Последние годы периодические гетероструктуры, представляющие собой брэгговские микрорезонаторы с интегрированными квантово-размерными системами, повсеместно используются как среды для изучения фундаментальных явлений и создания устройств, основанных на них. Одними из таких структур являются высокодобротные микрорезонаторы с монослоями дихалькогенидов переходных металлов (TMD) в зоне слоя резонатора, которые являются перспективными гибридными структурами для целей фундаментальных исследований в сфере квантовой электродинамики в рамках физики твердого тела. В этих структурах квазичастицы - экситоны, имеют большую силу осциллятора и энергии связи порядка нескольких сотен мэВ, что обеспечивает исключительную стабильность экситона при температурах, близких к комнатной, и позволяет экситонным особенностям проявляться в видимом и ближнем инфракрасном спектральном диапазоне. Также известно, что высокодобротные микрорезонаторы обеспечивают режим сильной экситон-фотонной связи, что позволяет формироваться экситон-поляритонам.
Цели и задачи проекта подразумевают изготовление гибридных структур, основанных на полупроводниках A3B5 и дихалькогенидах переходных металлов (TMD), а также последующего изучения оптических свойств таких структур методами спектроскопии фотолюминесценции, пропускания, интерферометрии. Будет проведено исследование возможности сильной экситон-фотонной связи (образование поляритонов) при температурах, близкой к комнатной, а также баллистического распространения в волноведущих структурах. Предполагается рост AlGaAs/GaAs гетероструктур на оборудовании в СПбГУ и последующее добавления на них монослоев ДПМ в Ольденбургском университете группой Проф. Шнайдера.
Желательными результатами проекта являются:
- успешное производство образцов гибридных гетероструктур, основанных на полупроводниках A3B5 и дихалькогенидах переходных металлов (ДПМ)
- исследование экситон-поляритонов и экситон-фотонной связи, а также возможность наблюдения эффектов при температурах, близких к комнатной.
- Рассмотрен технический процесс производства монослоев дихалькогенидов переходных металлов, а именно использованы два способа производства: механический перенос на подложку или на диэлектрическое зеркало отшелушенных от кристалла чешуек с помощью специального сухого штампа геля PDMS; химический рост монослоев.
- Полученные образцы исследовались с помощью эффекта генерации второй гармоники (SHG) и построения поляризационных диаграмм для сигнала от второй гармоники для определения на монослойность перенесенных или выращенных структур, а также для определения относительного угла вращения кристаллической решетки монослоя. Для этого была создана отдельная оптическая установка, вкратце, состоящая из фемтосекундного лазера (излучающего в ближнем ИК), поляризующей оптики (для контроля поляризации и мощности накачки, а также поляризации сигнала), ахроматических линз и микрообъектива (позволяющего фокусировать луч лазера накачки до диаметра 3-5 мкм, для высокоточных исследований), а также лавинного фотодетектора, являющегося приемником SHG сигнала. Также, эксперимент был автоматизирован (с помощью программируемой оптомеханики), для быстрого получения поляризационных SHG диаграмм и соотвествующих углов.
- С помощью этой установки, помимо исследования тестовых образцов, была исследована структура, кандидат для использование в поляритонном микрорезонаторе, представляющая собой диэлектрическое зеркало SiO2/TiO2 (DBR), на которое с помощью механической эксфолиации нанесены чешуек монослоев MoSe2/WS2. В результате этого исследование было определено, что угол поворота решетки одного монослоя относительного другого составляет около 3 градусов. Исходя из этого можно ожидать сдвиг энергии гибридизированного межслойного экситона, подходящий для формирования сильной экситон-фотонной связи в микрорезонаторе и для дальнейшего исследования нелинейных свойств полученного состояния, а также возможности конденсации при комнатной температуре.
- Также образец DBR/MoSe2/WS2 был покрыт hBN для защиты от влаги и формирования улучшенной диэлектрической среды, после чего далее был исследован с помощью спектроскопии фотолюминесценции (PL) и отражения под нормальным углом (NR) при комнатной (295 K) и низкой температуре (10 K), используя изображающий спектрометр, различную оптику и криостат замкнутого цикла. В результате получены спектры как в реальном, так и в обратном пространстве, позволяющие определить дисперсию экситонных резонансов. Были определены энергии и ширины экситонных резонансов, а также определен сдвиг для межслойного экситона, что соответствовало SHG измерениям и известным значениям из литературы.
- Помимо механически эксфолированных монослоев, были исследованы и выращенные химическим методом монослои с помощью SHG спектроскопии. Результаты приводят к выводам, что выращенные слои, являются монослоями, т.к. сам SHG сигнал присутствует вследствие отсутствия симметрии инверсии (необходимое условия для генерации второй гармоники), а сама поляризационная диаграмма имеет вид 6-листового цветка, соответствующего гексогональной решетке монослоев.
Таким образом, успешно было создана гибридная структура с гетеробислоем MoSe2/WS2 (вместо подложки-зеркала A3B5 было выбрано зеркало SiO2/TiO2) для интеграции в поляритонный микрорезонатор, однако микрорезонатор собран не был, т.к. этап сборки требовал очень тщательного исследования структуры на всех этапах сборки, чтобы удостовериться в выполнении всех прекурсоров для последующего формирования экситон-фотонной связи. Самый важный, трудоемкий и длительный этап - этап производства активной среды, время выделенное на выполнение проекта было использовано эффективно. Последующая сборка поляритонного резонатора на основе исследованной гетероструктуры группой профессора Кристиана Шнайдера, приведет к дальнейшим совместным исследованиям поляритонных резонаторов.
Помимо основных активностей, к результатам проекта можно отнести дизайн и сборку автоматизированного интерферометра Майкельсона с использованием доступных микроконтроллеров для активной компенсации флуктуаций оптического хода полезного сигнала для проведения высокоточных и длительных исследований экситонных явлений.
Больше подробностей насчет исследований и установок (например, графики, измерения, схемы) доступны в официальном отчете для G-RISC на английском языке. Список публикаций, в рамках проекта, будет опубликован позже.
Митряхин Виктор Николаевич:
- Технический процесс эксфолиации и трансфера: наблюдение, обучение процессу, проба создания тестовых образцов.
- SHG спектроскопия: сборка схемы, улучшение оптики, юстировка, автоматизация, измерения.
- PL и NR спектроскопия: юстировка, измерения.
- Интерферометр Майкельсона: сборка, автоматизация модлокинга, программирование микроконтроллера.
