Нелинейно-оптические свойства металлических наночастиц, синтезированных в стекле ионной имплантацией.

Лаборатория радиационной физики.
Степанов Андрей Львович

Композиционные материалы, основанные на диэлектриках, содержащих металлические наночастицы, проявляют уникальные нелинейно-оптические свойства, проявляющиеся в высоких значениях кубической восприимчивости - c⁽³⁾ для пикосекундных и более коротких времен светового воздействия, причем величины c⁽³⁾ определяются, как типом металла и диэлектрика, так и структурными параметрами наночастиц, т.е. их размерами, распределением по размерам, формой и фактором заполнения диэлектрика металлом.

Впервые оптические нелинейности металлических коллоидных частиц Au и Ag в водных растворах наблюдались Рикардом с коллегами в 1985 году, и регистрируемые значения c⁽³⁾ составляли 1.5x10^-9 ед. СГСЭ для Au частиц и 2.4x10^-9 ед. СГСЭ для Ag частиц. Эти величины примерно на два порядка выше, чем у объемных металлических материалов. В случае меди c⁽³⁾ заметно превышает значения, соответствующие Au и Ag, что обуславливает практический интерес к исследованию Cu наночастиц.

Несмотря на то, что для композитных материалов с металлическими наночастицами теоретические оценки предсказывают величины c⁽³⁾ порядка 10^-6 . СГСЭ, реально на практике из-за низкой концентрации частиц величина c⁽³⁾ составляет не более 10^-8 ед. СГСЭ. Возникает очевидная задача создания композиционных материалов на основе диэлектрических слоев с высоким фактором заполнения металлическими наночастицами, для решения которой в настоящем исследовании использована ионная имплантация, характеризующаяся возможностью внедрения примеси в субстрат сверх равновесного значения.

Имплантация проводилась ионами Cu⁺ с энергией 50 кэВ и дозой 8х10¹⁶ ион/см² при плотности тока в ионном пучке 10 мкА/cм² в кварцевое стекло, находящимся под строгим температурным контролем. Нелинейно-оптические характеристики образцов (c⁽³⁾) определялись методом вырожденного четырехфотонного смешения частот (Degenerate four wave mixing – DFWM) на длине волны 585 нм импульсного (13 пс) лазера на красителях Rhodamine 6G. Была измерена эволюция оптического DFWH сигнала в субпикосекундном диапазоне, для чего 13 пс импульсы были компрессированы до 450 фс.

Рентгеновский анализ образцов при мало-угловом рассеянии под скользящим лучом (GISAXS) показал, что в результате выбранных условий ионной имплантации в стекле формируются сферические наночастиц Cu, характеризующиеся средним диаметром 4.0 ± 0.5 нм, при узкой функции их распределения по размерам. Линейный оптический спектр пропускания синтезированного композиционного материала, характеризуются широкой селективной полосой вблизи 590 нм, указывающей на присутствие наночастиц Cu и обусловленной явлением поверхностного плазменного резонанса в них.

При измерении нелинейно-оптических характеристик на данных образцах с Cu наночастицами была достигнута величина c⁽³⁾ ≈ 10^-7 ед. СГСЭ, что как минимум на порядок превышает ранее известные на практике значения c⁽³⁾, для SiO₂ стекол с подобными частицами, полученными иными методиками. Поскольку величина c⁽³⁾ напрямую связана с фактором заполнения, очевидно, что увеличение параметра заполнения, реализуемого при ионной имплантации, приводит к повышению c⁽³⁾, что и продемонстрировано в настоящем исследовании.

Диаграмма эволюции во времени DFWM сигнала показана на рисунке, на котором видно, резкое нарастание сигнала начиная с момента падения фронта импульса возбуждения, а также несколько медленнее затухание, приводящее к ассиметричной форме кривой с шириной ~1.4 пс. Столь короткие времена отклика полезного сигнала указывают на практическую эффективность применения синтезированных композиционных слоев, например в качестве оптических переключателей, интерферометров Маха-Цендера и т.п.

Таким образом, в настоящем исследовании показано, что использование высокодозовой имплантации ионов Cu⁺ в SiO₂ при низких энергиях, высоком ионном токе и строгом контроле температуры стекла во время облучения, позволяет синтезировать композиционные слои с наночастицами меди, характеризующиеся высокими факторами заполнения металлом при узкой функции распределения данных частиц по размерам при сохранении малого размера (4 нм). Для сформированных композиционных материалов зарегистрировано наиболее высокое, из известных на сегодняшний день в литературе, значение c⁽³⁾≈10^-7 ед. СГСЕ, измеренное вблизи длины волны 590 нм плазменного резонанса Cu наночастиц. Достигнутое значение c⁽³⁾ является максимально приближенной к теоретически предсказываемым предельным величинам. Кроме того, установлено, что время нелинейно-оптического отклика оказывается короче 2 пикосекунд.

Рис. Эволюция во времени DFWM сигнала (■). Сплошная линия соответствует расчетному распределению Лоренца.

Литература:     

1. J. Olivares, J. Requejo-Isidro, R. del Coso, R. de Nalda, J. Solis, C.N. Afonso, A.L. Stepanov, D. Hole, P.D. Townsend, A. Naudon, Large enhancement of the third order optical susceptibility in Cu-silica composites produced by low energy high current ion implantation, J.Appl. Phys. 90 (2001) 1064.
2. А.Л. Степанов, Х. Оливарес, Х. Рекуейо-Изидро, Р. дел Косо, Р. де Налда, Х. Солис, К.Н. Афонсо, Д.Е. Холе, П.Д. Таунсенд, А. Наудон, Нелинейно-оптические свойства SiO₂ c синтезированными имплантацией наночастицами меди, // Взаимод. излучений с тв. телом: Матер. IV Mеждунар. конф., Минск, 3-5 окт. 2001: — Мн.: БГУ, 2001. —  С.303.
3. А.Л. Степанов, И.Б. Хайбуллин, П. Таунсенд, Д. Холе, А.А. Бухараев, Способ получения нелинейно-оптического материала. Патент РФ № 2156490 от 20.09.2000.