Взаимодействие лазерного излучения с графеном и наноструктурами на его основе: оптические и фотоэлектрические эффекты

• Автор: Образцов, Петр Александрович
• Шифр специальности: 01.04.21
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2011
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 108 с. : ил.

Содержание:
Введение
Глава 1. Электронные и оптические свойства графена и наноструктур на его основе (Литературный обзор)

§1. От графита к графену: история и методы получения графена

§2. Графен

§3. Графит и углеродные нанотрубки

§4. Оптические свойства графена и наноструктур на его основе

§5. Применения графена и нанотрубок в лазерах

Глава 2. Экспериментальные методы и материалы

§1. Материалы

§2. Методы и оборудование

Глава 3. Фотоэлектрические эффекты в графене и других наноструктурах на его
основе
§ 1. Экспериментальное изучение фотоэлектрического отклика наноуглеродных
волокон
§2. Экспериментальное изучение фотоэлектрического отклика нанографитных пленок
§3. Генерация терагерцового излучения в графене
Глава 4. Применение эффекта насыщающегося поглощения углеродных нанотрубок
в лазерах ультракоротких импульсов
§1. «Ритр-ргоЬе» спектроскопия полимерных пленок, содержащих одностенные
углеродные нанотрубки
§2. Реализация пассивной синхронизации мод в твердотельных лазерах с помощью
насыщающихся поглотителей на основе нанотрубок
Глава 5. Исследование нелинейно-оптических свойств графена методом
«ришр-ргоЪе» спектроскопии в широком спектральном диапазоне
§1. Динамика фотовозбуждениых носителей в графене
§2. Результаты «ришр-ргоЬе» экспериментов
§3. Интерпретация результатов «ритр-ргоЬе» измерений
Основные выводы
Список литературы

Введение
Углеродные материалы находят широкое применение в различных областях, что стимулирует постоянный интерес к их исследованию. Помимо практических применений углеродные материалы представляют интерес и с точки зрения фундаментальной науки. В частности, графит на протяжении долгого времени служил наглядной моделью для изучения физики твердого тела и стал одним из первых материалов, к которому была применена квантовая теория твердого тела.
Открытие новых наноструктурированых форм углерода в виде фуллеренов в 1985 году и углеродных нанотрубок в 1991 году значительно повлияло на развитие физики наноматериалов и вызвало рост интереса к исследованию физических и химических свойств наноструктур. Всесторонние исследования углеродных наномагериалов в течение последних десятилетий позволили не только выявить их уникальные свойства, но и научиться управлять ими. Так, например, оптические свойства и тип проводимости нанотрубок определяются их геометрическими характеристиками.
Практическая демонстрация возможности отделения и стабильного существования графена, продемонстрированная в 2004 году, стала настоящим прорывом в исследовании углеродных материалов. Графен, представляя собой монослой атомов углерода, объединенных в гексагональную решетку, является структурной основой графита, нанотрубок и других форм наноуглерода с доминирующей эр2 гибридизацией электронных орбиталей. Кроме этого, отделение графена открыло перспективу экспериментального исследования физических свойств двумерных структур, прежде доступных только для теоретического моделирования.

Двумерность графема проявляется в его уникальных оптических и электронных свойствах. Носители заряда в графене обладают очень высокой подвижностью, а их движение описывается двумерным уравнением Дирака, а не уравнением Шредингера, как в объемных полупроводниках. Нулевая запрещенная зона и линейный закон дисперсии энергии электронов в зависимости от волнового вектора обеспечивают плоский в широком диапазоне (от ультрафиолета (УФ) до инфракрасной (ИК) области) спектр оптического поглощения графена. При этом коэффициент поглощения монослоя графена определяется исключительно постоянной тонкой структуры и не зависит от материальных параметров. Такие электроннооптические свойства открывают перспективу применения графена и наноструктур на его основе в оптоэлектронике, высокочастотной наноэлектронике и лазерной технике. В частности, одним из перспективных направлений является использование графена и нанотрубок в качестве пассивных затворов (насыщающихся поглотителей) для создания лазеров ультрокоротких импульсов.
Несмотря на интенсивные исследования оптических свойств графена и других материалов на его основе, многие вопросы до сих шор остаются открытыми. К числу таких не до конца выясненных проблем относятся механизмы взаимодействия материалов на основе графена с лазерным излучением. Указанные обстоятельства, а также широкий круг перспективных применений, делают актуальными исследования взаимодействия лазерного излучения с материалами на основе графена.

1.3.3 Нанографит, полученный методом РЕСУО
Другим материалом на основе графита, исследовавшимся в данной работе, является, так называемый, нанографит. Для получения нанографита так же используется метод РЕСУО (см. 2.1.3.2), но в отличие от получения графена, в качестве подложек используются кремниевые (81) пластины с размерами 25x25 мм. Подробности метода получения нанографита изложены в работе [95].
Нанографит представляет собой тонкую пленку с мезопористой структурой, осажденную на поверхность кремниевой подложки. Структура пленки состоит из чешуек графена толщиной от 2 до 10 мкм и поперечными размерами от 0.5 до 3 мкм. Чешуйки, составляющие нанографитную пленку, преимущественно ориентированы перпендикулярно подложке, с максимальным отклонением от нормали ±20° [96]. Типичное изображение нанографитной пленки, полученное с помощью электронного микроскопа, и изображение отдельной чешуйки, на котором хорошо видны составляющие ее графеновые слои, представлены на Рис. 13.
Рис. 13. Типичное изображение нанографитной РЕСУО пленки полученное с помощью электронного микроскопа.