Generación de detección óptica de fonones coherentes en nanoestructuras

Pascual Winter, María Florencia (2009) Generación de detección óptica de fonones coherentes en nanoestructuras. Tesis Doctoral en Física, Universidad Nacional de Cuyo, Instituto Balseiro.

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Resumen en español

El presente trabajo de tesis se sitúa dentro del marco de la nanofonónica, disciplina en pleno desarrollo que tiene como motivación el diseño y estudio de nanoestructuras con propiedades acústicas específicas. La técnica experimental principal es la acústica de picosegundos, que consiste en generar y detectar vibraciones coherentes en materiales sólidos a partir de pulsos ópticos ultra-breves (aproximadamente 100 fs de duración). El rango frecuencial de las vibraciones estudiadas se extiende desde algunos cientos de gigahertz hasta el terahertz, lo cual las hace particularmente interesantes para aplicaciones de modulación en dispositivos electrónicos y opto-electrónicos. Los sistemas estudiados consisten en nanoestructuras planares semiconductoras (multicapas) basadas en GaAs y AlAs. La contribución que presentamos aquí se centra en la manipulación espectral de las respuestas de los procesos de generación y de detección óptica de vibraciones en nanoestructuras. Hemos desarrollado dos líneas de trabajo. Una de ellas está abocada a la optimización del acuerdo espectral entre ambos procesos. La frecuencia acústica correspondiente a la máxima eficiencia de transducción luz-sonido en una superred (apilamiento periódico de bicapas de GaAs/AlAs) no coincide con la frecuencia de mayor sensibilidad del proceso de detección. Cada una de estas respuestas espectrales está determinada principalmente por el espesor de la bicapa que compone la celda unidad de la superred. Para optimizar el solapamiento espectral entre los procesos de generación y de detección, nos hemos servido de una nanoestructura consistente en dos superredes diferentes separadas por una gruesa capa intermedia. Los fonones son generados por un pulso óptico en una de las superredes se propagan a lo largo de la capa intermedia y arriban a la otra superred ubicada en el extremo opuesto de la muestra donde son detectados. Un gradiente de espesores en las capas que componen la segunda superred permiten sintonizar su respuesta espectral de detección a la frecuencia de las vibraciones generadas en la primera. A su vez, el efecto de la sintonización puede analizarse en detalle variando la posición de incidencia de los pulsos ópticos respecto del gradiente de espesores. Hemos verificado un aumento considerable de la sensibilidad experimental en condición de máximo acuerdo espectral. Estimamos que la amplificación de la señal en dicho caso se eleva a un factor 50. El estudio se llevó a cabo sobre dos muestras que diferían principalmente en el espesor de la capa intermedia. Para la muestra más delgada (capa intermedia de 1 #mu#m) efectos extrínsecos originados en la absorción incompleta de la luz no permitieron el desacoplamiento óptico entre las dos superredes. La optimización del solapamiento espectral entre los procesos de generación y de detección quedó en cierto modo “enmascarada" por estos efectos adicionales. Fue necesario recurrir al cálculo numérico para extraer una medida cuantitativa del efecto del solapamiento. Sin embargo, esto dio lugar a la identificación y el análisis de numerosos efectos propios de una muestra delgada, principalmente, las alteraciones que la reflexión de la luz en las caras de la muestra induce sobre las respuestas de generación y de detección. La muestra más gruesa (capa intermedia de 350 #mu# m) permitió evitar estos inconvenientes, dando una medida más directa del efecto de solapamiento espectral propuesto. La vida media de las vibraciones generadas y los posibles canales de decaimiento también fueron analizadas. Hemos identificado la dispersión por portadores fotoexcitados y los decaimientos anarmónicos como responsables de tiempos de vida media del orden de 300-800 ps. La otra línea refiere al control de las propiedades de transducción luz-sonido y sonido-luz de una nanoestructura. La herramienta de control consiste en la elección de la longitud de onda óptica respecto de las transiciones entre estados electrónicos confinados de los pozos cuánticos que componen la muestra. Ésta presenta el interés adicional de tratarse de una nanocavidad acústica, estructura que permite confinar y amplificar sonido en una región específica del espacio. Hemos encontrado que bajo excitación óptica resonante con la transición electrónica fundamental de los pozos cuánticos que componen los espejos acústicos de la nanocavidad, se generan vibraciones extendidas a lo largo de toda la nanoestructura. En cambio, cuando la excitación óptica es resonante con la transición fundamental del pozo cuántico central de la estructura (de características particulares), resulta posible generar selectivamente los modos de cavidad. Desde el punto de vista espectral, en el primer caso las vibraciones presentan variadas componentes frecuenciales, mientras que en el segundo la nanocavidad actúa como una fuente cuasi-monocromática de fonones. De igual manera, la respuesta de detección también puede fijarse de modo que el proceso resulte selectivo a aquellas frecuencias correspondientes a los modos de la nanocavidad. En la segunda condición de excitación óptica hemos obtenido la generación de dos modos de cavidad. Hemos estudiado a su vez sus tiempos de decaimiento, hallando un tiempo inferior al dictado por el confinamiento en el caso del modo de mayor energía, y un tiempo superior al teórico para el modo de menor energía. Esto ha sugerido la hipótesis aún abierta del decaimiento estimulado del modo superior hacia el inferior. Resultados de dispersión Raman sustentan esta hipótesis.

Resumen en inglés

The present thesis is situated in the framework of nanophononics, an area in devel- opement whose motivation is the design and the study of nanostructures with specific acoustic properties. The experimental technique is picosecond acoustics, which consists in generating and detecting coherent vibrations in solids by means of ultrafast optical pulses (100-fs-long, approximately). The vibrations' frequency range extends from some hundreds of gigahertz to the terahertz, a feature that makes them particularly interesting for modulation applications in electronic and optoelectronic devices. The systems that we have studied are planar semiconductor nanostructures (multilayers) based on GaAs and AlAs. The contribution that we present in this work is centered in the spectral manipulation of the optical generation and detection processes of coherent vibrations in nanostructures. We have developed two research lines. One of them is devoted to the optimization of the spectral match between both process- es. The acoustic frequency that corresponds to the maximum light-to-sound transduction e±ciency in a superlattice (a periodic stack of GaAs/AlAs bilayers) differs from that of the maximum detection sensitivity. Both spectral responses are mainly determined by the thickness of the superlattice unit cell bilayer. In order to optimize the spectral overlap between the generation and detection processes, we have made use of a nanostructure con- sisting in two di®erent superlattices separated by a thick intermediate layer. The phonons that are generated by an optical pulse in one of the superlattices propagate through the intermediate layer and arrive at the superlattice situated at the opposite end of the sample where they are detected. A thickness gradient present in all layers that make up the second superlattice allows for the tuning of its detection spectral response to the frequency of the vibrations generated in the first one. Moreover, the effect of the tuning can be analyzed in detail by varying the incidence position of the optical pulses with respect to the thickness gradient. We have verified a considerable increase of the experimental sensitivity in the condition of maximum spectral overlap. We estimate that the signal amplification in such a case reaches a factor of 50. The experimental study has been performed on two samples which differed mainly in the thickness of the intermediate layer. In the case of the thinner sample (with a 1-#mu#m-thick intermediate layer), extrinsic effects originated in the incom- plete absorption of light hindered the full optical decoupling of the two superlattices. As a consequence, the optimization of the generation and detection spectral overlap turns out to be blurred by these additional effects. It has been necessary to turn to numerical calculations in order to extract a quantitative measure of the tuning effect. Nevertheless, this has led to the identification and the analysis of several e®ects related to the nature of thin samples, namely, modifications in the generation and detection spectral responses induced by the reflection of light off the faces of the samples. The thicker sample (with a 350-#mu#m-thick intermediate layer) has allowed us to avoid these additional features, offer- ing a straightforward measure of the proposed spectral overlap effect. The lifetime of the generated vibrations and the possible decay channels have been analyzed as well. We have identified the scattering by photoexcited carriers and the anharmonic decay as responsible for lifetimes of the order of 300-800 ps. The other research line refers to the control of the light-to-sound and sound-to-light transduction properties of a nanostructure. The control tool is the choice of the opti- cal wavelength with respect to the transitions between confined electronic states in the quantum wells that make up the sample. The sample presents the additional interest of being an acoustic nanocavity, that is, a structure that allows for the confinement and amplification of sound within a specific region of space. We have found that under op- tical excitation resonant to the fundamental electronic transition of the quantum wells that make up the acoustic mirrors of the nanocavity, the generated vibrations extend spatially along the whole nanostructure. On the contrary, when the optical excitation is resonant to the fundamental electronic transition of the central quantum well of the nanostructure (which is di®erent from the others), it is possible to selectively generate cavity modes. From the spectral point of view, in the first case the vibration distribution presents several frequency components, while in the second case the nanocavity acts as a quasimonochromatic source of acoustic phonons. In the same way, the detection spectral response can be chosen to be selective to the cavity modes. In the second condition of optical excitation we have actually obtained the generation of two nanocavity modes. We have also studied their decay times, finding a time shorter than the one expected from the confinement effect in the case of the higher energy cavity mode, and the contrary for the lower energy cavity mode. This has suggested a still open hypothesis related to the stimulated decay of the higher mode towards to lower one. Raman scattering results and numerical calculations support this hypothesis.

Tipo de objeto:Tesis (Tesis Doctoral en Física)
Palabras Clave:Phonons; Fonones; Nanostructures; Nanoestructuras
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Materias:Física > Nanotecnología
Divisiones:Investigación y aplicaciones no nucleares > Física > Laboratorio de propiedades ópticas de los materiales
Código ID:169
Depositado Por:Marisa G. Velazco Aldao
Depositado En:13 Aug 2010 10:56
Última Modificación:13 Aug 2010 10:56

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