Письма в ЖЭТФ, том 110, вып. 11, с. 750 - 754

Анализ лазерной генерации тетраподов ZnO, полученных методом

карботермического синтеза

А. П. Тарасов⁺¹⁾, Ч. М. Брискина⁺, В. М. Маркушев⁺, Л. А. Задорожная^∗, А. С. Лавриков^∗, В. М. Каневский^∗

⁺Институт радиотехники и электроники им. В. А. Котельникова РАН, 125009 Москва, Россия

^∗Федеральный научно-исследовательский центр “Кристаллография и фотоника” РАН, 119333 Москва, Россия

Поступила в редакцию 17 октября 2019 г.

После переработки 17 октября 2019 г.

Принята к публикации 24 октября 2019 г.

Изучалась лазерная генерация тетраподов ZnO, изготовленных методом пиролитического карбо-

термического синтеза. Поскольку тетрапод может содержать несколько оптических резонаторов, что

усложняет анализ, предложено анализировать излучение отдельных ног тетраподов. Обнаружено, что

лазерные линии формируются в оптических резонаторах различных типов. Предположено, что низкопо-

роговая генерация обусловлена модами шепчущей галереи, возбуждаемыми в кончиках ног тетраподов.

DOI: 10.1134/S0370274X19230073

Введение. ZnO - широкозонный полупроводник,

Цель данной работы - анализ ЛГ синтезирован-

находящий все большее применение во многих обла-

ных тетраподов ZnO, в частности, определение типа

стях промышленности и технологий, включая опто-

лазерных мод, ответственных за низко- и высокопо-

электронику [1, 2]. Среди прочих, определенным пре-

роговую ЛГ, и локализация соответствующих опти-

имуществом этого материала является способность

ческих резонаторов, используя спектры отдельных

формировать структуры с различными морфологи-

ног тетраподов.

ями, вплоть до самых экзотичных: наноцветы, нано-

Эксперимент. Описание метода роста тетрапо-

гвозди, наногребни и пр. [3-5]. Одна из таких уни-

дов ZnO без примесей и допированных алюминием

кальных структур - тетраподы. Считается, что тет-

приведено в работе [10]. В настоящей работе все ис-

раподы ZnO могут быть полезны в производстве сол-

следования проводились с недопированными образ-

нечных элементов, биофильтров, различных сенсо-

цами. Накачка осуществлялась 3-й гармоникой им-

ров и др. [6]. Интерес также представляют оптиче-

пульсного Nd : YAG лазера (длина волны - 355 нм).

ские и, в частности, лазерные свойства тетраподов.

Длительность импульса и частота повторений ∼ 10 нс

Хотя работы, изучающие лазерную генерацию (ЛГ)

и 15 Гц. Размер пятна накачки на образце ∼ 180 мкм.

тетраподов ZnO представлены в литературе [7-9],

Краевое излучение образцов регистрировалось с по-

не всегда бывает ясно происхождение лазерных мод

мощью ПЗС камеры и монохроматора. Для получе-

в каждом конкретном случае. Это связано, не в по-

ния стабильного качественного сигнала использова-

следнюю очередь, с возможным присутствием в од-

лось накопление (50-200 импульсов).

ном тетраподе нескольких различных оптических ре-

Результаты и обсуждение. Изображения, по-

зонаторов, что усложняет анализ. Для упрощения

лученные с помощью растрового электронного мик-

задачи анализа в данной работе предложено иссле-

роскопа (РЭМ), представлены на рис. 1. Типичный

довать спектры ЛГ отдельных ног тетраподов.

В нашей работе [10] были проведены предвари-

тельные исследования краевого излучения тетрапо-

дов ZnO, полученных методом пиролитического кар-

ботермического синтеза. В работе [10] и представляе-

мой работе регистрировалась ЛГ образцов с порога-

ми в широком диапазоне от рекордно низких (0.1-

0.2 мДж/см²) до довольно высоких (4-5 мДж/см²)

значений при наносекундной накачке.

¹⁾e-mail: tarandrew17@gmail.com

Рис. 1. РЭМ-изображения тетраподов ZnO

750

Письма в ЖЭТФ том 110 вып. 11 - 12

2019

Анализ лазерной генерации тетраподов ZnO. . .

751

спектр краевого излучения исследуемых тетраподов

ет ∼ 21 мкм. Тетраподы с подобными ногами присут-

состоит из люминесцентного пьедестала и области

ствуют на рис.1а. Лазерный спектр L1, представлен-

лазерной генерации в его центре (рис. 2).

ный на рис. 4, состоит из нескольких линий.

Рис. 4. Спектр ЛГ L1

Рис. 2. Типичный спектр тетрапода ZnO

В данном случае лазерные линии соответствуют

модам Фабри-Перо (ФП), реализующимся вдоль но-

Поскольку анализ ЛГ такой структуры как тет-

ги. Для оценки спектрального расстояния между мо-

рапод (не говоря уже о нескольких тетраподах) за-

дами ФП удобно использовать выражение:

труднен наличием в ней нескольких оптических ре-

зонаторов, каждый из которых может давать вклад в

λ²

излучение, мы предлагаем исследовать спектры ЛГ

Δλ_FP =

(1)

2L(n(λ) - λdn/dλ)

отдельных ног тетраподов. В данном эксперименте

выбранные ноги помещались отдельно от других ног

где n(λ) - показатель преломления материала резо-

и тетраподов на стеклянные или кремниевые под-

натора, L - его длина [11]. Взяв n = 2.4 и dn/dλ -

ложки.

-0.012 при λ = 387 нм [11], получаем при L = 21 мкм

Одна из ног (L1), размещенная на стеклянной

Δλ_FP = 0.51 нм. Такой результат близок к экспери-

подложке, показана на рис. 3. Длина L1 составля-

ментальному.

Дисперсия n(λ) может отличаться для образ-

цов, имеющих разную морфологию, толщину (в слу-

чае пленок) и изготовленных разными методами

[4, 12, 13]. В литературе можно встретить большое ко-

личество заметно отличающихся друг от друга дан-

ных о n(λ) для ZnO, и отсутствие точных сведений

именно для исследуемых образцов может представ-

лять определенную сложность в анализе их ЛГ. Ис-

пользуя спектр ЛГ, можно оценить или скорректи-

ровать зависимость n(λ) в области ЛГ. Например,

в работе [4] авторам удалось оценить n(λ) из спек-

тров ЛГ наногвоздей ZnO с гексагональными шляп-

ками, в которых возбуждались моды шепчущей гале-

реи (МШГ). Авторы аппроксимировали полученные

зависимости формулой Селмейера.

Рис. 3. Изображение L1, полученное с помощью опти-

Используя спектр ЛГ по типу ФП и выражение

ческого микроскопа

для резонансных длин волн λ_FP = 2nL/N, где N -

Письма в ЖЭТФ том 110 вып. 11 - 12

2019

752

А. П. Тарасов, Ч. М. Брискина, В. М. Маркушев и др.

номер моды, также можно оценить ход зависимости

n(λ) с помощью итерационной формулы

λ_i+1(N₁ - i)

n_i+1 =

, i = 1,2,...,M - 1,

(2)

где M - число наблюдаемых лазерных линий, λ_i -

длина волны i-й линии, N₁ = 2n₁L/λ₁ - номер мо-

ды, соответствующей 1-й линии. Для использования

(2) необходимо задать такое начальное значение n₁,

чтобы N₁ оказалось целым.

Применив этот подход к случаю L1, задавшись

при этом n₁ = 2.401, получим n(λ), показанную на

рис. 5 (точки). На рисунке 5 также показана кривая,

полученная с помощью аппроксимации n(λ) форму-

лой Селмейера (линия).

Рис. 6. Изображение L2, полученное с оптического мик-

роскопа

Рис. 5. Зависимость показателя преломления L1 от

длины волны, оцененная по (2) (точки), а также ап-

проксимация формулой Селмейера (линия)

Полученный вид зависимости показателя прелом-

Рис. 7. Лазерный спектр L2

ления от длины волны был использован для анали-

за ЛГ исследуемых тетраподов ZnO. В частности,

подтверждено, что ЛГ в ногах длиной 10-30 мкм со

должно составлять 0.2 нм, что не соответствует экс-

спектрами, подобными спектру L1, возбуждается на

перименту. В данном случае основным резонатором

модах ФП. Пороги ЛГ в этом случае лежали в ши-

выступает одна из двух меньших ног с L ≈ 11 мкм.

роком диапазоне 0.5-5 мДж/см². Можно предполо-

Однако наиболее низкий порог ЛГ наблюдал-

жить, что в тетраподах с такими ногами резонатора-

ся в ногах типа представленной на рис. 8 (нога

ми служат пары ног [8].

L3, размещенная на Si-подложке). L3 обладает гек-

В качестве интересного примера, рассмотрим слу-

сагональным сечением в основании и кончике, ее

чай обломка ноги тетрапода (нога L2), расположен-

длина составляет ∼ 90 мкм. Спектр ЛГ L3 показан

ной на стеклянной подложке, с двумя меньшими

на рис. 9а. Порог ЛГ в этом случае довольно ни-

приставшими к ней ногами, примерно одной длины

зок (0.2 мДж/см² или ∼ 0.02 мВт/см²) и сравним с

(рис. 6). Спектр L2 показан на рис. 7.

низкими порогами, наблюдавшимися в работе [10]

Ясно, что вся нога L2 не может выступать резо-

(∼ 0.1 мДж/см²).

натором ФП, как можно было ошибочно предполо-

Расстояние между соседними лазерными линия-

жить поначалу. Используя рассчитанный n(λ), при

ми на рис. 9а меняется от 0.6 до 1.5 нм, из чего следу-

длине L ≈ 77 мкм и λ = 392 нм получаем, что Δλ

ет, что эти линии не соответствуют модам ФП, воз-

Письма в ЖЭТФ том 110 вып. 11 - 12

2019

Анализ лазерной генерации тетраподов ZnO. . .

753

вание оказывается полым (см. вставку справа вверху

рис. 8). Наличие полости в основании, по-видимому,

свойственно исследуемым тетраподам (см. также

рис. 10 и работу [10]) и может быть обусловлено быст-

Рис. 8. (Цветной онлайн) РЭМ-изображение L3.

На вставках справа

- увеличенные изображения

основания (вверху) и кончика (внизу)

Рис. 10. Тетраподы ZnO : Al, демонстрировавшие низ-

кий порог ЛГ в работе [10]

рыми кристаллизацией и ростом при высокой темпе-

ратуре. Это, вероятно, является препятствием для

возникновения ЛГ в основании ног. Отсутствие ре-

зонатора в основании подтверждается тем, что по-

сле отламывания кончика ноги (∼ 30 мкм) в спектре

оставшейся более толстой части отсутствуют описы-

ваемые линии ЛГ (рис.9b) - остается только одна

низкодобротная линия (на 386.9 нм), которая замет-

на и в спектре ЛГ при наличии кончика. Это позво-

ляет предположить, что источником низкопороговой

ЛГ является именно кончик ноги L3. Мы полагаем

что за ЛГ в этом случаем отвечают МШГ и квази-

МШГ в гексагональном сечении более толстой части

кончика с диаметром ∼ 680 нм. Длины волн МШГ и

квази-МШГ описываются выражениями:

√

3nR

λ_WGM =

√

;

N+⁶tan-1(β

3n² - 4)

9nR

(3)

λ_QWGM =

( √

Рис. 9. (a)

- Спектральная область ЛГ ноги L3.

2N +^6πtan-1

β n²-4

(b) - Спектр излучения ноги L3 после отламывания

тонкой части (см. в тексте)

где N - номер моды, R - длина стороны гексагональ-

буждаемым вдоль ноги (расстояние между такими

ного резонатора, β = n_⊥ и n^-1∥ для TE и ТМ поляри-

модами должно было бы составлять ∼ 0.1 нм).

заций [14,15]. В качестве n_⊥(λ) возьмем найденную

В работе [10] мы предполагали, что низкопоро-

ранее зависимость n(λ). n_∥(λ) определим из выра-

говыми резонаторами служат гексагональные осно-

жения n_∥(λ) = n_⊥(λ) + Δn, использовав данные для

вания ног тетраподов, в которых могут реализовы-

Δn из литературы [16]. Оценка по (3) подтвержда-

ваться МШГ. В случае L3, однако, видно, что осно-

ет правомочность сделанного предположения: при

Письма в ЖЭТФ том 110 вып. 11 - 12

2019

754

А. П. Тарасов, Ч. М. Брискина, В. М. Маркушев и др.

D = 2R ≈ 650нм в области ЛГ лежат МШГ (и квази-

в части исследования оптических свойств пленок

МШГ) с N = 8 и N = 9 с ТЕ и ТМ поляризациями,

с использованием оборудования ЦКП ФНИЦ “Кри-

соответственно.

сталлография и фотоника” при поддержке Минобр-

В работе [10] был поставлен вопрос о влиянии до-

науки (проект RFMEFI62119X0035).

пирования алюминием на ЛГ тетраподов ZnO, по-

скольку наиболее низкий порог наблюдался именно в

допированных алюминием образцах (на рис. 10 изоб-

C. Klingshirn, Phys. Stat. Sol. (b) 244, 3027 (2007).

ражены тетраподы ZnO : Al, обладающие низким по-

A. B. Djurisic, A.M. C. Ng, and X. Y. Chen, Prog.

рогом ЛГ). Результаты, приведенные в настоящей

Quant. Electron. 34, 191 (2010).

работе, демонстрируют, что существенным факто-

A. Umar and Y. B. Hahn, Nanotechnology 17, 2174

ром в возбуждении низкопороговой ЛГ является на-

(2006).

личие у тетраподов тонких гексагональных частей

J. Liu, S. Lee, Y. Ahn, J. Y. Park, K. H. Koh, and

(диаметром менее ∼ 1 мкм), в которых могут возбуж-

K. H. Park, Appl. Phys. Lett. 92, 263102 (2008).

даться МШГ. Такие тетраподы могут быть выраще-

Y. E. Xu, M. Luo, K. Yu, P. Zhou, and W. Zhang, JETP

ны и без допирования алюминием.

Lett. 108, 106 (2018).

Заключение. Изучалась ЛГ тетраподов ZnO,

Y. K. Mishra and R. Adelung, Mater. Today 21, 631

полученных методом пиролитического карботерми-

(2018).

ческого синтеза и предварительно исследованных в

J. M. Szarko, J. K. Song, C. W. Blackledge, I. Swart,

S. R. Leone, S. Li, and Y. Zhao, Chem. Phys. Lett. 404,

работе [10]. Поскольку тетрапод - сложная структу-

171 (2005).

ра, в которой может присутствовать одновременно

L. E. Li and L. N. Demianets, Opt. Mater. 30, 1074

несколько оптических резонаторов, было предложе-

(2008).

но анализировать спектры излучения отдельных ног

J. P. Mondia, R. Shärma, J. Schafer, W. Smith,

тетраподов.

Y. P. Zhao, Z. H. Lu, and L. J. Wang, Appl. Phys. Lett.

В ходе анализа была использована оцененная на-

93, 121102 (2008).

ми на основе спектра ЛГ по типу ФП зависимость

10.

A. P. Tarasov, C. M. Briskina, V. M. Markushev,

n(λ) для ноги тетрапода. В результате, сделан вы-

A. M. Opolchentsev, and A. S. Lavrikov, J. Phys. Conf.

вод о возбуждении лазерных мод двух типов: мод

Ser. 1092, 012149 (2018).

ФП вдоль ног и МШГ (и квази-МШГ) в гексагональ-

11.

M. A. Zimmler, J. Bao, F. Capasso, S. Müller, and

ном поперечном сечении ног. Показано, что за низ-

C. Ronning, Appl. Phys. Lett. 93, 051101 (2008).

копороговую ЛГ отвечают тонкие хорошо огранен-

12.

S. Sharma, C. Periasamy, and P. Chakrabarti, Electron.

ные гексагональные кончики ног, в которых реали-

Mater. Lett. 11, 1093 (2015).

зуются МШГ и квази-МШГ. При отсутствии таких

13.

A. S. Gadallah and M. M. El-Nahass, Adv. Cond.

кончиков ЛГ может быть обусловлена модами ФП с

Matter. Phys. 2013, 234546 (2013).

относительно высокими порогами. Возбуждение ЛГ

14.

L. Sun, H. Dong, W. Xie, Z. An, X. Shen, and Z. Chen,

в основании ног, как предполагалось в работе [10],

Opt. Express 18, 15371 (2010).

маловероятно из-за наличия полостей.

15.

V. M. Markushev, M. V. Ryzhkov, C. M. Briskina,

Работа выполнена при поддержке Минобрнауки

A. A. Borodkin, S.I. Rumyantsev, W. Z. Shen, D. H. Xu,

РФ в рамках Государственного задания ФНИЦ “Кри-

and V. L. Lyaskovskii, J. Russ. Laser Res. 33,

122

сталлография и фотоника” в части получения пле-

(2012).

нок и при поддержке Российского фонда фундамен-

16.

Y. S. Park and J. R. Schneider, J. Appl. Phys. 39, 3049

тальных исследований (проект # 16-29-11763 офи-м)

(1968).

Письма в ЖЭТФ том 110 вып. 11 - 12

2019