Оптична спектроскопія та нелінійно-оптичні ефекти в кисневмісних сполуках металів

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.10 - фізика напівпровідників і діелектриків. Львівський національний університет імені Івана Франка, Львів, 2011.

Дисертаційна робота присвячена дослідженню оптичних та нелінійно-оптичних (НЛО) властивостей кристалів ніобату літію та кристалів групи боратів, а також вивченню впливу домішок, розмірних ефектів та технологічних чинників на оптико-спектральні та НЛО властивості тонкоплівкових і наноструктурованих матеріалів на основі ZnO та систем “НЛО монокристал+тонка плівка ZnO”.

Проведено дослідження впливу домішки MgO (7 мол.%) на форму і положення краю оптичного поглинання та НЛО параметри кристалу LiNbO3. Експериментально досліджено генерацію вищих оптичних гармонік у кристалах Li2B4O7 і LiKB4O7 та обчислено їхні НЛО параметри. Встановлено вплив технологічних умов, домішок на особливості структури та морфологію поверхні матеріалів на основі ZnO. Досліджено вплив неузгодженості кристалічних ґраток плівки ZnO і монокристалу на оптико-спектральні та НЛО характеристики системи “монокристал+плівка ZnO”. Досліджено вплив ізоморфних домішок Ag, Cu на структурні особливості, температурну поведінку краю оптичного поглинання, а також на НЛО параметри тонких плівок оксиду цинку. Встановлено механізми підсилення оптичної нелінійності у плівці ZnO з нанесеними на її поверхню металічними наночастинками (НЧ) Au. Отримано нанокомпозитні матеріали шляхом впровадження НЧ ZnO у полімерну матрицю РММА і досліджено їхні спектри поглинання і температурну еволюцію фото-люмінесценції. Досліджено вплив розмірних ефектів на ефективність генерації другої і третьої оптичних гармонік у таких матеріалах.

Ключові слова: оксид цинку, ніобат літію, борати, кристали, тонкі плівки, наночастинки, оптичні властивості, генерація другої гармоніки, генерація третьої гармоніки, генерація сумарної частоти.

Кулык Б. Я. Оптическая спектроскопия и нелинейно-оптические эффекты в кислородосодержащих соединениях металлов. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математи-ческих наук по специальности 01.04.10 - физика полупроводников и диэлектри-ков. Львовский национальный университет имени Ивана Франко, Львов, 2011.

Диссертационная работа посвящена изучению оптических и нелинейно-оптических (НЛО) свойств кристаллов ниобата лития и кристаллов группы боратов, а также изучению влияния примесей, размерных эффектов и технологических факторов на оптико-спектральные и НЛО свойства тонкоплёночных и наноструктурированных материалов на основе ZnO и систем “НЛО монокристалл+тонкая плёнка ZnO”.

Проведены исследования влияния примеси MgO (7 мол.%) на форму и положение края оптического поглощения и НЛО параметры кристалла LiNbO3. Экспериментально исследована генерация высших оптических гармоник в кристаллах Li2B4O7 и LiKB4O7 и рассчитаны их НЛО параметры. Определено влияние технологических условий, примесей на особенности структуры и морфологию поверхности материалов на основе ZnO. Исследовано влияние несогласованности кристаллических решёток плёнки ZnO и монокристалла на оптико-спектральные и НЛО характеристики системы “монокристалл+плёнка ZnO”. Исследовано влияние изоморфных примесей Ag, Cu на структурные особенности, температурное поведение края оптического поглощения, а также на НЛО параметры тонких плёнок оксида цинка. Определены механизмы усиления оптической нелинейности в плёнке ZnO, с нанесенными на ее поверхность металлическими наночастицами (НЧ) Au. Получены нанокомпозитные материалы путём внедрения НЧ ZnO в полимерную матрицу РММА и исследованы их спектры поглощения и температурная эволюция фотолюминесценции. Исследовано влияние размерных эффектов на эффективность генерации второй и третьей оптических гармоник в таких материалах.

Ключевые слова: оксид цинка, ниобат лития, бораты, кристаллы, тонкие плёнки, наночастицы, оптические свойства, генерация второй гармоники, генерация третьей гармоники, генерация суммарной частоты.

Kulyk B. Ya. Optical spectroscopy and nonlinear-optical effects in oxygen-containing compounds of metals. - Manuscript.

Thesis for a candidate degree by speciality 01.04.10 - physics of semiconductors and dielectrics. Ivan Franko National University of Lviv, Lviv, 2011.

The dissertation work is devoted to the study of the optical and nonlinear-optical (NLO) properties of lithium niobate and borates' group crystals, as well as investigations of influence of dopants, size effects and technological factors on the optical-spectral and nonlinear-optical properties of thin-film and nanostructured materials based on ZnO and systems “NLO single crystal+ZnO thin film”.

Investigations of MgO (7 mol.%) dopant influence on the shape and position of the optical absorption edge and NLO parameters of LiNbO3 crystal were performed. It has been shown that the absorption edge in LiNbO3 doped with MgO is shifted to shorter wavelengths due to the decrease of interstitial defects (NbLi) density. Besides, the quadratic nonlinear coefficients of LiNbO3 doped with MgO were found to be lower in comparison with the undoped crystal mostly because of variation in spontaneous polarization. The higher optical harmonic generations in Li2B4O7 were experimentally studied and the NLO parameters were obtained: quadratic nonlinear coefficients, corresponding coherent lengths, the phase matching angle of type I and cubic NLO susceptibilities. Moreover, the fifth harmonic has been observed due to the sum frequency generation via (-5) process. In addition, the third harmonic generation has been studied in the novel LiKB4O7 crystal and third order NLO susceptibilities were defined.

Influence of the technological conditions, dopants on the structure features and surface morphology of the materials based on ZnO was investigated. Influence of the lattice mismatch between ZnO film and single crystal on the optical-spectral and NLO characteristics of the system “single crystal+ZnO film” was ascertained.

Influence of the isomorphous dopants Ag, Cu on the structural and superficial properties of ZnO films was studied and explained by various mechanisms of dopants incorporation. The temperature evolution of the optical absorption edge was found to be described by the modified Urbach's rule that reflects polycrystalline nature of the material. The corresponding parameters concerning electron- (exciton-) phonon interaction, phonon energies and temperature changes of the band-gap were determined and analyzed. The second order nonlinear optical response of the silver- and copper-doped ZnO films was found to be lower than that of undoped ZnO film. The second harmonic generation efficiency of the ZnO:Ag film was found to be higher than that of the ZnO:Cu film at the similar concentration of dopant. In addition, the decrease of the third harmonic generation response is observed in ZnO films with increasing of Ag or Cu dopant amount. The mechanisms of amplification of the optical nonlinearity in ZnO film in combination with metallic nanoparticles of Au were studied and were found to be connected with process of plasmon resonance in nanoparticles of Au and space asymmetry of charge density in such a system.

The ZnO/PMMA nanocomposite films were prepared by embedding of ZnO nanocrystals (NCs) into PMMA polymer matrix. They manifest a high optical transmittance in near UV-vis region and presence of the near-band excitonic peak. The temperature study of photoluminescence in ZnO/PMMA nanocomposite films demonstrates the intensive UV emission, which was connected with donor-bound excitons and lower green emission due to the presence of internal intrinsic defects. The unusual behavior of the green band temperature dependence was explained by nonlinear properties of electret field in PMMA caused by reorientation of dipoles within PMMA polymer. The NLO properties of ZnO/PMMA nanocomposite films were investigated and quadratic and cubic effective NLO susceptibilities were obtained. The nanoparticles of ZnO embedded into PMMA show quite high second and third order nonlinearity at low ZnO NCs concentration and high resistance to the intensive laser light.

The dependences of ZnO films' thickness on the high order NLO susceptibilities were obtained and influence of size effects on the optical nonlinearity was analyzed.

Key words: zinc oxide, lithium niobate, borates, crystals, thin films, nanoparticles, optical properties, second harmonic generation, third harmonic generation, sum frequency generation.

Размещено на Allbest.ru