., Agarwal R., Chang-Hee Cho C.-H. Room temperature polariton lasing in quantum heterostructurenanocavities. Sci. Adv. 2019 5(4): 9338. https://doi.org/10.1126/sciadv.aau9338




DOI: https://doi.org/10.15407/hftp11.04.445

Copyright (©) 2020 L. A. Karachevtseva, O. O. Lytvynenko, V. F. Onyshchenko, V. V. Strelchuk, V. A. Boyko

 CC By Creative Commons "Attribution" 4.0