Брэгговский резонанс в системе плазмонных нановключений AsSb в AlGaAs

Abstract

Исследовалось оптическое отражение от периодических структур на основе полупроводниковой матрицы AlGaAs, содержащей двумерные массивы плазмонных нановключений AsSb. Число слоев нановключений составляло 12 и 24, номинальный период расположения слоев -100 или 110 нм соответственно. В экспе-риментальных спектрах коэффициента оптического отражения при нормальном падении нами наблюдалась резонансная брэгговская дифракция с главными пиками на длинах волн 757 и 775 нм (1.64 и 1.60 эВ), в зависимости от пространственного периода наноструктуры. Амплитуды резонансных пиков достигали 22 и 31% при числе слоев 12 и 24, при том что объемная доля нановключений была существенно меньше 1%. В случае наклонного падения света картина брэгговской дифракции смещалась в соответствии с законом Вульфа−Брэгга. Методом матриц переноса выполнено численное моделирование экспериментальных данных с учетом пространственной геометрии структуры и резонансных особенностей плазмонных слоев AsSb. ВведениеРазвитие фотоники связано с разработкой новых ком-позитных метаматериалов, чьи свойства определяются внутренней структурой и взаимодействием света с со-ставляющими их элементами, размеры которых много меньше длины волны света. Метаматериалы могут быть получены путем формирования хаотических или упоря-доченных массивов нановключений различной формы и различного состава, что дает возможность существенно модифицировать диэлектрическую и магнитную прони-цаемости вещества [1,2]. В частности, особый интерес представляет полупроводниковая матрица, содержащая массивы нановключений металлической фазы, благодаря своим уникальным электронным и оптическим свой-ствам, которые можно контролировать путем варьи-рования объемной доли металлической компоненты в процессе роста [3][4][5].В случае, если размеры нановключений и расстояния между ними много меньше длины волны света, оптиче-ские свойства композитной среды можно рассматривать в рамках приближения эффективной среды. В пределе сильно разреженных дисперсий наночастиц, когда их объемная доля мала, вклад каждого нановключения в оптические свойства вещества линеен. Дисперсия эффективной диэлектрической функции метаматериала, ε eff , может быть получена с использованием приближе-ния Максвелла−Гарнетта [6]. При этом в оптических свойствах метаматериала следует ожидать особенно-стей, связанных с поглощением света поверхностными плазмонами в системе металлических нановключений в полупроводниковой среде, при выполнении условиягде ε s и ε m -диэлектрические функции полупроводни-ковой и металлической компонент соответственно.Если расстояние между наночастицами ставится срав-нимым с длиной волны света, проходящего через структуру, приближение эффективной среды становит-ся неприменимым [7]. Периодичность в расположении наночастиц должна вызывать брэгговскую дифракцию света с главным резонансным пиком на длине волны, определяемой из закона Вульфа−Брэгга λ Br = 2d n 2 eff − sin 2 θ, где d -пространственный период структуры метама-териала, n eff -эффективный показатель преломления, θ -угол падения света. В области брэгговско...