Observation of Surface Plasmon Resonance in Monochromatic Terahertz Radiation on Indium Antimonide

I. Sh. Khasanov; Хасанов И. Ш.; V. V. Gerasimov; Герасимов В. В.; O. E. Kameshkov; Камешков О. Э.; A. K. Nikitin; Никитин А. К.; V. V. Kassandrоv; Кассандров В. В.

doi:10.31857/S1028096023100072

Наблюдение поверхностного плазмонного резонанса в монохроматическом терагерцевом излучении на антимониде индия

Авторы: Хасанов И.Ш.¹, Герасимов В.В.²^,3, Камешков О.Э.²^,3, Никитин А.К.¹, Кассандров В.В.⁴
Учреждения:
1. Научно-технологический центр уникального приборостроения РАН
2. Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН
3. Новосибирский государственный университет
4. Российский университет дружбы народов
Выпуск: № 10 (2023)
Страницы: 13-21
Раздел: Статьи
URL: https://ogarev-online.ru/1028-0960/article/view/141021
DOI: https://doi.org/10.31857/S1028096023100072
EDN: https://elibrary.ru/OMSWFG
ID: 141021

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ
Доступ закрыт

Доступ предоставлен
Доступ закрыт

Только для подписчиков

Аннотация
Об авторах
Список литературы
Дополнительные файлы
Статистика

Аннотация

В настоящее время интенсивно осваивается терагерцевый диапазон частот, находящийся на границе микроволнового и оптического диапазонов. Одним из широко используемых материалов в терагерцевой оптике является антимонид индия (InSb), чья плазменная частота ω_p зависит от степени легирования, температуры и освещенности поверхности. Обсуждается возможность генерации на поверхности образца InSb поверхностных плазмон-поляритонов – разновидности поверхностных электромагнитных волн – методом нарушенного полного внешнего отражения (НПВО) (схема Отто). При помощи формализма матриц рассеяния установлены условия наибольшей эффективности возбуждения поверхностных плазмон-поляритонов. В случае применения для этого терагерцевого излучения с частотой ω немного меньше ω_p длина распространения таких плазмон-поляритонов и глубина проникновения их поля в окружающую среду (воздух) сравнимы с длиной волны излучения. Возможно достижение поверхностного плазмонного резонанса в виде резкого уменьшения интенсивности отраженного от основания призмы НПВО монохроматического излучения при изменении угла падения и величины воздушного зазора. Были выполнены тестовые эксперименты по наблюдению поверхностного плазмонного резонанса на пластине InSb с использованием призмы из высокоомного кремния и монохроматического излучения (λ = 141 мкм) Новосибирского лазера на свободных электронах. Исследована зависимость резонансного провала от величины воздушного зазора, отделяющего призму от поверхности образца, и установлено его оптимальное (в случае резонанса) значение для полупроводников с плазменной частотой в терагерцевом диапазоне.

Ключевые слова

терагерцевое излучение, поверхностные плазмон-поляритоны, антимонид индия, поверхностные электромагнитные волны, поверхностный плазмонный резонанс, метод нарушенного полного внешнего отражения, лазер на свободных электронах.

Список литературы

Soler M., Lechuga L.M. // J. Appl. Phys. 2021. V. 129. № 11. P. 111102. https://doi.org/10.1063/5.0042811
Surface Plasmon Resonance Sensors. A Materials Guide to Design, Characterization, Optimization, and Usage, 2019.
Berini P., De Leon I. // Nature Photon. 2012. V. 6. № 1. P. 16. https://doi.org/10.1038/nphoton.2011.285
Ayata M., Fedoryshyn Y., Heni W., Baeuerle B., Josten A., Zahner M., Koch U., Salamin Y., Hoessbacher C., Haffner C., Elder D.L., Dalton L.R., Leuthold J. // Science. 2017. V. 358. № 6363. P. 630. https://doi.org/10.1126/science.aan5953
Plasmonics and Super-Resolution Imaging. Singapore: Pan Stanford Publishing, 2017. p. 482.
Carvalho W.O.F., Mejía-Salazar J.R. // Sensors (Basel). 2020. V. 20. № 9. P. 2488. https://doi.org/10.3390/s20092488
Shrivastav A.M., Cvelbar U., Abdulhalim I. // Commun. Biol. 2021. V. 4. № 1. P. 70. https://doi.org/10.1038/s42003-020-01615-8
Balbinot S., Srivastav A.M., Vidic J., Abdulhalim I., Manzano M. // Trends Food Sci. Technol. 2021. V. 111. P. 128. https://doi.org/10.1016/j.tifs.2021.02.057
Phan Q.-H., Phan Q.-H., Lai Y.-R., Xiao W.-Z., Pham T.-T.-H., Lien C.-H., Lien C.-H. // Opt. Express. 2020. V. 28. № 17. P. 24889. https://doi.org/10.1364/OE.400721
Chen X., Lindley-Hatcher H., Stantchev R.I., Wang J., Li K., Hernandez Serrano A., Taylor Z.D., Castro-Camus E., Pickwell-MacPherson E. // Chem. Phys. Rev. 2022. V. 3. № 1. P. 011311. https://doi.org/10.1063/5.0068979
Banerjee A., Chakraborty B., Inokawa H., Nath Roy J. Terahertz Biomedical and Healthcare Technologies: Materials to Devices. Elsevier, 2020.
Krotkus A. // J. Phys. D. 2010. V. 43. № 27. P. 273001. https://doi.org/10.1088/0022-3727/43/27/273001
Ranjana J.S. Investigations on InSb Plasmonic Devices for Sensor Applications at Terahertz Frequencies. PhD Thesis. National Institute of Technology Karnataka, Surathkal, 2017.
Barchiesi D. // New Perspectives in Biosensors Technology and Applications. / Ed. Serra P.A. 2011. Ch. 5. P. 105. https://doi.org/10.5772/16657
Kameshkov O., Gerasimov V., Knyazev B. // Sensors. 2021. V. 22. № 1. P. 172. https://doi.org/10.3390/s22010172
Gerasimov V.V., Knyazev B.A., Kotelnikov I.A., Nikitin A.K., Cherkassky V.S., Kulipanov G.N., Zhizhin G.N. // J. Opt. Soc. Am. B. 2013. V. 30. № 8. P. 2182. https://doi.org/10.1364/JOSAB.30.002182
Chochol J., Postava K., Čada M., Vanwolleghem M., Mičica M., Halagačka L., Lampin J.-F., Pištora J. // J. Eur. Opt. Soc.-Rapid Publ. 2017. V. 13. № 1. P. 13. https://doi.org/10.1186/s41476-017-0044-x
Levinshtein M., Rumyantsev S., Shur M. Handbook Series on Semiconductor Parameters. Si, Ge, C (Diamond), GaAs, GaP, GaSb, InAs, InP, InSb. World Scientific, 2000. 218 p.
Агранович В.М., Миллс Д.Л. Поверхностные поляритоны: электромагнитные волны на поверхностях и границах раздела сред. М.: Наука, 1985. 525 с.
Raether H. // Surface Plasmons on Smooth and Rough Surfaces and on Gratings, 1988. https://doi.org/10.1007/BFb0048319
Barchiesi D., Otto A. // Riv. del Nuovo Cim. 2013. V. 36. № 5. P. 173. https://doi.org/10.1393/ncr/i2013-10088-9
Shibayama J., Mitsutake K., Yamauchi J., Nakano H. // Microwave Opt. Technol. Lett. 2021. V. 63. № 1. P. 103. https://doi.org/10.1002/mop.32581
Nazarov M.M., Bezus E.A., Shkurinov A.P. // Laser Phys. 2013. V. 23. № 5. P. 056008.
Hilal M., Rashid B., Khan S.H., Khan A. // Mater. Chem. Phys. 2016. V. 184. P. 41. https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2016.09.009
Комков О.С., Фирсов Д.Д., Львова Т.В., Седова И.В., Семeнов А.Н., Соловьeв В.А., Иванов С.В. // Физика твердого тела. 2016. Т. 58. Вып. 12. С. 2307.
Nikitin A.K., Gerasimov V.V., Knyazev B.A., Lien N.T.H., Trang T.T. // J. Phys.: Conf. Ser. 2020. V. 1636. P. 012036. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1636/1/012036
Khasanov I.Sh., Zykova L.A., Nikitin A.K., Knyazev B.A., Gerasimov V.V., Trang T.T. Terahertz Surface Plasmon Resonance Microscopy Based on Ghost Imaging with Pseudo-Thermal Speckle Light. 2020 45th Int. Conf. on Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves (IRMMW-THz), Buffalo, NY, USA, 2020. P. 1. https://doi.org/10.1109/IRMMW-THz46771.2020.9370795
Chochol J., Mičica M., Postava K., Vanwolleghem M., Lampin J.-F., Čada M., Pištora J. Demonstration of Magnetoplasmon Polariton at InSb/Dielectric Interface. 2018 43rd International Conference on Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves (IRMMW-THz), Nagoya, Japan, 2018. P. 1. https://doi.org/10.1109/IRMMW-THz.2018.8510484
Hirori H., Nagai M., Tanaka K. // Opt. Express. 2005. V. 13. № 26. P. 10801. https://doi.org/10.1364/OPEX.13.010801
Nazarov M.M., Shkurinov A.P., Garet F., Coutaz J.-L. // IEEE Trans. Terahertz Sci. Technol. 2015. V. 5. № 4. P. 680. https://doi.org/10.1109/TTHZ.2015.2443562
Postava K., Chochol J., Mičica M., Vanwolleghem M., Kolejak P., Halagačka L., Cada M., Pištora J., Lampin J.-F. // Proc. SPIE. 2016. V. 10142. P. 1014207. https://doi.org/10.1117/12.2264550
Howells S.C., Schlie L.A. // Appl. Phys. Lett. 1996. V. 69. № 4. P. 550. https://doi.org/10.1063/1.117783
Chochol J., Postava K., Čada M., Vanwolleghem M., Halagačka L., Lampin J.-F., Pištora J. // AIP Adv. 2016. V. 6. № 11. P. 115021. https://doi.org/10.1063/1.4968178
Palik E. Handbook of Optical Constants of Solids [Vols. 1–4 combined]. AP, 1998.
Wang Q., Tang Q., Zhang D., Wang Z., Huang Y. // Superlattices and Microstructures. 2014. V. 75. P. 955. https://doi.org/10.1016/j.spmi.2014.09.015
Tao J., Hu B., He X.Y., Wang Q.J. // IEEE Trans. Nanotechnol. 2013. V. 12. № 6. P. 1191. https://doi.org/10.1109/TNANO.2013.2285127
Isaac T.H., Gómez Rivas J., Sambles J.R., Barnes W.L., Hendry E. // Phys. Rev. B. 2008. V. 77. № 11. P. 113411. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.77.113411
Gu P., Tani M., Kono S., Sakai K., Zhang X.-C. // J. Appl. Phys. 2002. V. 91. № 9. P. 5533. https://doi.org/10.1063/1.1465507
Litwin-Staszewska E., Szymańska W., Piotrzkowski R. // Phys. Stat. Sol. B. 1981. V. 106. № 2. P. 551. https://doi.org/10.1002/pssb.2221060217
Chochol J., Postava K., Čada M., Pištora J. // Sci. Rep. 2017. V. 7. № 1. P. 13117. https://doi.org/10.1038/s41598-017-13394-0
Львова Т.В., Дунаевский М.С., Лебедев М.В., Шахмин А.Л., Седова И.В., Иванов С.В. // Физика и техника полупроводников. 2013. Т. 47. Вып. 5. С. 710.
Cunningham R.W., Gruber J.B. // J. Appl. Phys. 1970. V. 41. № 4. P. 1804. https://doi.org/10.1063/1.1659107
Putley E.H. // Appl. Opt. 1965. V. 4. № 6. P. 649. https://doi.org/10.1364/AO.4.000649
Fan F., Chen S., Chang S.-J. // IEEE J. Selected Topics Quantum Electronics. 2017. V. 23. № 4. https://doi.org/10.1109/JSTQE.2016.2537259
Byszewski P., Kołodziejczak J., Zukotyński S. // Phys. Stat. Sol. B. 1963. V. 3. № 10. P. 1880. https://doi.org/10.1002/pssb.19630031014
Byrnes S.J. // arXiv:1603.02720 [physics]. 2020
Anisimov A.V., Khasanov I.Sh. // J. Phys.: Conf. Ser. 2021. V. 2091. № 1. P. 012067. https://doi.org/10.1088/1742-6596/2091/1/012067
Gerasimov V.V. // J. Opt. Technol. 2010. V. 77. № 8. P. 465. https://doi.org/10.1364/JOT.77.000465
Gerasimov V.V., Zhizhin G.N., Knyazev B.A., Kotelnikov I.A., Mitina N.A., Nikitin A.K. // Bull. Russ. Acad. Sci.: Phys. 2013. V. 77. № 9. P. 1167. https://doi.org/10.3103/S1062873813090141
Knyazev B.A. // AIP Conf. Proc. 2020. V. 2299. № 1. P. 030001. https://doi.org/10.1063/5.0030349