• Инженерия дефектов в радиационно-модифицированных алмазах
  
  

  В спектрах фотолюминесценции имплантированных изотопами водорода природных и осажденных из газовой фазы (CVD) алмазов, а также облученных быстрыми нейтронами CVD алмазов после их высокотемпературного отжига обнаружен новый оптический центр с бесфононной линией на 580 нм (центр Н19). Установлено, что высокая степень радиационного повреждения и высокотемпературные отжиги являются необходимым условием для формирования в алмазах центра Н19. Показано, что на образование центра H19 не оказывает влияние содержание и форма примесей азота и кремния, а также содержание исходного или имплантированного водорода. Определена энергия активации роста интегральной интенсивности центра Н19 относительно интегральной интенсивности алмазного пика в спектрах КР в зависимости от температуры отжига, которая составила 1.7 ± 0.1 эВ, что совпадает с энергией активации миграции вакансий в алмазе. Исследовано влияние механических напряжений на форму бесфононной линии (БФЛ) центра Н19. Впервые исследованы температурные зависимости спектров ФЛ центра Н19 и получены сведения о спектр возбуждения ФЛ этого центра. Определена энергия активации температурного гашения интегральной интенсивности БФЛ центра Н19 – 0.21 эВ и рассчитаны значения деформационной и температурной мягкости для центра Н19 - 2.2×10⁻¹² Па⁻¹ и 2.1×10⁻⁵ К⁻¹, соответственно, которые оказались существенно выше, чем для идеальной кристаллической структуры алмаза, что позволило отнести центр H19 к «мягким» вакансионным дефектам. Исследовано влияние степени радиационного повреждения, температуры отжигов и температуры измерения спектров ФЛ на фононное крыло центра Н19, дана интерпретация спектральных особенностей, наблюдающихся на фононном крыле центра Н19.
  Выполнен цикл исследований гелийсодержащих центров окраски в алмазе. Исследованы трансформации при отжигах спектров ФЛ алмазов, имплантированных ионами гелия. Обнаружено, что в спектрах ФЛ таких образцов, измеренных при комнатной температуре после отжигов при 725-875 °С наряду с БФЛ на 536 и 561 нм (HR1 и HR2 от helium related) регистрируется по меньшей мере три серии слабоинтенсивных, но узких полос, обусловленных свечением иных гелийсодержащих центров. Данные группы полос не наблюдались ранее в спектрах ФЛ алмазов, в том числе ионно-имплантированных, что позволяет отнести их к ФЛ гелийсодержащих центров. Исследованы эффекты насыщения полос HR1 и HR2 в спектрах ФЛ и катодолюминесценции в широком диапазоне интенсивностей лазерного возбуждения и энергий электронов. Воспользовавшись тем, что фотолюминесценция БФЛ HR1 и HR2 демонстрирует различающиеся зависимости от интенсивности возбуждающего излучения, мы впервые смогли выделить спектральную форму фононных крыльев БФЛ HR1 и HR2 и провести интерпретацию спектральных особенностей обеих компонент, которые преимущественно взаимодействуют с разными фононами алмазной решётки ‒ центр HR1 с фононами, относящимися к точке Х (<100>), а центр HR2 с фононами, относящимися к точке К (<110>). Обосновано заключение, что БФЛ HR1 и HR2 относятся к двум различным гелийсодержащим центрам в алмазе.
  Впервые в широком спектральном диапазоне исследованы трансформации при отжигах ИК спектров алмазов при высоком докритическом уровне радиационного повреждения. Выявлены и объяснены существенные различия в ИК спектрах CVD алмазов, облученных быстрыми нейтронами с флюенсами 1×10¹⁸ и 3×10¹⁸ см^-2 и с флюенсами 1×10¹⁹ и 2×10¹⁹ см^-2. Обнаружено, что при отжигах при умеренных температурах (до 1000 °С) в ИК спектрах доминирую полосы с максимумами на ~3100 см^-1, 5700 см^-1 и составная полоса «9300 см^-1», представляющая из себя суперпозицию двух БФЛ 9280 и 9320 см^-1. БФЛ на 5700 и на 9280 см^-1 ранее в литературе в ИК спектрах алмазов не наблюдались. После отжигов при температурах выше 1000 °С в ИК спектрах CVD алмазов, облученных с флюенсами 1×10¹⁸ и 3×10¹⁸ см^-2, обнаружены и изучены пять узких БФЛ в окрестности 4100 см^-1, которые также наблюдаются в ИК спектрах природных пластически-деформированных алмазах с коричневой расцветкой, где они обусловлены так называемыми “amber”-центрами - сферическими агрегатами вакансий (40 – 60 вакансий). Ранее считалось, что “amber”-центры присутствуют исключительно в природных алмазах, однако нами показано, что при облучении быстрыми нейтронами и последующем отжиге возможно создать “amber”-центры в CVD алмазах с концентрацией на порядок более высокой, чем в наиболее темных коричневых природных алмазах.
  

  Публикации:
  

  • Khomich, A. A., Khmelnitskii, R. A., Poklonskaya, O. N., Averin, A. A., Bokova-Sirosh, S. N., Poklonskii, N. A., V.G. Ralchenko & Khomich, A. V. Photoluminescence spectra of the 580-nm center in irradiated diamonds. Journal of Applied Spectroscopy 86 (2019) 597-605
  • Kozlova, M. V., Khomich, A. A., Khmelnitsky, R. A., Averin, A. A., Kovalev, A. I., Poklonskaya, O. N., Vlasov, I.I., Khomich, A.V. & Ralchenko, V. G. Study of color centers in radiation-modified diamonds. Journal of Physics: Conference Series 2103 (2021) 012223
  • Khomich, A.A., Khmelnitskii, R., Kozlova, M., Khomich, A.V., Ralchenko, V. IR Spectroscopy of Vacancy Clusters (Amber Centers) in CVD Diamonds Nanostructured by Fast Neutron Irradiation C. Journal Carbon Research 9 (2023) 55.

• Лазерная графитизация поверхности алмаза
  
  

  Исследован фазовый переход алмаз-графит под воздействием однократного УФ лазерного фемтосекундного импульса. Однократное воздействие ультракороткого импульса гарантировало, что лазерный свет взаимодействует только с алмазом, а не с углеродной фазой, уже модифицированной излучением и приводящему к разупорядочению первоначально графитизированного слоя. Впервые продемонстрировано, что толщина и структура графитизированного слоя определяется кристаллографической ориентацией алмазной поверхности, глубиной зоны теплового воздействия и существенно зависят от режима облучения, в том числе от длительности лазерного импульса. Показано, что графитизированный слой, формирующийся на гранях (100) и (110) алмаза, по своей структуре близок к нанокристаллическому графиту с существенным содержанием аморфной фазы, тогда как при облучении грани (111) при определённых условиях (плотность потока лазерного излучения 4 – 6 Дж/см²) наблюдается резкое улучшение кристаллического совершенства графитизированного слоя, который по своей структуре приближается к высокоупорядоченному пиролитическому графиту (HOPG). Установлены механизмы, обуславливающее повышение структурного совершенства графитизированного слоя при однократном воздействии мощного ультракороткого импульса на (111) поверхность алмаза в диапазоне плотностей потока лазерного излучения от порогового (1,8 Дж/см²) до 4 Дж/см². По данным спектроскопии КР установлены типы структурных дефектов, нарушающие процесс формирования HOPG как при малых, так и при высоких интенсивностях фемтосекундного излучения – аморфный графен и углеродные цепочки со смешанной sp²/sp³ гибридизацией, проявляющиеся в КР спектрах в виде дублета полос на 455 и 810 см^-1 и полосы на 1890 см^-1, соответственно. Показано, что радиационное повреждение снижает порог лазерной графитизации алмаза, при этом взаимодействие лазерного излучения с образцами определяются конкуренцией лазерного отжига и графитизации. Предложена альтернативная просвечивающей электронной микроскопии неразрушающая методика определения толщины графитизированного слоя на алмазе по данным спектроскопии КР.

  

  Поперечный профиль абляционного кратера с графитизированной структурой, полученный при энергии лазерного импульса 0,75 мкДж после удаления sp2 фазы. Точками обозначены проекции пятен, в которых регистрировались спектры КР. (б) Спектры КР в различных точках графитированного слоя, полученные при энергии лазерного импульса 0,75 мкДж. Цвета спектров соответствуют цвету точек на рисунке (б).

  Публикации:
  

  • Kononenko, V. V., Khomich, A. A., Khomich, A. V., Khmelnitskii, R. A., Gololobov, V. M., Komlenok, M. S., Orekhov, A.S., Orekhov, A.S., Konov, V. I. Highly oriented graphite produced by femtosecond laser on diamond. Applied Physics Letters 114 (2019) 251903
  • Khomich, A. A., Kononenko, V., Kudryavtsev, O., Zavedeev, E., & Khomich, A. V. Raman Study of the Diamond to Graphite Transition Induced by the Single Femtosecond Laser Pulse on the (111) Face. Nanomaterials 13 (2022) 162
  • Khomich, A. A., & Kononenko, V. V. Transformations of fast neutron-irradiated diamonds under femtosecond laser radiation. Journal of Physics: Conference Series 2227 (2022) 012001.

• Исследование структуры радиационно-модифицированного алмаза методами спектроскопии комбинационного рассеяния света
  
  

   
  Методами спектроскопии комбинационного рассеяния (КР) исследованы процессы наноструктурирования и дефектообразования в кристаллической решетке природных и CVD алмазов при радиационном повреждении и последующих отжигах. Показано, что спектры КР облученных быстрыми нейтронами и ионно-имплантированных CVD и природных алмазов содержат один и тот же набор полос, что свидетельствует об общности процессов радиационного повреждения в алмазе. Впервые выполнено широкомасштабное исследование эффекта конфайнмента фононов в радиационно-поврежденных алмазах. Показано, что в качестве меры степени радиационного повреждения в данном интервале флюенсов более уместно использовать величину длины свободного пробега (когерентности) фононов Lph, а не рассчитанную по программе SRIM (Stopping and Range of Ions in Matter) концентрацию вакансий. Установлено, что снижение величины Lph до ~ 2 нм приводит к снятию запрета на вклад в спектры комбинационного рассеяния фононов только лишь из центра зоны Бриллюэна и к появлению в спектре КР полосы с формой близкой к алмазной плотности фононных состояний с особенностями, соответствующими частотам акустических и оптических фононов в особых точках зоны Бриллюэна. Установлено, что широкая низкочастотная полоса в спектрах КР радиационно-поврежденных алмазов с максимумом вблизи 400 см⁻¹ (бозонный пик) свидетельствует о формировании в них аморфной sp³-фазы с Lph ~ 1 нм. Показано, что бозонный пик сохраняется в спектрах КР вплоть до температур отжига 800-1000 °С. Сделан вывод, что присутствие в спектрах комбинационного рассеяния одновременно алмазного и бозонного пика подтверждает гипотезу о двухфазной системе микроструктуры радиационно-поврежденного алмаза, в которой наноразмерные аморфные области разделены кристаллическими областями с радиационными дефектами. В широком диапазоне уровней радиационного повреждения проанализировано поведение полосы «1640 см^-1», доминирующей в высокочастотной области спектров КР радиационно-модифицированных алмазов. Установлено, что центры, ответственные за полосу «1640 см^-1» локализованы в образцах преимущественно вблизи аморфизованных областей и являются прекурсорами графитизации радиационно-повреждённого алмаза. Показано, что положение максимума полосы ««1640 см^-1» и соотношение амплитуд этой полосы и бозонного пика являются надежными критериями установления по данным КР спектроскопии критического уровня повреждения алмаза, приводящего к необратимой графитизации при его высокотемпературных отжигах.

  

  Публикации:
  

  • Khomich, A. A., Khmelnitsky, R. A., & Khomich, A. V. Probing the nanostructure of neutron-irradiated diamond using Raman spectroscopy. Nanomaterials 10 (2020) 1166
  • Khomich, A.A., Averin, A.A., Poklonskaya, O.N., Bokova-Sirosh, S.N., Dzeraviaha, A.N., Khmelnitsky, R.A., I Vlasov, I.I., Shenderova O., Poklonski N.A., Khomich, A. V. (2019, November). Features of the 1640 cm− 1 band in the Raman spectra of radiation-damaged and nano-sized diamonds. Journal of Physics: Conference Series 1400 (2019) 044017.
  • Poklonski, N.A.; Khomich, A.A.; Svito, I.A.; Vyrko, S.A.; Poklonskaya, O.N.; Kovalev, A.I.; Kozlova, M.V.; Khmelnitskii, R.A.; Khomich, A.V. Magnetic and Optical Properties of Natural Diamonds with Subcritical Radiation Damage Induced by Fast Neutrons. Applied Science 13 (2023) 6221

• Напокрытия оксидов металлов для применения в оптоволоконной сенсорике
  
  

  В настоящее время мониторинговые системы, основанные на применении оптического волокна, активно используются во многих областях науки и техники. Высокая химическая стойкость кварцевой поверхности световодов позволяет их задействовать в самых опасных и агрессивных условиях окружающей среды. В частности, волоконные датчики позволяют определять рН, количество антител, относительную влажность, температуру, газовый состав и присутствие летучих органических соединений. Чувствительной частью таких устройств является область световода в которой осуществляется взаимодействие распространяющегося в сердцевине света с окружающей средой. Усиление этого взаимодействия реализуют методами изменения геометрии оптического волокна в локальной области и нанесением тонкоплёночных покрытий.
  Наиболее распространённый подвид волоконных рефрактометров основан на феномене резонанса затухающей моды (LMR) – эффекте перекачки распространяющейся энергии из сердцевины в оптически прозрачную оболочку и далее в окружающую среду. Интерференция между фундаментальной модой и модами покрытия проявляется в виде провала в спектре пропускания оптического тракта. Положение максимума резонанса¬ – точки с минимальным значением пропускания в спектре оптического тракта, зависит от показателей преломления сердцевины и оболочки оптического волокна, а также этого же параметра покрытия и окружающей среды.
  Материалом покрытия могут выступать совершенно различные соединения и для конкретных задач подбираются строго определённые соединения. Например, покрытия из ITO из-за большого количества оборванных связей на поверхности и их пористой структуре хорошо подходят для работы с газовыми средами. К примеру, волоконно-оптический датчик на основе SnO2-покрытия, демонстрирует высокую химическую стойкость в агрессивных жидкостях, таких как кислоты (в том числе царская водка) и щелочи.
  

  Публикации:
  

  • P.I. Kuznetsov, D.P. Sudas, E.A. Savelyev, Fiber optic Lossy Mode Resonance based sensor for aggressive liquids, Sensors and Actuators A: Physical, 2021, 112576, ISSN 0924-4247
  • E. A. Savelyev, D. P. Sudas, and P. I. Kuztestov, "Using lossy mode resonance for in situ measurement of the refractive index of a layer deposited on an optical fiber lateral surface," Opt. Lett. 47, 361-364 (2022)

• Низкоразмерные насыщающиеся поглотители для импульсных волоконных лазеров
  
  

  Эффект насыщения оптического поглощения с увеличением интенсивности падающего излучения в широком спектральном диапазоне, а также очень быстрая релаксация после снятия возбуждающего излучения является уникальным свойством многих 2D материалов и других тонких пленок (например MoSe₂, MoTe₂, VSe₂, Bi₂Se₃, Bi₂Te₃, Sb₂Te₃, Bi и Sb и др.). 2D-материалы рассматриваются как одно из наиболее интересных решений для электроники следующего поколения и оптоэлектроники в технологической эволюции полупроводниковых технологий. В настоящий момент также хорошо изучены халькогениды висмута (например Bi₂Se₃ или Bi₂Te₃) которые могут широко использоваться в квантовой оптике, спинтронике и лазерных системах. Благодаря эффекту насыщения поглощения таких материалов при внедрении их в лазерную систему, лазер, работающий в режиме непрерывной генерации (CW) переходит в импульсный режим работы. Наблюдаемый эффект может быть связан как с пассивной модуляцией добротности так и с пассивной синхронизацией мод. Элементы на основе таких материалов в лазерных схемах, в случае реализации первого варианта, называются пассивными модуляторами добротности и могут быть изготовлены несколькими способами. Нанесение однородного слоя 2D материала на цилиндрическую поверхность утоненного волокна сложная задача, которая не может быть выполнена с помощью традиционных методов молекулярно-лучевой эпитаксии и магнетронного напыления.
  Эта проблема может быть решена методом химического осаждения металлоорганических соединений из газовой фазы (MOCVD). Для исследования возможности реализации импульсных лазеров, на основе приготовленных методом химического травления оптических волокнах с использованием MOCVD технологии были синтезированы следующие объемные материалы: Bi₂Se₃, Bi₂Te₃, Sb₂Te₃, MoSe₂, NiO, VO₂. Внедрение волоконного компонента содержащего нанопокрытие одного из представленных ранее элементов в кольцевую схему волоконного лазера приводило к возможности достижения импульсного режима лазерной генерации.

  

  Рисунок – Группы выходных импульсов кольцевого волоконного эрбиевого лазера с модуляторами добротности на основе насыщающихся поглотителей плёнок Bi₂Te₃ и MoSe₂.

  Публикации:
  

  • P. Kuznetsov, G. Yakushcheva, E. Savelyev, D. Sudas, V. Yapaskyrt and V. Sherbakov, "MOCVD synthesis of 2D saturable absorbers for pulsed fiber lasers," 2019 IEEE 14th Nanotechnology Materials and Devices Conference (NMDC), Stockholm, Sweden, 2019, pp. 1-4
  • D P Sudas et al Features of repetitively-pulsed oscillation of an erbium fiber laser with a saturable absorber Bi2Te3 covered by silicone at various temperatures, 2021 Phys. Scr. 96 045501

• Топологические изоляторы для генерации и детектирования терагерцового излучения
  
  

  Топологические изоляторы (ТИ) - это электронные материалы, которые имеют объемную запрещенную зону, как и обычные изоляторы, но имеют защищенные проводящие состояния на их краях или поверхности. Они вызывают актуальный интерес исследователей в области физики конденсированного состояния и материаловедения. Бинарные соединения Bi₂Se₃, Bi₂Te₃, Sb₂Te₃ являются классическими примерами трехмерных (3D) топологических изоляторов. Однако эти материалы всегда демонстрируют проводящие объемные состояния из-за носителей заряда, индуцированных дефектами. Устранение объемных состояний ТИ является одной из наиболее актуальных задач. Тройные твердые растворы Bi₂Te_3-xSe и Bi_2-xSb_xTe₃ позволяют значительно снизить объемную проводимость. Но наилучшей платформой для снижения объемной проводимости ТИ является использование четверных твердых растворов Bi_2-xSb_xTe_3-xSe_x со структурой тетрадимита. Использование тонких пленок толщиной 50 нм снижает на 3 порядка вклад объемных носителей в общий перенос. В лаборатории впервые в мире эпитаксиальные пленки таких четверных составов. В последнее время они нашли практическое применение для генерации и детектирования терагерцового излучения. Работа в этом направлении активно ведется совместно с лабораторией квантовой оптико-терагерцовой фотоники физического факультета МГУ имени М.В Ломоносова.

  

  Отображение составов пленок четверных твердых растворов Bi_2-xSb_xTe_3-xSe_x (черные треугольники) реализованных на сапфировых подложках методом химического газофазного осаждения из металлоорганических соединений. Черные кружки отображают составы с минимальной проводимостью для объемных кристаллов (Ren et al). Составы, использованные для генерации и детектирования терагерцового излучения, обведены красными кружками.

  Публикации:
  

  • P.I. Kuznetsov, G.G. Yakushcheva, B.S. Shchamkhalova, V.A. Jitova , A.G. Temiryazev, V.E. Sizov, V.O. Yapaskurt. MOVPE growth and transport characterization of Bi2-xSbxTe3-ySey films J. of Crystal Growth Volume 483, 2018, Pages 216-222
  • K. A. Kuznetsov, G. Kh. Kitaeva, P. I. Kuznetsov, and G. G. Yakushcheva, «Generation of terahertz radiation from the island films of topological insulator Bi2-xSbxTe3-ySey» AIP Advances 9, 015310 (2019)
  • S. Kovalev, K.-J. Tielrooij, J.-C. Deinert, I. Ilyakov, N. Awari, M. Chen, A. Ponomaryov, M. Bawatna, T. V. A. G. de Oliveira, L. M. Eng, K. A. Kuznetsov, D. A. Safronenkov, G. Kh. Kitaeva, P. I. Kuznetsov, H. A. Hafez, D. Turchinovich and M. Gensch «Terahertz signatures of ultrafast Dirac fermion relaxation at the surface of topological insulators npj Quantum Materials 6, Article number: 84 (2021)

• Фосфатное стекло для неодимовых (1054 нм) и эрбиевых (1535 нм) лазеров
  В лаборатории на протяжении многих лет разрабатываются новые составы фосфатных лазерных стекол, отвечающих по своим характеристикам требованиям, предъявляемым потребителями по мере развития элементной базы в области источников накачки и управления параметрами импульса. Сотрудники лаборатории в контакте с разработчиками лазерных систем ведут непрерывный поиск составов стекол, отработку технологии варки под новые задачи.
  В лаборатории также налажен выпуск мелкосерийных лазерных элементов и заготовок из фосфатного стекла, активированного ионами неодима (заказчик АО «УОМЗ») и эрбия (заказчики АО «ЛОМО» и АО «НИИ «Полюс»).

  

  Фото установки варки фосфатных лазерных стекол в тиглях объемом 1 литр.

  Публикации:
  

  • M. V. Bogdanovich, A. A. Izyneev, K. I. Lantsov,K. V. Lepchenkov, A. G. Ryabtsev, V. N. Pavlovskii,P. I. Sadovskii, I. E. Svitenkov, and M. A. Shchemelev. TEMPERATURE EFFECTS ON THE OPTICAL PARAMETERS OF A PASSIVELY Q-SWITCHED DIODE-SIDE PUMPED Yb,Er-LASER. Journal of Applied Spectroscopy, Vol. 85, No. 1, p.48-54
  • A. A. Izyneev, P. I. Sadovskii Heat dissipation in an erbium active element based on phosphate glass with diode-laser pumping. Journal of Optical Technology (A Translation of Opticheskii Zhurnal)Volume 87, Issue 1, January 2020, Pages 17-22 01.2020.
  • Batura, E.O., Bogdanovich, M.V., Grigor’ev, A.V., Dudikov, V.N., Lantsov, K.I., Ryabtsev, A.G., Ryabtsev, G.I., Shpak, P.V., Teplyashin, L.L., Shchemelev, M.A., Sadovskii, P.I. Single-Frequency Transversally Diode Pumped Yb,Er-Laser with Passive Q-Switching Unit. J Appl Spectrosc 88, 48–54 (2021)
  • Козлова С.М., Садовский П.И. Вклад ионов растворённой платины в тепловыделение в иттербий-эрбиевом стекле при ламповой накачке. «Оптический журнал» 2022. Т. 89. № 4. С. 34–39

Информация о лаборатории доступна также на сайте Фрязинского филиала ИРЭ им. В.А.Котельникова РАН