eng
Выпуск #3/2020
Е. Н. Опарин, М. О. Жукова, В. Г. Булгакова, С. А. Позднякова, А. Н. Цыпкин
Исследование тонких пленок hBN / WS2 методом терагерцевой спектроскопии с разрешением во времени
Исследование тонких пленок hBN / WS2 методом терагерцевой спектроскопии с разрешением во времени
Просмотры: 2402
DOI: 10.22184/1993-7296.FRos.2020.14.3.264.269
В работе представлены оценки линейных оптических свойств материла, перспективного для изготовления модуляторов ТГц-излучения – тонких пленок смеси дисульфида вольфрама и нитрида бора с гексагональной решеткой на подложке из полиэтилентерефталата (PET) в широкополосном терагерцовом диапазоне частот. В диапазоне от 0,5 до 2,5 ТГц пленки продемонстрировали высокую прозрачность, превосходящую 90%. Рассчитанный показатель преломления составил 1,75 и превысил значения, характерные для материалов TPX и PET, применяемых при производстве ТГц оптики.
В работе представлены оценки линейных оптических свойств материла, перспективного для изготовления модуляторов ТГц-излучения – тонких пленок смеси дисульфида вольфрама и нитрида бора с гексагональной решеткой на подложке из полиэтилентерефталата (PET) в широкополосном терагерцовом диапазоне частот. В диапазоне от 0,5 до 2,5 ТГц пленки продемонстрировали высокую прозрачность, превосходящую 90%. Рассчитанный показатель преломления составил 1,75 и превысил значения, характерные для материалов TPX и PET, применяемых при производстве ТГц оптики.
Теги: hexagonal boron nitride terahertz spectroscopy transitional metal dichalcogenides two-dimensional materials двумерные материалы дихалькогениды переходных металлов нитрид бора терагерцовая спектроскопия
Исследование тонких пленок hBN / WS2 методом терагерцевой спектроскопии с разрешением во времени
Е. Н. Опарин, М. О. Жукова, В. Г. Булгакова, С. А. Позднякова, А. Н. Цыпкин
Университет ИТМО, Санкт-Петербург, Россия
ФГУП «Крыловский государственный научный центр», Санкт-Петербург, Россия
Статья получена: 21.02.2020
Принята к публикации: 23.03.2020
ВВЕДЕНИЕ
В последние несколько лет существенно возрос объем данных, передаваемых в обход проводных линий связи, а вместе с ним возросла и потребность в сверхбыстрых и широкополосных системах передачи информации. Одним из возможных решений этой проблемы стал переход беспроводных сетей от радиодиапазона к миллиметровым волнам, однако со временем стало ясно, что для дальнейшего развития потребуется охват и других частей электромагнитного спектра. Особенно здесь выделяется терагерцовый (ТГц) диапазон частот, так как он сочетает в себе возможности как радиочастотных, так и оптических устройств, что открывает широкие перспективы для разработки высокоскоростных комплексов беспроводной связи [1].
Тем не менее, работы в ТГц части спектра начали вестись относительно недавно, поэтому в данный момент остро стоит вопрос создания оптических компонентов и устройств, способных эффективно работать в этом диапазоне. В последние годы были достигнуты определенные успехи: разработаны новые способы генерации высокоинтенсивного излучения [2], исследованы разнообразные способы управления им [3].
Однако работа в этой области далека от завершения – до сих пор существует большой потенциал для расширения рабочего диапазона систем, а также для увеличения глубины модуляции. Базой для реализации этого могут послужить новые материалы и структуры, в данный момент активно разрабатываемые учеными по всему миру.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Не так давно начали проводиться исследования, связанные с двумерными (2D) материалами, такими как графен и тонкие пленки дихалькогенидов переходных металлов (ДПМ) или различных оксидов [4]. К ДПМ, например, относится и дисульфид вольфрама (WS2), в «объемном состоянии» представляющий собой Ван-дер-Ваальсову гетероструктуру [5]. В виде тонкой пленки данный материал представляет набор нескольких монослоев, содержащих в себе слой атомов вольфрама, заключенный между двумя плоскостями серы. Совокупность уникальных свойств WS2 открывает широкие возможности для его применения в системах коммуникаций, а также ТГц спектрометрах в качестве модулятора излучения [6, 7]. Кроме того, в одной из работ [8] была продемонстрирована возможность использования тонких пленок нитрида бора с гексагональной кристаллической решеткой (hBN) для повышения стабильности оптических свойств дисульфида молибдена – материала во многом аналогичного по структуре WS2.
Исходя из выше сказанного, было решено исследовать оптические свойства WS2 в смеси с hBN в широкополосном ТГц диапазоне частот, что позволит учитывать полученные данные в дальнейших работах по разработке эффективных средств управления ТГц излучением.
Пленки WS2 / hBN были получены методом отслоения в жидкой фазе от объемной формы кристаллов WS2 и BN. В качестве подложки использовалась плоскопараллельная пластинка полиэтилентерефталата (PET) толщиной 1 мм. Выбор именно этого материала связан с его низким поглощением в ТГц диапазоне частот от 0,1 до 2,5 ТГц. Для переноса WS2 / hBN на подложку был применен стандартный метод по нанесению тонких пленок с использованием мембраны, которая в дальнейшем удаляется механически. Толщина образца составила порядка 50 мкм.
ПРОВЕДЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТА
Исследования проводились с использованием лабораторной установки ТГц спектроскопии с разрешением во времени TeraPulse 4000 производства фирмы TeraView, изображенной на рис. 1. В данной системе в качестве генератора ТГц используется фотопроводящая антенна, освещенная излучением фемтосекундного (фс) волоконного лазера. Длительность ТГц импульсов составляет 1,8 пс, а спектральный диапазон охватывает частоты от 0,5 до 2,5 ТГц.
Во всех расчетах в качестве опорного сигнала был выбран импульс, прошедший через PET, а не через воздух. Благодаря этому было исключено влияние подложки на полученные данные. В тоже время, малая толщина образца приводит к наложению друг на друга импульсов, многократно отраженных от граней тонкой пленки. Данное обстоятельство требует отдельного учета, подробный алгоритм которого приведен в [9].
Измерения проводились несколько раз в разных точках образца, после чего полученные данные усреднялись. Это было сделано с целью сведения к минимуму влияния на результаты возможных неоднородностей тонкой пленки.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Временные формы измеренных сигналов представлены на рис. 2а, а на рис. 2b изображены соответствующие им спектры. Линии поглощения, возникающие на частотах выше 1 ТГц, обусловлены содержанием водяных паров в воздухе.
Спектры пропускания широкополосного ТГц излучения через тонкую пленку WS2 / hBN представлены на рис. 3, а на рис. 4 продемонстрирован ее показатель преломления.
ВЫВОДЫ
Продемонстрировано, что пропускание образца дисульфида вольфрама в смеси с нитридом бора составляет 90% в диапазоне от 0,5 до 2 ТГц. Это указывает на высокую прозрачность тонких пленок WS2 / hBN в указанном диапазоне частот. В тоже время, несмотря на малую величину фазовой задержки, вносимой пленкой в сигнал, WS2 / hBN обладает показателем преломления, превышающим 1,75 в диапазоне 0,5–2 ТГц. Проводить сравнение с аналогичными пленками дисульфидов переходных металлов затруднительно, так как исследования их оптических свойств в ТГц диапазоне ранее не проводились, однако полученное значение показателя преломления превосходит таковые для, например, полиметилпентена (1,46) или полиэтилентерефталата (1,65) – материалов широко использующихся для производства ТГц линз, окон и других оптических элементов. Следовательно, при проектировании устройств, требующих большое число слоев смеси, возникнет острая необходимость учитывать преломление в WS2 / hBN.
Список литературы:
Akyildiz I., Jornet J., Han C. TeraNets: ultra-broadband communication networks in the terahertz band. IEEE Wirel. Commun. 2014; 21(4): 130–135. DOI: 10.1109 / MWC.2014.6882305.
Tcypkin A. N. et al. Flat liquid jet as a highly efficient source of terahertz radiation. Opt. Express. 2019; 27(11): 15485. DOI: 10.1364 / OE.27.015485.
Rahm M., Li J. S., Padilla W. J. THz wave modulators: A brief review on different modulation techniques. J. Infrared, Millimeter. Terahertz Waves. 2013; 34 (1):1–27. DOI: 10.1007 / s10762–012–9946–2.
Bird J. P. et al. Prospects for the application of two-dimensional materials to terahertz-band communications. Proc. 4th ACM Int. Conf. Nanoscale Comput. Commun. NanoCom ‘17. 2017; 1–2. DOI: 10.1145 / 3109453.3122845.
Geim A. K., Grigorieva I. V. Van der Waals heterostructures. Nature. Nature Publishing Group. 2013; 499 (7459): 419–425. DOI: 10.1038 / nature12385.
Zhukova M. O. et al. Transmission Properties of FeCl3-Intercalated Graphene and WS2 Thin Films for Terahertz Time-Domain Spectroscopy Applications. Nanoscale Research Letters. 2019; 14(1): 225. DOI: 10.1186 / s11671-019-3062-3.
Yang D.-S., Jiang T., Cheng X.-A. Optically controlled terahertz modulator by liquid-exfoliated multilayer WS_2 nanosheets. Opt. Express. 2017; 25 (14):16364. DOI: 10.1364 / OE.25.016364.
Man M. K. L. et al. Protecting the properties of monolayer MoS2 on silicon based substrates with an atomically thin buffer. – Sci. Rep. Nature Publishing Group. 2016; 6 (1): 20890. DOI: 10.1038 / srep20890.
Taschin A. et al. THz time-domain spectroscopic investigations of thin films. Measurement. – Elsevier Ltd, 2018. Vol. 118. P. 282–288. DOI: 10.1016 / j.measurement.2017.05.074.
ВКЛАД АВТОРОВ
Е. Н. Опарин, В. Г. Булгакова и С. А. Позднякова провели серию экспериментов, Е. Н. Опарин обработал и проанализировал экспериментальные данные, М. О. Жукова подготовила обзор тематики и запланировала исследование, А. Н. Цыпкин руководил работой коллектива. Все авторы рецензировали рукопись.
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
ОБ АВТОРАХ
Опарин Егор Николаевич, en_oparin@itmo.ru, студент факультета Фотоники и Оптоинформатики, Университет ИТМО, Санкт-Петербург, Россия.
ORCID: 0000-0002-4009-7594
Жукова Мария Олеговна, mozhukova@itmo.ru, инженер-исследователь, аспирант факультета Фотоники и Оптоинформатики, Университет ИТМО, Санкт-Петербург, Россия.
ORCID: 0000-0001-8425-9412
Булгакова Вера Геннадьевна, vera-bulgakova@yandex.ru, канд. физ.-мат. наук, старший научный сотрудник, ФГУП «Крыловский государственный научный центр», Санкт-Петербург, Россия.
ORCID: 0000-0002-6903-2129
Позднякова Светлана Алексеевна, lana.pozdnyakova@inbox.ru, канд. физ.-мат. наук, старший научный сотрудник, ФГУП «Крыловский государственный научный центр», Санкт-Петербург, Россия.
ORCID: 0000-0002-9184-4860
Цыпкин Антон Николаевич, tsypkinan@itmo.ru, канд. физ.-мат. наук, руководитель лаборатории фемтосекундной оптики и фемтотехнологий, Научный сотрудник лаборатории квантовых процессов и измерений, Университет ИТМО, Санкт-Петербург, Россия.
ORCID: 0000-0002-9254-1116
Е. Н. Опарин, М. О. Жукова, В. Г. Булгакова, С. А. Позднякова, А. Н. Цыпкин
Университет ИТМО, Санкт-Петербург, Россия
ФГУП «Крыловский государственный научный центр», Санкт-Петербург, Россия
Статья получена: 21.02.2020
Принята к публикации: 23.03.2020
ВВЕДЕНИЕ
В последние несколько лет существенно возрос объем данных, передаваемых в обход проводных линий связи, а вместе с ним возросла и потребность в сверхбыстрых и широкополосных системах передачи информации. Одним из возможных решений этой проблемы стал переход беспроводных сетей от радиодиапазона к миллиметровым волнам, однако со временем стало ясно, что для дальнейшего развития потребуется охват и других частей электромагнитного спектра. Особенно здесь выделяется терагерцовый (ТГц) диапазон частот, так как он сочетает в себе возможности как радиочастотных, так и оптических устройств, что открывает широкие перспективы для разработки высокоскоростных комплексов беспроводной связи [1].
Тем не менее, работы в ТГц части спектра начали вестись относительно недавно, поэтому в данный момент остро стоит вопрос создания оптических компонентов и устройств, способных эффективно работать в этом диапазоне. В последние годы были достигнуты определенные успехи: разработаны новые способы генерации высокоинтенсивного излучения [2], исследованы разнообразные способы управления им [3].
Однако работа в этой области далека от завершения – до сих пор существует большой потенциал для расширения рабочего диапазона систем, а также для увеличения глубины модуляции. Базой для реализации этого могут послужить новые материалы и структуры, в данный момент активно разрабатываемые учеными по всему миру.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Не так давно начали проводиться исследования, связанные с двумерными (2D) материалами, такими как графен и тонкие пленки дихалькогенидов переходных металлов (ДПМ) или различных оксидов [4]. К ДПМ, например, относится и дисульфид вольфрама (WS2), в «объемном состоянии» представляющий собой Ван-дер-Ваальсову гетероструктуру [5]. В виде тонкой пленки данный материал представляет набор нескольких монослоев, содержащих в себе слой атомов вольфрама, заключенный между двумя плоскостями серы. Совокупность уникальных свойств WS2 открывает широкие возможности для его применения в системах коммуникаций, а также ТГц спектрометрах в качестве модулятора излучения [6, 7]. Кроме того, в одной из работ [8] была продемонстрирована возможность использования тонких пленок нитрида бора с гексагональной кристаллической решеткой (hBN) для повышения стабильности оптических свойств дисульфида молибдена – материала во многом аналогичного по структуре WS2.
Исходя из выше сказанного, было решено исследовать оптические свойства WS2 в смеси с hBN в широкополосном ТГц диапазоне частот, что позволит учитывать полученные данные в дальнейших работах по разработке эффективных средств управления ТГц излучением.
Пленки WS2 / hBN были получены методом отслоения в жидкой фазе от объемной формы кристаллов WS2 и BN. В качестве подложки использовалась плоскопараллельная пластинка полиэтилентерефталата (PET) толщиной 1 мм. Выбор именно этого материала связан с его низким поглощением в ТГц диапазоне частот от 0,1 до 2,5 ТГц. Для переноса WS2 / hBN на подложку был применен стандартный метод по нанесению тонких пленок с использованием мембраны, которая в дальнейшем удаляется механически. Толщина образца составила порядка 50 мкм.
ПРОВЕДЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТА
Исследования проводились с использованием лабораторной установки ТГц спектроскопии с разрешением во времени TeraPulse 4000 производства фирмы TeraView, изображенной на рис. 1. В данной системе в качестве генератора ТГц используется фотопроводящая антенна, освещенная излучением фемтосекундного (фс) волоконного лазера. Длительность ТГц импульсов составляет 1,8 пс, а спектральный диапазон охватывает частоты от 0,5 до 2,5 ТГц.
Во всех расчетах в качестве опорного сигнала был выбран импульс, прошедший через PET, а не через воздух. Благодаря этому было исключено влияние подложки на полученные данные. В тоже время, малая толщина образца приводит к наложению друг на друга импульсов, многократно отраженных от граней тонкой пленки. Данное обстоятельство требует отдельного учета, подробный алгоритм которого приведен в [9].
Измерения проводились несколько раз в разных точках образца, после чего полученные данные усреднялись. Это было сделано с целью сведения к минимуму влияния на результаты возможных неоднородностей тонкой пленки.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Временные формы измеренных сигналов представлены на рис. 2а, а на рис. 2b изображены соответствующие им спектры. Линии поглощения, возникающие на частотах выше 1 ТГц, обусловлены содержанием водяных паров в воздухе.
Спектры пропускания широкополосного ТГц излучения через тонкую пленку WS2 / hBN представлены на рис. 3, а на рис. 4 продемонстрирован ее показатель преломления.
ВЫВОДЫ
Продемонстрировано, что пропускание образца дисульфида вольфрама в смеси с нитридом бора составляет 90% в диапазоне от 0,5 до 2 ТГц. Это указывает на высокую прозрачность тонких пленок WS2 / hBN в указанном диапазоне частот. В тоже время, несмотря на малую величину фазовой задержки, вносимой пленкой в сигнал, WS2 / hBN обладает показателем преломления, превышающим 1,75 в диапазоне 0,5–2 ТГц. Проводить сравнение с аналогичными пленками дисульфидов переходных металлов затруднительно, так как исследования их оптических свойств в ТГц диапазоне ранее не проводились, однако полученное значение показателя преломления превосходит таковые для, например, полиметилпентена (1,46) или полиэтилентерефталата (1,65) – материалов широко использующихся для производства ТГц линз, окон и других оптических элементов. Следовательно, при проектировании устройств, требующих большое число слоев смеси, возникнет острая необходимость учитывать преломление в WS2 / hBN.
Список литературы:
Akyildiz I., Jornet J., Han C. TeraNets: ultra-broadband communication networks in the terahertz band. IEEE Wirel. Commun. 2014; 21(4): 130–135. DOI: 10.1109 / MWC.2014.6882305.
Tcypkin A. N. et al. Flat liquid jet as a highly efficient source of terahertz radiation. Opt. Express. 2019; 27(11): 15485. DOI: 10.1364 / OE.27.015485.
Rahm M., Li J. S., Padilla W. J. THz wave modulators: A brief review on different modulation techniques. J. Infrared, Millimeter. Terahertz Waves. 2013; 34 (1):1–27. DOI: 10.1007 / s10762–012–9946–2.
Bird J. P. et al. Prospects for the application of two-dimensional materials to terahertz-band communications. Proc. 4th ACM Int. Conf. Nanoscale Comput. Commun. NanoCom ‘17. 2017; 1–2. DOI: 10.1145 / 3109453.3122845.
Geim A. K., Grigorieva I. V. Van der Waals heterostructures. Nature. Nature Publishing Group. 2013; 499 (7459): 419–425. DOI: 10.1038 / nature12385.
Zhukova M. O. et al. Transmission Properties of FeCl3-Intercalated Graphene and WS2 Thin Films for Terahertz Time-Domain Spectroscopy Applications. Nanoscale Research Letters. 2019; 14(1): 225. DOI: 10.1186 / s11671-019-3062-3.
Yang D.-S., Jiang T., Cheng X.-A. Optically controlled terahertz modulator by liquid-exfoliated multilayer WS_2 nanosheets. Opt. Express. 2017; 25 (14):16364. DOI: 10.1364 / OE.25.016364.
Man M. K. L. et al. Protecting the properties of monolayer MoS2 on silicon based substrates with an atomically thin buffer. – Sci. Rep. Nature Publishing Group. 2016; 6 (1): 20890. DOI: 10.1038 / srep20890.
Taschin A. et al. THz time-domain spectroscopic investigations of thin films. Measurement. – Elsevier Ltd, 2018. Vol. 118. P. 282–288. DOI: 10.1016 / j.measurement.2017.05.074.
ВКЛАД АВТОРОВ
Е. Н. Опарин, В. Г. Булгакова и С. А. Позднякова провели серию экспериментов, Е. Н. Опарин обработал и проанализировал экспериментальные данные, М. О. Жукова подготовила обзор тематики и запланировала исследование, А. Н. Цыпкин руководил работой коллектива. Все авторы рецензировали рукопись.
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
ОБ АВТОРАХ
Опарин Егор Николаевич, en_oparin@itmo.ru, студент факультета Фотоники и Оптоинформатики, Университет ИТМО, Санкт-Петербург, Россия.
ORCID: 0000-0002-4009-7594
Жукова Мария Олеговна, mozhukova@itmo.ru, инженер-исследователь, аспирант факультета Фотоники и Оптоинформатики, Университет ИТМО, Санкт-Петербург, Россия.
ORCID: 0000-0001-8425-9412
Булгакова Вера Геннадьевна, vera-bulgakova@yandex.ru, канд. физ.-мат. наук, старший научный сотрудник, ФГУП «Крыловский государственный научный центр», Санкт-Петербург, Россия.
ORCID: 0000-0002-6903-2129
Позднякова Светлана Алексеевна, lana.pozdnyakova@inbox.ru, канд. физ.-мат. наук, старший научный сотрудник, ФГУП «Крыловский государственный научный центр», Санкт-Петербург, Россия.
ORCID: 0000-0002-9184-4860
Цыпкин Антон Николаевич, tsypkinan@itmo.ru, канд. физ.-мат. наук, руководитель лаборатории фемтосекундной оптики и фемтотехнологий, Научный сотрудник лаборатории квантовых процессов и измерений, Университет ИТМО, Санкт-Петербург, Россия.
ORCID: 0000-0002-9254-1116
Отзывы читателей
