4-ая МЕЖДУНАРОДНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ …museum of the amateur works of art of...

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Владимирский государственный университет

имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых»

(ВлГУ)

4-ая МЕЖДУНАРОДНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ

«СОВРЕМЕННЫЕ НАНОТЕХНОЛОГИИ

И НАНОФОТОНИКА ДЛЯ НАУКИ

И ПРОИЗВОДСТВА»

ПРОГРАММА

И ТЕЗИСЫ ДОКЛАДОВ

8 – 11 ноября 2014 г.

г. Владимир – г. Суздаль

Владимир 2014

ОРГАНИЗАТОР

Владимирский государственный университет им. Александра Григорьевича и Нико-

лая Григорьевича Столетовых (ВлГУ), г.Владимир,

ПРИ ПОДДЕРЖКЕ

Министерства образования и науки Российской Федерации

Российского фонда фундаментальных исследований

ПРЕДСЕДАТЕЛЬ КОНФЕРЕНЦИИ

Багаев Сергей Николаевич – академик РАН, директор Института лазерной физики СО

РАН, г.Новосибирск

ПРЕДСЕДАТЕЛЬ ОРГАНИЗАЦИОННОГО КОМИТЕТА

Саралидзе Анзор Михайлович – ректор ВлГУ

ПРОГРАММНЫЙ КОМИТЕТ

Аракелян Сергей Мартиросович – заведующий кафедрой физики и прикладной мате-

матики ВлГУ, д.ф.-м.н., проф., председатель

Кучерик Алексей Олегович – ведущий научный сотрудник кафедры физики и приклад-

ной математики ВлГУ, к.ф.-м.н., доц., ученый секретарь

Алоджанц Александр Павлович – главный научный сотрудник кафедры физики и при-

кладной математики ВлГУ, д.ф.-м.н., проф.

Бункин Алексей Федорович – заведующий лабораторией лазерной спектроскопии

ИОФ РАН, д.ф.-м.н., проф.

Быков Виктор Александрович – генеральный директор компании НТ-МДТ (Molecular

Devices and Tools for NanoTechnology — «Молекулярные инструменты для нанотехноло-

гии»), чл.-корр. РАН, д.т.н., проф.

Гарнов Сергей Владимирович – заместитель директора ИОФ РАН по научной работе,

д.ф.-м.н., проф.

Жданов Борис Владимирович – ведущий исследователь Lasers and Optics Research Cen-

ter, USA, д.ф.-м.н., проф.

Задков Виктор Николаевич – заместитель декана физического факультета МГУ им.

М.В. Ломоносова, д.ф.-м.н., проф.

Зимин Сергей Павлович – заведующий кафедрой микроэлектроники, заместитель де-

кана физического факультета ЯрГУ, д.ф.-м.н., проф.

Кабашин Андрей Викторович – директор по исследованиям, CNRS, LP3, Франция,


Козлов Сергей Аркадьевич – декан факультета фотоники и оптоинформатики, СПбГУ

ИТМО, д.ф.-м.н., проф.

Макаров Владимир Анатольевич – заведующий кафедрой общей физики и волновых

процессов, директор МЛЦ МГУ им. М.В. Ломоносова.

Наумов Андрей Витальевич – заместитель директора по научной работе ИСАН, д.ф.-

м.н., проф.

Першин Сергей Михайлович – главный научный сотрудник ИОФ РАН, д.ф.-м.н., проф.

Стафеев Сергей Константинович – декан естественно-научного факультета, СПбГУ

ИТМО, д.ф.-м.н., проф.

Тайченачев Алексей Владимирович – заместитель директора по науке ИЛФ СО РАН,


Шафеев Георгий Айратович – заведующий лабораторией макрокинетики неравновес-

ных процессов, ИОФ РАН, д.ф.-м.н., проф.

Шкуринов Александр Павлович – проф. кафедры общей физики и волновых процессов

МГУ им. М.В. Ломоносова, д.ф.-м.н., проф.

АДРЕС ОРГКОМИТЕТА ДЛЯ КОНТАКТОВ

600000, Владимир, ул. Горького, 87

Владимирский государственный университет им. А.Г. и Н.Г. Столетовых

тел./факс: (4922)477796, факс: (4922)333369

e-mail: [email protected], [email protected]

ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ РАБОТЫ КОНФЕРЕНЦИИ

Методы синтеза и диагностики наноматериалов и наноструктур

Оптика фотонных кристаллов, наноструктур и сложноструктурированных материалов

Квантовая и атомная оптика

Математическое моделирование процессов формирования наноматериалов и наност-

руктур

mailto:[email protected]


Новые принципы обработки, передачи и хранения информации

Лазерные и плазменные нанотехнологии

Оптика сверхкоротких импульсов света

Метаматериалы

Central part of Vladimir

Suzdal

2. Suzdal City Council, Lenin monument

3. Monument to those fallen in World War II 4. Suzdal Tourist Centre. Hotel, motel, restaurant 5. Hotel on the grounds of the former Convent of the Intercession. The former convent refectory houses the restaurant Trapeznaya 6. Restaurant Gostiny Dvor 7. Restaurant Trapeznaya in Suzdal Kremlin 8. Restaurant Pogrebok (cellar) 9. Souvenirs' store Suzdalskaya Lavka 10. Arcade of shops (19th century) 11. Coachman's Inn 12. Bus station 13. The Convent of the Intercession (16th-18th cent.) Expositions: "From the History of the Convent", "Articles of Needlework", "Interior of the 17th-century Chancellor's House"

14. The Spaso-Yevfimievsky Monastery (16th-17th cent.) Museum of the Amateur Works of Art of the Peoples of the Russian Federation. Exposition: Gold Treasure Trove 15. The 17th-century townsman' house. The Interiors of Living Home Exposition. 16. The Church of St Peter and St Paul (17th century) Wood Painting Exposition 17. The Monastery of the Deposition of the Robe (16th-19th cent.) 18. The Church of St Nicholas and the Holy Cross (18th century). Peasant Clothing Exhibition 19. The Church of the Resurrection (18th century) Exposition: Folk Wood Carving 20. Suzdal Kremlin (13th-18th cent.). Expositions: "Leninist Policy of Protecting the Monuments of History and Culture", "Early Russian Painting", "The Cross Chamber Interior" 21. The earthen rampart surrounding the Kremlin (12th cent.) 22. The open-air Museum of Wooden Architecture and Peasants' Everyday Life.

КОНФЕРЕНЦИЯ

(Пушкарская слобода

ул. Ленина, 45)

Conference program

0088..1111..22001144 ((SSaattuurrddaayy)),, SSuuzzddaall

1100..0000 –– 1133..0000 ARRIVING TO VLADIMIR

1144..0000 Moving to Suzdal (bus from VlSU).

1144..0000 –– 1155..0000 REGISTRATION CONFERENCE/SCHOOL

1155..0000––1166..0000 A.P. Shkurinov, Терагерцовая опто- наноэлектроника

1166..0000––1177..0000 O.V. Karban’, “РФЭС и АСМ для анализа структурного со-

стояния тонких слоев материалов”

1177..0000––1177..1155 S.I. Leesment, Non-resonant oscillatory mode for surface research

at nanoscale

1177..1155--1177..3300 A.V. Prokhorov, Dissipative laser bullet in a dielectric medium

with quantum dots

1199..0000 WELCOME PARTY

0099..1111..22001144.. ((SSuunnddaayy)),, SSuuzzddaall

1100..0000 –– 1111..3300 OPEN CEREMONY. PLENARY TALKS

1111..3300 –– 1122..0000 COFFEE-BREAK

1122..0000––1133..0000 V.A. Makarov, “Нелинейная сингулярная поляризационная оп-

тика”

1133..0000 –– 1144..3300 LUNCH

1144..3300––1155..3300 V.I. Emel'yanov, “Лазерно-индуцированные дефектно-

деформационные (ДД) и гидродинамические (ГД) неустой-

чивости и образование упорядоченных поверхностных

структур и ансамблей наночастиц на поверхности твердых

тел”

1155..3300––1166..1155 T. Itina, “Analysis of two methods of nanoparticle generation: la-

ser ablation and spark discharge at atmospheric pressure”

1166..1155––1166..4455 S.M. Arakelian, “New advantages and challenges for laser-induced

nanostructured cluster materials: functional capability for exper-

imental verification of macroscopic quantum phenomena”

1166..4455 –– 1177..1155 COFFEE-BREAK

1177..1155––1188..0000 T.A. Vartanyan, “Effects of the transient polarization in photonics

of tightly confined atomic clouds”

1100..1111..22001144.. ((MMoonnddaayy)),, SSuuzzddaall

1100..0000––1100..3300 A.V. Povolotskiy, “Time-resolved ultrafast laser spectroscopy”

1100..3300––1111..1155 I.I. Ryabtsev, “Quantum information processing with cold Rydberg

atoms”

1111..1155––1111..4455 I.A. Shelykh, “Optical analogs of Aharonov- Bohm effect”

1111..4455 –– 1122..1155 COFFEE-BREAK

1122..1155––1133..0000 A.V. Taichenachev, "Modern atomic clocks and new spectroscopic

methods"

1133..0000 –– 1144..3300 LUNCH

1144..3300––1155..0000 Ray-Kuang Lee, “Quantum Invisible Cloaks for nano-particles”

1155..0000––1155..4455 A.V. Akimov, “Single photon sources in solid state: NV centers and

colloidal quantum dots”

1155..4455 –– 1166..1155 COFFEE-BREAK

1166..1155––1166..4455 A.V. Chizhov, “Fidelity of reflection from an absorbing bragg mir-

ror”

1166..4455––1177..1155 A.P. Alodjants, “Hyperbolic Spatially Localized Structures in

Bose-Einstein Condensates”

1177..1155––1188..0000 Short report of young scientist

1111..1111..22001144.. ((TTuueessddaayy)),, VVllaaddiimmiirr,, VVllSSUU

0099..0000 Transfer to Vladimir

1100..0000––1100..2200 Kristin Björg Arnardottir, “One dimensional Van Hove polaritons”

1100..2200––1100..4400 You-Lin Chuang, “Non-separated states from squeezed dark-state

polaritons in electromagnetically-induced-transparency media”

1111..0000 –– 1122..3300 Poster Section and short-presentation of young scientist

1122..3300 –– 1144..0000 LUNCH

1144..0000––1144..4455 M.M. Glazov, “Nonlinear transport and optics of electrons in

grapheme”

1144..4455––1155..3300 Stanislav Alexeyev, “General Relativity and its Modern Exten-

sions”

1155..3300 –– 1155..4455 COFFEE-BREAK

1155..4455––1177..0000 I. Shelykh, “Introduction to cavity QED; Driven- dissipative quan-

tum systems”

AAbbssttrraaccttss

TIME-RESOLVED ULTRAFAST LASER SPECTROSCOPY

Povolotskiy A.V.

Saint-Petersburg State University, Saint-Petersburg, Russia

[email protected]

Time-resolved laser spectroscopy is currently frontier method for studying the dynamics of

the physical and chemical processes in the systems in all states of matter [1]. In fact, this method

consists of two methods complementary and overlapping the entire time range of the observed pro-

cesses: flash photolysis (nanosecond laser systems to study the photo-initiated processes from a few

nanoseconds to a few seconds), and the "pump-probe" method (pico-and femtosecond lasers, which

allow to "observe" in real time the ultrafast processes up to tens of femtoseconds). At the same

time, up to date laser methods are mostly used for simple molecules and the elementary processes

(chemistry of individual bonds, femtochemistry of single molecules) [2]. Dynamic research is ap-

plicable to a large number of physical and chemical phenomena: charge transfer [3], nonadiabatic

reactions [4], non-linear processes [5] etc. Study of more complex systems using femtosecond spec-

troscopy has attracted a growing number of researchers [6]. Despite the difficulties arising from the

interpretation of the data, up to date, the "pump-probe" method has no alternative and is intensively

developing. Thus, the chosen method of investigation of the ultrafast processes dynamics is an ad-

vanced, reliable and informative.

References

1. Brixner, T., Gerber, G. Quantum control of gas-phase and liquid-phase femtochemistry.

ChemPhysChem. 4(5) (2003) 418-438

2. Petek, H. Single-molecule femtochemistry: Molecular imaging at the space-time limit. ACS

Nano. 8(1) (2014) 5-13

3. Gundlach, L., Willig, F. Ultrafast photoinduced electron transfer at electrodes: The general

case of a heterogeneous electron-transfer reaction. ChemPhysChem. 13(12) (2012) 2877-2881

4. Frischorn, C., Wolf, M. Femtochemistry at metal surfaces: Nonadiabatic reaction dynamics.

Chemical Reviews. 106(10) (2006) 4207-4233

5. Melnikov A., Povolotskiy A., Bovensiepen U. Magnon-enhanced phonon damping at

Gd(0001) and Tb(0001) surfaces using femtosecond time-resolved optical second-harmonic genera-

tion. PRL, 100 (24), 247401

6. Meyer-Ilse, J., Akimov, D., Dietzek, B. Recent advances in ultrafast time-resolved chirality

measurements: Perspective and outlook. Laser and Photonics Reviews. 7(4) (2013) 495-505


MODERN ATOMIC CLOCKS AND NEW SPECTROSCOPIC METHODS

Alexey Taichinachev

Institute of laser physics SB RAS, Novosibirsk, Russia

[email protected]

We will review recent studies in the field of atomic frequency standards in both microwave

and optical domain. We will mainly focus on new methods and approaches developed in Institute

of laser physics SB RAS by Yudin and Taichenachev. CPT resonances and effective methods of

their excitation in alkali atom vapors will be considered. Another topic will be resonances on

strongly forbidden optical transitions of ultracold atoms and ions: methods of excitation and

fighting field-induced frequency shifts of different origin.

QUANTUM INFORMATION PROCESSING WITH COLD RYDBERG ATOMS

I.I. Ryabtsev, I.I. Beterov, D.B. Tretyakov, V.M. Entin, E.A. Yakshina

Institute of semiconductor physics SB RAS, Novosibirsk, Russia

[email protected]

Highly excited Rydberg atoms have many unique properties compared to low-excited atoms:

large electron orbit radius, large dipole moments of transitions between neighboring states, strong

long-range interactions, long radiative lifetimes, huge polarizabilities, etc. Control of long-range

interactions between Rydberg atoms by laser and microwave radiations, as well as by external elec-

tric and magnetic fields, forms the basis for quantum information processing with neutral trapped

atoms. Entangled states can be generated using a temporary excitation of ground-state atoms to a

strongly interacting Rydberg state. In this lecture we will review the recent experimental advances

in quantum information processing with Rydberg atoms. We will also present our related experi-

mental and theoretical results on laser and microwave spectroscopy cold Rb Rydberg atoms in a

magneto-optical trap.

SINGLE PHOTON SOURCES IN SOLID STATE: NV CENTERS AND COLLOIDAL

QUANTUM DOTS

Alexey Akimov

Russian Quantum Center, Skolkovo, Moscow Region, Russia

In my lecture I will describe main properties of colloidal quantum dots and nitrogen vacancy

(NV) color centers in diamond. I will touch also some key application of these objects.

Colloidal quantum dots (QD) are basically two level systems, levels of which are formed via

quantum confinement and therefor allow choice of operational wavelength. They are easy to pre-

pare and already found number of applications, for example, in imaging. Still, application of QD as

constrictive block of information processing devices is under question. To the contrast NV centers

in diamond have fixed wavelength, but are spin systems. Ability to easily initialize and readout spin

of NV center in combination with long coherence time of the spin make them very attractive candi-

dates for information processing applications. Furthermore, they proved themselves as strong can-

didates for sensing application, including in vivo applications.

PHASE SPACE SUB-PLANCK STRUCTURES: EXPERIMENTAL REALIZATION IN

TIME-FREQUENCY DOMAIN

Ludmila Praxmeyer, Chih-Cheng Chen, Shang-Da Yang, and Ray-Kuang Lee

Institute of Photonics Technologies, National Tsing-Hua University, Hsinchu, Taiwan

It was shown by Zurek [1] that a sub-Planck structure in phase space plays an important role

in the distinguishability of quantum states. As the basis of all interference phenomena both in clas-

sical optics and quantum mechanics, the linear superposition principal is applied to optical wave

packets. Sub-Fourier structures have been observed by the frequency resolved optical gating

(FROG) measurements of light pulses [2-3], but only demonstrated for two pulses with a time de-

lay. In this work, we perform the FROG experiment for a four pulses superposition. A direct optical

correspondence of phase-space sub-Planck structure is revealed in time and frequency domain [4].

Comparison between the experimental data (left) and theoretical simulation (right) shows clearly

existence of interference structures on a sub-Fourier scale in both the time and frequency domain.

Experiment

Theory

[1] W. Zurek, Nature 412, 712 (2001).

[2] L. Praxmeyer, K. Wódkiewicz, Laser Phys. Vol. 15, No. 10, 1477, (2005).

[3] L. Praxmeyer, P. Wasylczyk, Cz. Radzewicz, K. Wódkiewicz, Phys. Rev. Lett. 98, 063901

(2007).

[4] Ludmila Praxmeyer, Chih-Cheng Chen, Shang-Da Yang, and Ray-Kuang Lee,

(manuscript in preparation).

FIDELITY OF REFLECTION FROM AN ABSORBING BRAGG MIRROR

Chizhov A.V.1, Čevizović D.

2

1Joint Institute for Nuclear Research, Dubna, Russia,

2Vinča Institute of Nuclear Sciences, Belgrade, Serbia,

e-mail: [email protected] ; [email protected]

A Bragg mirror (or distributed Bragg reflector) is an optical device which is composed of an

alternating sequence of multiple layers of two different materials. Each optical layer thickness cor-

responds to one quarter of the wavelength that provides constructive interference of the reflected

waves from the mirror layers. There thus appears a certain range of wavelengths (called the photon-

ic stopband), within which light propagation in the mirror structure is strongly suppressed. It is why

Bragg mirrors act as high-quality reflectors, so that they have a wide use in many optical devices,

such as resonant cavities and interferometers.

However, in the case of the quantized electromagnetic fields the mirror reflectivity, which is

just related to intensities of the incident and reflected fields, cannot fully characterize the process of

reflection. This is due to the fact that the interaction of the incident electromagnetic field with the

mirror materials might cause a significant change in the quantum state of reflected light. Instead, the

fidelity of the incident and reflected states of light that shows their quantum closeness may serve as

the measure of the reflection efficiency.

The report is aimed to investigate the fidelity of reflection from the Bragg mirror depending

on quantum states of incident light and of the device environment.

The theoretical description of the quantum-state transformation of the fields in the Bragg

mirror is based on the Green-function approach for quantization of the electromagnetic field in dis-

persive and absorbing media [1]. The transformation characteristics of the Bragg mirror formed

from multiple layers of alternating materials with varying refractive index are calculated analytical-

ly by using the quantum-optical input-output relations for multilayer plates [2].

For the numerical analysis, we consider the Bragg mirror of the titanium dioxide - silica type

(with the corresponding refractive indices of materials and ) consist-

ing of repeated pairs. The widths and of the layers in the stack are chosen to fulfill

the Bragg condition for the center wavelength of the stopband as .

We demonstrate [3,4] that the fidelity of reflection strongly depends on the absorption coef-

ficient of the Bragg mirror. Moreover, the fidelity is rather sensitive to the quantum state of the in-

cident field and to its intensity.


http://en.wikipedia.org/wiki/Refractive_index

REFERENCES

1. L. Knőll, S. Scheel, E. Schmidt, D.-G. Welsch, A.V. Chizhov. Phys. Rev. A 59, 4716 (1999).

2. T. Grunar, D.-G. Welsch. Phys. Rev. A 54, 1661 (1996).

3. D. Čevizović, A.V. Chizhov. Theses of the L All-Russian conference on problems of dynamics,

particle physics, physics of plasma and optoelectronics (Moscow, May 13-16, 2014) - Moscow:

PFUR, 2014, p.118.

4. D. Čevizović, A.V. Chizhov. Book of abstracts of the 2nd

Int. Symposium on Optics and its

Applications (Armenia, 1-5 September 2014) - Yerevan: RAU, 2014, p. 85.

ANALYSIS OF TWO METHODS OF NANOPARTICLE GENERATION: LASER ABLA-

TION AND SPARK DISCHARGE AT ATMOSPHERIC PRESSURE

Itina T.E. and Voloshko A.

Hubert Curien Laboratory, UMR 5516 CNRS/Lyon University, Saint-Etienne, France

Phone: +33 4 77 91 58 29, e-mail: [email protected]

Laser ablation (LA) and spark discharge (SD) techniques are commonly used for nanoparti-

cle formation (Figure 1). The produced NPs have found numerous applications in such areas as

electronics, biomedicine, textile production etc. Previous studies provide us information about the

amount of NPs, their size distribution and possible applications. On one hand, the main advantage

of the LA method is in the possibilities of changing laser parameters and background conditions and

to ablate materials with complicated stoichiometry. On the other hand, the major advantage of the

SD technique is in the possibility of using several facilities in parallel to increase the yield of nano-

particles [1].

(c)

(d) (e)

Figure 1. Schematics of laser ablation (a,b,c) and spark discharge (d,e) techniques and models.

To optimize these processes, we consider different stages involved and analyze the resulting

plasma and nanoparticle (NP) parameters [2]. Based on the performed calculations, we analyze na-

noparticle parameters, such as mean size and mean density. The performed analysis (shows how the

experimental conditions are connected with the resulted nanoparticle characteristics in agreement

with several previous experiments (Figure 2) [3,4]. Cylindrical plasma column expansion and return

are shown to govern primary nanoparticle formation in spark discharge, whereas hemispherical

shock describes quite well this process for nanosecond laser ablation at atmospheric pressure. In

laser

Plume

addition, spark discharge leads to the oscillations in plasma properties, whereas monotonous behav-

ior is characteristic for nanosecond laser ablation.

Despite the difference in plasma density and time evolutions calculated for both phenomena,

after well-defined delays, similar critical nuclei have been shown to be formed by both techniques.

This result is attributed to the fact that whereas larger evaporation rate is typical for nanosecond la-

ser ablation, a mixture of vapor and background gas determines the supersaturation in the case of

spark.

The research leading to these results received funding from the European Union Seventh

Framework Programme (FP7/2007-2013) under Grant Agreement n° 280765 (BUONAPART-E).

This publication reflects only the author’s/ authors’ view(s), and the Community is not liable for

any use made of the information contained therein.

References

[1] T.E. Itina and A. Voloshko, Nanoparticle formation by laser ablation in air and by spark dis-

charges at atmospheric pressure, Appl. Phys. A. vol. 113, no3, pp. 473-478 (2013) .

[2] T.E. Itina, M.E. Povarnitsyn, A. Voloshko, Laser-based synthesis of nanoparticles: role of laser

parameters and background conditions, SPIE Proc. Vol. 8969, Synthesis on Photonics of Nanoscale

Materials XI, 896905 (2014)

[3] A. Pereira, P. Delaporte, M. Sentis, W. Marine, A. L. Thomann, C. Boulmer-Leborgne, J. Appl.

Phys. Vol. 98, pp. 064902 (2005).

[4] N. S. Tabrizi, Q. Xu, N. M. van der Pers, A. Schmidt-Ott, J. Nanopart. Res. Vol. 12, pp. 247-

259 (2010).

(a) (b)

10 200.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

Initial distribution

After a delay

r, nm

f(n

)

(c) (d)

Figure 2 (a) Calculated NP size distribution for laser ablation in inert gas. (b) Calculated NP size distribution formed by

spark discharge in inert gas (Ar) at atmospheric pressure. (c) Experimental size distribution obtained for steel in air [3]. (d)

Typical size distribution obtained in spark experiments [4]

ЛАЗЕРНО-ИНДУЦИРОВАННЫЕ ДЕФЕКТНО-ДЕФОРМАЦИОННЫЕ (ДД) И ГИД-

РОДИНАМИЧЕСКИЕ (ГД) НЕУСТОЙЧИВОСТИ И ОБРАЗОВАНИЕ УПОРЯДО-

ЧЕННЫХ ПОВЕРХНОСТНЫХ СТРУКТУР И АНСАМБЛЕЙ НАНОЧАСТИЦ НА

ПОВЕРХНОСТИ ТВЕРДЫХ ТЕЛ

В.И. Емельянов

Москвоский государственный университет им. М.В. Ломоносова, Москва, Россия

[email protected]

Дан обзор двух классов лазерно-индуцированных неустойчивостей на поверхности

твердых тел, протекающих в твердой и жидкой (расплавной) фазах. Показано, что исходные

системы ДД или ГД уравнений, при определенных допущениях, сводится к универсальному

нелинейному уравнению типа уравнения Курамото-Сивашинского (КС). Проведены резуль-

таты аналитических и численных исследований этого уравнения, предсказывающие образо-

вание протяженных ламелеобразных, неупорядоченных и гексагонально-упорядоченных

микро- и наноструктур рельефа поверхности. Построена теория моно- и бимодальной функ-

ции распределения по размерам наночастиц, образующихся в результате развития ДД и ГД

неустойчивостей. Показано, что, при жесткой фокусировке лазерного излучения, решения

КС уравнения описывают образование на поверхности уединенных наноструй (нанопичков)

и нанокорон. Полученные теоретические результаты иллюстрируются соответствующими

экспериментальными данными.

В.И. Емельянов (1 дополнительная лекция, основанная на курсе ”Основы квантовой

механики и квантовых вычислений”, читаемого на факультете вычислительной математики и

кибернетики МГУ).

РФЭС И АСМ ДЛЯ АНАЛИЗА СТРУКТУРНОГО СОСТОЯНИЯ ТОНКИХ СЛОЕВ

МАТЕРИАЛОВ

Карбань О.В.

Физико-технический институт УрО РАН. Ижевска, Россия

[email protected]

В связи с развитием новых тонкопленочных и нанотехнологий в настоящее время

особую актуальность приобрели исследования состава и структуры тонких слоев различных

материалов, например, тонких кристаллических, полимерных и стеклообразных пленок, а

также интерфейсных областей объемных наноструктурных керамик. Методы, которые тра-

диционно используются для анализа структуры массивных материалов (дифракционные ме-

тоды, ЯМР и др.), оказываются малоинформативными, например, в случае исследования

стеклообразных тонких пленок или интерфейсных областей толщиной несколько наномет-

ров.

В лекции будут продемонстрированы возможности методов рентгеноэлектронной

спектроскопии (РФЭС) совместно с АСМ для исследования атомного строения тонких слоев

кристаллических и стеклообразных оксидных материалов. А также возможности методов

АСМ и РФЭС в сочетании с методикой “химических меток” для исследования особенностей

строения органических материалов.

EFFECTS OF THE TRANSIENT POLARIZATION IN PHOTONICS OF TIGHTLY CON-

FINED ATOMIC CLOUDS

T.A. Vartanyan

ITMO University

Kronverkskiy pr. 49, St. Petersburg 197101, Russian Federation

e-mail: [email protected]

Dilute atomic vapors and their optical properties play an important role in modern technolo-

gies and science. There are two extreme approaches to the theoretical description of what happens

when electromagnetic radiation interacts with atomic media: microscopic and macroscopic. Micro-

scopic approach is simple. One considers an atom in the external electromagnetic field, calculates

its quantum dynamics, and deduces probabilities of the processes of interest. Macroscopic approach

needs two steps. First, the macroscopic parameter known as the dielectric permittivity of the medi-

um is calculated. Second, its value is used to predict all optical phenomena that may happen when

the electromagnetic waves impinge on and propagate through the medium. Although both ap-

proaches proved to be very successful in describing a wide variety of optical phenomena there are

situations that get into a gap between two. One of these situations is very common. It is propagation

of the resonant light through the dilute atomic medium. Complications arise when Doppler broaden-

ing dominates over all over broadening mechanism of the relevant spectroscopic transition.

Let us consider a boundary of a dilute atomic medium pictured below.

Usually, this boundary is a surface of a transparent dielectric material used to confine the

vapor. There are three groups of atoms near this surface: arriving atoms, departing atoms, and the

atoms adsorbed at the surface. The atoms that arrive at the surface are in the steady state as they are

in the resonant electromagnetic field for a long time. The atoms that are adsorbed on the solid sur-

face are out of scope because the shift of the resonance frequency upon adsorption is so large that

the action of resonant radiation on them is rather small. The most interesting group of atoms is the

departing atoms. After desorption from the surface they enter the free space and their transition

suddenly gets into resonance with the electromagnetic field. These atoms possess transient polariza-

tion rather than the steady state polarization. Indeed, as the Doppler width of the transition in ques-

tion is larger than its homogeneous width, an atom overflies distances larger than the wavelength of

electromagnetic radiation resonant to that transition. On the other hand, the steady state polarization

is known to be the consequence of relaxation processes due to spontaneous emission and collisions.

In described circumstances, there is no possibility for the atom to reach the steady state during its

free flight. Consequently, the dielectric permittivity calculated assuming steady state response of the

atom could not be used to describe the optical properties of dilute atomic media.

The rigorous approach to calculate the response of dilute atomic media to the resonant radia-

tion would be simultaneous self-consistent solution of Maxwell-Bloch equations with the boundary

conditions appropriate to the situation when the atoms depart from the boundaries unpolarized and

in their ground state. Transient polarization of the departing atoms leads to the dramatic changes in

the spectral line shapes recorded in reflection [1,2]. Narrow sub-Doppler contribution pops up

above the Doppler-broadened dispersion contour. Saturation effects at high laser intensities are also

found to be different for arriving and departing atoms [3,4].

Even more features appear in photonics of tightly confined atomic clouds. In this case, arriv-

ing atoms as well as departing atoms are in transient regime. The line shapes recoded in reflection

and transmission of a narrow slice of atomic vapor sandwiched between transparent dielectric mate-

rials depend strongly on the ratio of the slice width to the laser wavelength [5]. This effect first

mentioned for microwaves [6] is widely used in laser spectroscopy since the advent of extremely

thin cells [7].

References

1. Cojan J.L. Ann. Phys. (Paris), 9, 385 (1954).

2. Schuurmans M.F.H. J. Phys. (Paris), 37, 469 (1976).

3. Vartanyan T. A. Sov. Phys. JETP, 61, 674 (1985).

4. Vartanyan T. A. Opt. Spectrosc. (USSR), 68, 365 (1990).

5. Vartanyan T.A., Lin D.L. Rhys. Rev. A, 51, 1959 (1995).

6. Romer R. H. Dicke R.H. Rhys. Rev., 99, 532 (1955).

7. Sarkisyan D. et al. Opt. Comm., 200, 201, (2001)

RESONANCE FLUORESCENCE AND MOLLOW TRIPLETS FROM SINGLE EMIT-

TERS

M.G. Gladush1,2,3

, I.Yu. Eremchev1, A.A. Gorshelev

1, A.V. Naumov

1,4

1Institute for Spectroscopy RAS, Troitsk, Moscow, Russia

2Moscow Institute of Physics and Technology, Dolgoprudny, Russia

3Vladimir State University, Vladimir, Russia

4Moscow Pedagogical State University, Moscow, Russia


The problem of resonance fluorescence has a long history and has now become a standard

chapter in the textbooks on quantum optics. The spectrum of fluorescence was first calculated in its

complete form by Mollow in 1969. He demonstrated that light emitted by a single-transition (two-

level) system in presence of a strong incident field has a bright coherent Raleigh component and a

dimmer broad incoherent part which exhibits three peaks. A few years later, the observation of fluo-

rescence spectra produced by an atomic beam (Fig. 1) gave one of the most striking agreements be-

tween experiment and theory. Since then these three-peak fluorescence spectra have been widely

cited as Mollow triplets. However, it took researchers three more decades to succeed in measuring

Mollow fluorescence from single solid state emitters (Fig. 2). In recent years there has been a series

of pioneering publications reporting measurements of fluorescence from driven quantum systems:

molecules [1], quantum dots at low temperatures [2,3], quantum dots in microcavities [4], etc. In

2013 this area of research was marked by a booming development of experimental techniques and

calculations [5]. Further studies are likely to reveal some fundamental issues as well as to ensure

practical benefits from analyzing the shapes of the Mollow spectra to detect processes in the envi-

ronment of a single quantum radiator.

We present both experimental and theoretical advances in measurements and simulations of

the resonance fluorescence signals from a laser-driven single molecule (SM).

The measurements have been performed using homebuilt epi-luminescence microscope

equipped with tunable single-mode dye laser, temperature controlled cryostat and highly sensitive

EMCCD camera. Tuning of laser excitation frequency and detection of Stocks-shifted fluorescence

from isolated SMs in a transparent matrix allows one to measure fluorescence excitation spectra of

these SMs [6,7]. The Mollow triplet was observed while studying the electronic 0-0 transition of the

single terrylene molecule in frozen 1,2-dichlorobenzene at 5 K (Fig. 3).

Based on the original formalism the spectrum of the fluorescence was derived adaptively to

the experimental setup and with account for tunable parameters including those of the excitation

light and the environment. The equations to describe the coupled quantum emitter-plus-field system

are obtained from the Bogolubov-Born-Green-Kirkwood-Yvon (BBGKY) hierarchy for reduced

particle density matrices of solid particles and quantized field modes and their correlation operators.

The solution for spectral power of scattered light with separated coherent and incoherent compo-

nents appears straightforwardly within the hierarchy. The formula obtained for emission spectra can

be used to distinguish between possible mechanisms affecting the shape of the Mollow triplet.

Inte

nsi

ty (

a.u

.)

Frequency Frequency Frequency

Fig. 1 The “classic” measured

Mollow triplet radiated by a beam of

sodium atoms illuminated by a sin-

gle-frequency cw dye laser (Repro-

duction from F.Y. Wu, R.E. Grove,

and S. Ezekiel, Phys. Rev. Lett. 35,

1426 (1975)).

Fig. 2 The first directly observed

Mollow triplet from a single solid-

state emitter - dibenzanthanthrene

(DBATT) molecule in n-tetradecane

(Reproduction from G. Wrigge at

al., Nature Physics, 4, 60 (2008)).

Fig. 3 The Mollow triplet produced

by a single terrylene molecule in

frozen 1,2-dichlorobenzene (Recent

result of the authors).

[1] G. Wrigge, I. Gerhardt, J. Hwang, G. Zumofen and V. Sandoghdar, Efficient coupling of pho-

tons to a single molecule and the observation of its resonance fluorescence, Nature Physics, 4,

60 - 66 (2008).

[2] A. Nick Vamivakas, Yong Zhao, Chao-Yang Lu and Mete Atatüre, Spin-resolved quantum-

dot resonance fluorescence, Nature Physics, 5, 198–202 (2009).

[3] E.B. Flagg, A. Muller, J.W. Robertson, S. Founta, D.G. Deppe, M. Xiao, W.Ma, G.J. Salamo

and C.K. Shih, Resonantly driven coherent oscillations in a solid-state quantum emitter, Na-

ture Physics, 5, 203–207 (2009).

[4] A. Ulhaq, S. Weiler, S.M. Ulrich, R. Rossbach, M. Jetter, P. Michler, Cascaded single-photon

emission from the Mollow triplet sidebands of a quantum dot, Nature Photonics, 6, 238–242

(2012).

[5] Rong-Chun Ge, S. Weiler, A. Ulhaq, S. M. Ulrich, M. Jetter, P. Michler, and S. Hughes,

Mollow quintuplets from coherently excited quantum dots, Optics Letters, Vol. 38, Issue 10,

pp. 1691-1693 (2013).

[6] A.V. Naumov, Low-temperature spectroscopy of organic molecules in solid matrices: from

the Shpol'skii effect to laser luminescent spectromicroscopy for all effectively emitting single

molecules, Physics-Uspekhi, 56 (6), 605-622 (2013).

[7] A.V. Naumov, I.Y. Eremchev, A.A. Gorshelev, Laser Selective Spectromicroscopy of Myriad

Single Molecules: Tool for Far-Field Multicolor Materials Nanodiagnostics, The European

Physical Journal D (2014). Colloquium paper. DOI: 10.1140/epjd/e2014-50414-x.

The research is partially supported by Russian Science Foundation (14-12-01415), by the

Russian Foundation for Basic Research (14-02-97511) and by the grant of the President of Russian

Federation NSh-134.2014.2.

LUMINESCENCE VISUALIZER FOR PRECISE LASER BEAM ALIGNMENT AND FO-

CUSING IN PUMP-PROBE AND RELATED SPECTROSCOPIES

K.R. Karimullin1,2

, M.V. Knyazev1,3

, A.V. Naumov1

1Institute for Spectroscopy RAS Troitsk, Moscow, Russia

2Zavoisky Physical-Technical Institute RAS, Kazan, Russia

3Moscow Institute of Physics and Technology, Dolgoprudny, Russia


Pump-probe spectroscopy techniques have been proved as powerful instruments in natural

sciences. In particular, four-wave mixing (FWM) and photon echo (PE) are widely applied to inves-

tigate optical spectra, dynamics and dephasing processes in different media, including solids, liq-

uids, gases, polymers, semiconductors and nanostructures. There fluorescing molecules are used as

spectral probes, so as the information about the inner dynamics of a medium can be obtained from

their optical spectra. In addition, the temperature and pressure dependencies of spectral characteris-

tics of chromophores are studied to obtain more detailed information. To vary the temperature

and/or pressure the sample should be placed into special chambers - optical cryostats and high-

pressure cells (HPC). Such kind of studies make difficult experiment processing. Namely, FWM

and PE signal intensity is extremely dependent on the precise beams convergence, i.e. on focusing

beams together on the same point on the sample. Usually in non-collinear pump-probe spectroscopy

experiments this is controlled just visually or using simple beam visualizers. There is no possibility

to control directly the beams convergence, especially when the sample is placed into cryostat, high-

pressure or gas cell, vacuum chamber or other devices. We present the effective and easy-to-use

technique to control confidently the beams convergence in non-collinear pump-probe spectroscopy

experiments, which uses an epi-illuminated luminescence microscope equipped with 2D multichan-

nel light detector [1-2].

[1] K. Karimullin, M. Knyazev, I. Eremchev, Y. Vainer, A. Naumov, A tool for alignment of mul-

tiple laser beams in pump-probe experiments, Measurement Science and Technology. - 2013. -

V. 24, No 2. - P. 027002.

[2] Karimullin K.R., Knyazev M.V., Vainer Y.G., Naumov A.V., A luminescence visualizer for

exact convergence of laser beams in photon-echo spectroscopy, four-wave mixing, and related

techniques, Optics and Spectroscopy. - 2013. - V. 114, № 6. - P. 859.

The research is supported by RFBR grants (14-02-00082, 14-02-90000) and by the grants of the

President of Russian Federation NSh-134.2014.2, MK-2328.2014.2.

EFFICIENT UV LASING IN LiY1-XLuXF4:RE (RE=Ce,Yb) MONOCRYSTALS

L.A. Nurtdinova*, S.L.Korableva

Kazan Federal University, Kazan, Russia

*e-mail: [email protected]

We present for what we believe to be the first time the results of laser experiments in

LiYXLu1-XF4:RE (x=0, 0.3; RE=Ce,Yb) monocrystals. 10-Hz 300-nm pumping with a maximal en-

ergy density of 0.9 J/cm2 lead to a 310-nm lasing with more that 20% efficiency in non-selective

cavity at the room temperature. Tuning of laser wavelength in 303-332 nm spectral range was

achieved in a selective cavity with output mirror R=80%. Radiation, generated in longer-

wavelength wing of the tuning curve, contained both π- and σ-polarized radiation, while cavity fa-

vored π -polarized lasing, seemingly due to considerably larger absorbance by color centers of π -

rather than σ-polarized radiation [1]. Cooling of the active element to the temperatures about -10ºC

as well as using additional illumination of active element (with 532, 340 and 266 nm light with en-

ergy density similar to the pumping one) lead to a considerable variation of lasing efficiency and

tuning range (see figure 1). Possible mechanisms behind the observed phenomena are discussed.

Figure 1. Laser characteristics of LiY1-XLuXF4:RE crystals.

[1] K.S.Lim, D.S.Hamilton, JOSA B 6,7 (1989) 1401

The research was partially supported by RFBR, research project No. 12-03-31578_mol_a.

305 310 315 320 325 330

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

LiY0.3

Lu0.7

F4:Ce

3+ (1%) T=27

oC

LiLuF4:Ce

3+ (1%) T=27

oC

LiY0.3

Lu0.7

F4:Ce

3+,Yb

3+ (1%,1%)

T=27oC

T=-6oC

output mirror R=80%

lasi

ng

en

erg

y,

mJ

lasing wavelength, nm

0 1 2 3 4 50,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

LiY0.3

Lu0.7

F4:Ce

3+ (1%),Yb

3+(1%)

output mirror R=25%

slope efficiency:

20% (E266

,E532

= 0 mJ,

T= 27oC)

30% (T= -6oC)

12% (E266

= 0,4 J/cm2)

29% (E532

= 0,9 J/cm2)

pumping energy, mJ

lasi

ng

en

erg

y,

mJ

TIME STABILITY OF THE CRYOGENIC OPTOMECHANICAL STAGE

FOR SINGLE MOLECULE LUMINESCENCE SPECTROMICROSCOPY

S. Orlov1, I. Eremchev

1, A. Gorshelev

1, A. Naumov

1,2

1Institute for Spectroscopy, Troitsk, Moscow, Russia

2Moscow State Pedagogical University, Moscow, Russia


Luminescence microscopy of single quantum emitters (organic chromophore molecules,

quantum dots) is a very hot multidisciplinary field of modern natural sciences. One of the prospec-

tive applications of this technique is the use of dye chromophores embedded into solid matrices as

microscopic probes. Fluorescence spectra of such dye-centres are very sensitive to local environ-

ment. The full potential of this method can be realised at cryogenic temperatures where extremely

bright and narrow zero-phonon lines of single emitters are achievable for observation. Lumines-

cence microscopy of single quantum emitters is of the greatest interest, because it allows the deter-

mination of spatial coordinates of impurity chromophores with subdiffraction accuracy. This can be

done by computer analysis of single emitter luminescence image taking into account its point-

spread function (PSF). Moreover instrumental modification of PSF gives the opportunity to recon-

struct all three spatial coordinates with nanometre accuracy in far-field microscopy (see reviews [1,

2] and references therein).

The general problem of cryogenic microscopy techniques is positioning of the sample under

study in the optical scheme and providing its time stability. Temperature drifts and/or mechanical

vibrations lead to defocusing of the sample image and may also lead to disappearance of quantum

emitting centres from the microscope field of view.

In this work the stability of the developed cryogenic optomechanical stage (fig. 1) was

checked.

Fig. 1. The developed cryogenic optomechanical stage

The base of the stage is an extended detail cut along (but not completely) with EDM. A

stainless steel wedge (with an angle of inclination 50) is placed between the two parts of the base.

The wedge can be moved vertically in special rails, pushing the movable part of the base. The sam-

ple is fixed in the movable part, the microscope objective is placed in the stationary part, thus one

can change the distance between the sample and the micro objective (within the range of 0.5 mm)

by moving the wedge up and down. To reduce friction stainless steel balls are placed between the

surfaces of the wedge and the movable part of the base, and all surfaces of the wedge are carefully

polished. Movement of the wedge down is realised by turning the micrometer screw (thread pitch

0.25 mm); reverse movement is provided by a spring which is attached below. The construction of

the stage allows to focus on the sample with high precision. In the lower part of the stage there is a

place for the temperature sensor and the heating element.

To ensure the mechanical stability of the stage it was tested in SMS experiment. (fig. 2). The

experimental setup allows the detection of all 3 coordinates of single emitters within the field of

view of a confocal microscope [1]. The experiment showed that the short-time scale (seconds) stage

stability allows the determination of Z-coordinate with the accuracy about 130 nm, and X- and Y-

coordinates with the accuracy ~ 60 nm. At the same time there are some slow drifts of the deter-

mined values in time scale of minutes, which require additional analysis of the setup stability (in-

cluding the cryo-stage as well as all optomechanical components of the setup).

Fig. 2. The mechanical stability of the developed stage in 3D single molecule spectros-

copy. The plots on the left panel show the deviations of X, Y, Z coordinates of single emit-

ters from their mean values in time (about 2200 sec). The histograms on the right panel

show the coordinates determination errors on the short-time scale (which corresponds to

various fast fluctuations).

[1] A.V. Naumov, Physics Uspekhi 56, 605 (2013).

[2] A.V. Naumov, I.Y. Eremchev, A.A. Gorshelev, Eur. Phys. J. D (in print) (2014).

(*) The work is supported by Russian Foundation for Basic Researches (14-02-00822).

МЕРЦАЮЩАЯ ФЛУОРЕСЦЕНЦИЯ ОДИНОЧНЫХ КВАНТОВЫХ ИЗЛУЧАТЕЛЕЙ

ПРИ НАЛИЧИИ ПАУЗ В НАБЛЮДЕНИИ

А.Л. Щукина, А.В. Наумов, И.Ю. Еремчев

Институт спектроскопии РАН, Москва, Троицк, Россия


Прерывание процесса детектирования фотонов излучения одиночного квантового

объекта неизбежно присутствует при проведении оптико-спектроскопических исследований

по причине технических ограничений детекторов. Появляются промежутки времени (паузы),

в течение которых информация о поведении излучающей системы недоступна. Возникает

вопрос, как наличие таких пауз влияет на параметры, определённые в эксперименте, в част-

ности, при исследовании флуоресценции одиночного люминофора (молекулы, полупровод-

никовой квантовой точки и т.д.), в которой присутствует мерцание – случайные переходы

между “светлыми” on-состояниями и “тёмными” безызлучательными off-состояними.

В данной работе исследовался случай длительных пауз в наблюдении – сравнимых со

средними временами on-off переходов или длиннее их. Такой случай важен для практики,

так как реализуется, в частности, при использовании детекторов на основе ПЗС-матриц, ко-

торые прерывают регистрацию фотонов на времена порядка миллисекунд, что сравнимо с

характерной длительностью временных интервалов между on/off переходами.

Проведено компьютерное моделирование экспериментов с длительными паузами в

наблюдении, получены некоторые аналитические выводы.

Моделировались временные траектории мерцающей флуоресценции для одиночного

излучателя с заданными средними длительностями on- и off-состояний ton и toff. Анализиро-

валось отношение ton/toff при непрерывном и регулярно прерывающемся наблюдении. Было

получено распределение отклонений ton/toff при прерывающемся наблюдении относительно

непрерывного. Показано, что при увеличении общего времени наблюдения вероятность заре-

гистрировать большое отклонение стремится к нулю. Исследована зависимость распределе-

ния отклонений от общего времени наблюдения и от длительности пауз.

Проведено сравнение с экспериментом по мерцающей флуоресценции одиночных мо-

лекул в полимерной матрице [1] и квантовых точек.

[1] I.S. Osad’ko, A.V. Naumov, I.Yu. Eremchev, Yu.G. Vainer, L. Kador, Phys.Rev.A 86 (2012)

053802.

MULTI-ENERGY X-RAY SOURCE BASED ON PLASMA IGNITION IN CUSO4 CRYS-

TAL BY FEMTOSECOND LASER

I.A. Zhvaniya, V.M. Gordienko, I.A. Makarov, A.A. Garmatina, T.A.Semenov

Faculty of Physics and International Laser Center M.V. Lomonosov Moscow State University, Mos-

cow, Russia


Interaction of femtosecond laser pulses of intensity above 1015

W/cm2 with solid target is

accompanied with high-temperature dense plasma formation. The plasma is a source of K-line X-

ray radiation with ultra-short duration and narrow energy spectrum in a range of 0,05-8 keV (the

radiation of elements with atomic numbers up to 29, i.e., Cu). X-ray lines can be used in various

tasks including the X-ray diffraction analysis - investigation the dynamics of ultrafast phase transi-

tions and control of the crystal lattice [1]; plasma diagnostics (including fusion plasma) with high

temporal resolution [2]. If the source contains two X-ray lines which correspond to the different en-

ergies it can be used in densitometry tasks.

We propose to use CuSO4 crystal to develop double-energy X-ray source. The crystal con-

tains atoms of sulfur and copper with K-line energy 2.3 keV and 8 keV correspondingly.

In this paper, we discuss experiments on the generation of X-rays when the microchannel is

formed in CuSO4 crystal by a sequence of intense (~1015

W/cm2) femtosecond laser pulses. Choose

of the experimental conditions is based on our previous experiments [3] where we have found that

under microchannel production in a target by a sequence of intense (~1016

W/cm2) femtosecond la-

ser pulses, yield of the X-ray radiation increases. We show in this paper that X-ray spectrum from

CuSO4 contains two K-lines (of sulfur and copper). We discuss the possibility of creation of mono-

energetic source based on polyatomic target (for instance, CuSO4 crystal) by filtration of X-rays and

varying laser intensity. The problem of X-ray yield optimization is also discussed, actually the in-

fluence of focusing accuracy on X-line contrast (ratio of line amplitude to the amplitude of

brehmsstralung radiation). In addition we show the results of comparative experiments on K-line X-

ray generation under laser interaction with copper target.

[1] Sokolowski-Tinten K. and Von Der Linde D., Ultrafast phase transitions and lattice

dynamics probed using laser-produced x-ray pulses // J. Phys. Condens. Matter, vol. 16, no.

49, pp. R1517–R1536, 2004.

[2] Kritcher A. L., Neumayer P., Urry M. K., Robey H., Niemann C., Landen O. L., Morse E.,

Glenzer S. H. K-alpha conversion efficiency measurements for X-ray scattering in inertial

confinement fusion plasmas // High Energy Density Phys., vol. 3, no. 1–2, pp. 156–162,

2007.

[3] Gordienko V. M., Zhvaniya I. A., Khomenko A. S. Dynamics of plasma production and

harmonic generation under microchannel drilling in solid target by intense femtosecond laser

// SPIE proc., vol. 7994, p. 79940P–79940P–7, 2010.

ИССЛЕДОВАНИЕ ТРИБОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ НАНОСТРУКТУРИРОВАН-

НЫХ НИТРИДНЫХ И АЛМАЗОПОДОБНЫХ ПОКРЫТИЙ

Кононов Д.М., Фролов Д.А., Беляев Л.В.

Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая

Григорьевича Столетовых, Владимир, (4922) 479-811, [email protected]

Наноструктурированные покрытия, обладающие минимальным коэффициентом тре-

ния, представляют особый интерес в плане практического использования в инструментах для

высокоскоростной механической обработки, в парах трения исполнительных механизмов и

подвижных опор, в эндопротезах и изделиях медицинской техники. Указанные области при-

менения характеризуются различными условиями эксплуатации изделий: наличием смазоч-

но-охлаждающей жидкости, сухим или жидкостным характером трения, а так же различны-

ми требованиями по толщине и твердости наносимых покрытий. В литературе встречаются

противоречивые сведения о фрикционных характеристиках таких покрытий, что делает не-

возможным их полноценное индустриальное использование в готовых изделиях, поэтому

экспериментальные исследования таких покрытий с использованием зарубежных стандартов

являются актуальными и практически значимыми.

Для сравнительных экспериментов были использованы нитридные и алмазоподобные

наноструктурированные покрытия (AlSiCr)C:H; (AlSiTi)C:H; (AlSiCr)N; (AlSiTi)N, получен-

ные методом магнетронного распыления металлов в вакууме на установке UNICOAT 600 SL

(НПФ «Элан-Практик», г. Дзержинск), нанесенные на диск (Ø 20 х 5 мм) из стали 40 Х.

Толщина, нанесенных покрытий, определялась по известной методике с применением

толщиномера CALOTEST INDUSTRIAL компании CSM Instruments (Швейцария) и состави-

ла 3,7 – 4 мкм.

Испытания по индентированию проводились на микро-комби-тестере фирмы CSM

Instruments с применением алмазного индентора Виккерса. Испытания проходили по сле-

дующей методике: 1) закрепление испытуемого образца на приборе; 2) задание основных на-

строек режима индентирования; 3) проведение индентирования; 4) анализ результатов. Для

каждого образца выполнялась серия испытаний с целью определения следующих парамет-

ров: инденторная твердость (Hit), инденторный модуль упругости (Eit), твердость по Виккер-

су (HV). Результаты измерений представлены ниже.

Измеряемая величина (AlSiCr)N (AlSiTi)N (AlSiCr)C:H (AlSiTi)C:H

Hit, ГПа 39 43 24.9 21.31

Eit, ГПа 375 373 200 160.5

HV 3700 4057 2353 2012

Трибологические испытания полученных образцов проводились на трибометре фир-

мы CSM Instruments (Швейцария) определялись коэффициенты сухого трения и при нахож-


дении образцов в масленой среде. Методика проведения трибологических испытаний образ-

цов включала следующие этапы: 1) выбор движения совершаемого испытуемым образцом,

(вращательное или возвратно-поступательное); 2) установка испытуемого образца на под-

вижном столике; 3) наладка подвижной штанги и закрепление на ней вращающегося шарика-

индентора; 4) установка параметров испытания (материал, скорость движения образца, уси-

лие прижатия шарика, температура окружающей среды, время испытания и т.д.); 5) проведе-

ние испытаний; 7) получение графиков зависимости коэффициента трения от пройденного

пути, и нагрузки. Испытания проводились при следующих параметрах: движение - враща-

тельное; радиус следа - 5,73 мм; линейная скорость перемещения контр-тела - 20 см/сек; на-

грузка - 10 Н; контр-тело - шар диаметром 6 мм. из стали ШХ15.

Графики изменения коэффициента трения на примере покрытия покрытием (AlSiCr)N

представлены на рисунке. Для остальных исследуемых образцов были получены аналогич-

ные графики по описанной методике. Средние значения коэффициента трения приведено в

таблице.

Образец с покрытием (AlSiCr)N

Сухое трение Трение в масле

Испытуемый материал Значение коэффициента трения

Сухое трение Трение в масле

(AlSiCr)N 0,741 0,017

(AlSiTi)N 0,594 0,03

(AlSiCr)C:H 0,067 0,099

(AlSiTi)C:H 0,137 0,051

Анализ результатов проведенных исследований показал, что нитридные покрытия

(AlSiCr)N и (AlSiTi)N обладают более лучшими твердостными характеристиками чем алма-

заподобные покрытия (AlSiCr)C:H и (AlSiTi)C:H и имеют более высокий коэффициет сухого

трения.

МАТЕМАТИЧЕКСОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И ИССЛЕДОВАННИЕ ЭЛЕКТРОПРО-

ВОДНОСТИ ОСТРОВКОВЫХ МЕТАЛЛИЧЕЧСКИХ И ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ

ПЛЕНОК

Бухаров Д.Н.


Григорьевича Столетовых, г. Владимир


Для достижения высоких скоростей конструирования материалов с наперед заданны-

ми свойствами необходимы нанотехнологии, основанные на массовом зарождении, быстром

росте базовых элементов и их самоорганизованной сборке в мультиструкутрные наносисте-

мы. В связи с этим актуальным становится компьютерное моделирование процессов полу-

чения, организации и самоорганизации наноматериалов.[1]

В данной работе рассматривается физическое и математическое моделирование ост-

ровковой пленки и теоретическое исслеование ее электропроводности.

Предлагаемая диффузионная модель роста поверхностей тонких пленок реализется в виде

двумерного клеточного автомата с окрестностью Мура.

Вероятность pij диффузии частицы в соседнюю точку [i, j] определяется по формуле:

(1)

где ρ — нормирующий коэффициент, обеспечивающий равенство единице суммы вероятно-

стей; α — коэффициент, зависящий от осаждаемого материала; k — постоянная Больцмана;

T — температура, Гij(t) — коэффициент, зависящий от толщины поверхности h в точке [i, j] и

ближайших к ней точек:

,

где

1, +1)2).

Вероятности вычисляются для каждой частицы по формуле (1) для собственной точки

осаждения [i, j], и восьми соседних точек [i ± 1, j ±1].[3]

Моделировались поверхности пленок металлов для расчетной области L=64 отн. ед.,

при скорости осаждения F=100 монослой/шаг, осажденных при различных температурах на

гладкую подложку, из которых очевидно, что высота неоднородностей (шероховатость) по-

верхности возрастает при увеличении температуры. Учитывая зависимость шероховатости

поверхности от температуры и времени осаждения, представляется возможным получать

расчетные поверхности тонких пленок с заданной морфологией.


Моделирование островка нанопленки реализуется в DLA приближении , при варьиро-

вании начальной концентрации и вероятности слипания частиц в рамках окрестности фон

Неймана.[4]

Расчетная область выбиралась размером 150 на 150 отн. ед, генерировалось 105 час-

тиц, «величина область зарождения» принималась как 100 отн.ед, а «агрегации» 50 отн. ед.

Структура смоделированных фрактальных островков существенно зависит от величи-

ны вероятности прилипания. Чем выше вероятность прилипания, тем более разветвленной

образуется фрактальная структура, что подтверждается величинами фрактальной размерно-

сти. Фрактальная структура разветвляется наружу вследствие того, что частице сложнее уйти

во вне не столкнувшись с покоящимися частицами. Так же с увеличением вероятности при-

липания уменьшается фрактальная размерность, фрактальная структура стремится к линии

(фрактальная размерность линии 1). Обратно - фрактальная структура стремится к плоско-

сти (фрактальная размерность плоскости 2). С другой стороны с уменьшением вероятности

прилипания движущаяся частица может диффундировать глубже внутрь фрактальной струк-

туры, что позволяет моделировать островки «круглой» формы.

В данной работе рассчитывались вольт-амперные характеристики туннельного тока в

приближении Зоммерфельда–Бете–Холма [2] при следующих допущениях: форма барьера

выбиралась трапецеидальная(не учитываются силы электрического изображения); электри-

ческое поле в вакуумном зазоре однородное; функция Ферми – Дирака рассчитывается при

нуле Кельвина в случае малых и больших напряжений.

В наших расчетах напряжение U варьировалось от 10-8

до 10-5

В, величина барьера S

составляла 5 нм. Расчётная сила тока I принимала значения из диапазона от 10-8

до 10-6

А,

что вполне отвечает экспериментальным значениям. Выявлено, что для малых напряжений

имеет место линейная зависимость между силой тока и напряжением.

Также было рассмотрено влияние температуры на величину туннельного тока. Темпе-

ратура варьировалась от 350 до 650 К Было установлено, что температура практически не

влияет на силу тока.

В следствие того, что тонкая островковая пленка наносилась на стеклянную подложку

было рассмотрено влияние подложки на величину силы туннельного тока в приближении

Хилла [2] при температуре из диапазона 350 … 650 К. Из проведенного расчёта следует то,

что при участии подложки величина туннельного тока возрастает.

Вторая компонента тока, определяющая электропроводность островных пленок – ток термо-

электронной эмиссии. Значение тока термоэлектронной эмиссии в вакуум при температуре Т

определяется формулой Ричардсона – Дэшмана[2]. Туннельные токи преобладают при низ-

ких температурах и малых зазорах, термоэлектронная эмиссия преобладает при повышенных

температурах в области больших зазоров [ 2].

Список литературы

1. Безносюк С.А., Лерх Я.В., Жуковская Т.М. Компьютерное моделирование самооргани-

зации фрактальных кластерных нанодендритов// ПОЛЗУНОВСКИЙ ВЕСТНИК №4-1

2005 c 143-151

2. Смирнова К.И. Тонкие пленки в микроэлектронике: Учебное пособие. – Томск: Томский

государственный университет систем управления и радиоэлектроники, 2007. –94 с.

3. Чернов П. С., Модель роста поверхности тонких пленок материалов / П. С. Чернов, В. А.

Васильев // Инновационные технологии. – Ульяновск: УлГУ. – 2010. – № 3. – С.42–50.

4. Andre Offringa Diffusion Limited Aggregation. Режим доступа:

http://www.astro.rug.nl/~offringa/Diffusion%20Limited%20Aggregation.pdf

NONLINEAR TRANSPORT AND OPTICS OF ELECTRONS IN GRAPHENE

M.M. Glazov

Ioffe Physical-Technical Institute of the Russian Academy of Sciences, St.-Petersburg, Russia

Graphene, a monolayer of carbon atoms arranged in a hexagonal lattice demonstrates fasci-

nating transport and optical effects. Many phenomena in this material stem from the linear, Dirac-

like, dispersion of electron energy realized in the vicinity of Brillouin zone edges compared with

parabolic dispersion in widespread semiconductors.

The talk is aimed at a review of nonlinear transport and optical phenomena in this material.

The special emphasis will be paid to the second and third harmonics generation as well as to the dc

current generation under illumination of graphene by a polarized light. The mechanisms of the non-

linear response and its enhancement in graphene compared with conventional semiconductors are

discussed.

Outline of the talk:

1. A brief introduction in the energy spectrum of electrons in graphene. «Massless Dirac fermions».

2. Nonlinear transport and optical effects. Phenomenology based on the symmetry.

3. Microscopic models: dynamic Hall effect, chiral edge photocurrents, photogalvanic effect.

4. Comparison with experiments.

5. Conclusions

References:

[1] M.M. Glazov, S.D. Ganichev, High frequency electric field induced nonlinear effects in

graphene, Physics Reports 535, 101-138 (2014).

[2] J. Karch, P. Olbrich, M. Schmalzbauer, C. Zoth, C. Brinsteiner, M. Fehrenbacher, U.

Wurstbauer, M. M. Glazov, S. A. Tarasenko, E. L. Ivchenko, D. Weiss, J. Eroms, R. Yakimova, S.

Lara-Avila, S. Kubatkin, and S. D. Ganichev, Dynamic Hall Effect Driven by Circularly Polarized

Light in a Graphene Layer, Phys. Rev. Lett. 105, 227402 (2010).

[3] Chongyun Jiang, V. A. Shalygin, V. Yu. Panevin, S. N. Danilov, M. M. Glazov, R. Yakimova,

S. Lara-Avila, S. Kubatkin, and S. D. Ganichev, Helicity-dependent photocurrents in graphene lay-

ers excited by midinfrared radiation of a CO2 laser, Phys. Rev. B 84, 125429 (2011).

[4] J. Karch, C. Drexler, P. Olbrich, M. Fehrenbacher, M. Hirmer, M. M. Glazov, S. A. Tarasenko,

E. L. Ivchenko, B. Birkner, J. Eroms, D. Weiss, R. Yakimova, S. Lara-Avila, S. Kubatkin, M.

Ostler, T. Seyller, and S. D. Ganichev, Terahertz Radiation Driven Chiral Edge Currents in

Graphene, Phys. Rev. Lett. 107, 276601 (2011).

[5] M.M. Glazov, Second Harmonic Generation in Graphene, JETP Letters 93, 366-371 (2011).

СТРУКТУРИРОВАНИЕ ПОВЕРХНОСТИ НЕРЖАВЕЮЩЕЙ СТАЛИ ФЕМТОСЕ-

КУНДНЫМ ЛАЗЕРНЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ

Абрамов Д.В., Аракелян С.М., Герке М.Н., Кочуев Д.А., Прокошев В.Г., Хорьков К.С.



[email protected], 8(4922)47-97-96

Структурирование поверхностей материалов лазерным изучением позволяет изменять

механические, электрофизические и физико-химические свойства. Одним из эффективных

способов изменения оптических свойств материала является нано- и микроструктурирование

поверхности фемтосекундным лазерным излучением для увеличения поглощательной спо-

собности твердых тел [1-3]. Вследствие филаментации фемтосекундного лазерного излуче-

ния произведена модификация поверхности с образованием микроконусов.

Изменение пространственного профиля пучка, вследствие зависимости показателя

преломления среды от интенсивности излучения, приводит к формированию динамически

высокоинтенсивных структур, устойчивых к возмущениям на протяженном участке – фила-

ментам. Образование филаментов в малом объеме фокальной перетяжки обусловлено дейст-

вием керровской самофокусировки и нелинейности самонаведенной лазерной плазмы, огра-

ничивающей коллапс пучка. Обобщение и взаимосвязь явлений, сопутствующих филамента-

ции, является сложной задачей для данного не до конца изученного процесса [4].

В качестве основного источника лазерного излучения использовалась фемтосекундная

Ti:Sapphire лазерная система, имеющая следующие параметры: длина волны 800 нм, дли-

тельность импульса излучения 50 фс, частота повторения импульсов 1 кГц, энергия в им-

пульсе порядка 1 мДж. Эксперименты проводились по схеме, приведенной на рис. 1, при фо-

кусировке лазерного излучения в отдельное пятно, а также в режиме сканирования по по-

верхности. Лазерное излучение проходило через стеклянную пластину, установленную вбли-

зи фокуса. При этом на экране наблюдалась коническая эмиссия. Мишень устанавливалась в

фокусе лазерного излучения.

Рис. 1. Геометрия эксперимента: 1 – Ti:Sapphire лазерная система, 2 – фокусирующий объек-

тив гальваносканатора, 3 – стеклянная пластина, 4 – экран, 5 – образец


Сканирование лазерным излучением по поверхности образца нержавеющей стали

(SS304) осуществлялось при различных скоростях (от 1 мм/с до 1000 мм/с). Обработка осу-

ществлялась таким образом, что обеспечивалось перекрытие сфокусированного лазерного

пучка (80 мкм) при каждой последующей линии сканирования (рис. 2).

Рис. 2. РЭМ-изображения области воздействия лазерного излучения (λ=800 нм, τ=50 фс,

Pср=400 мВт, f=1 кГц) на нержавеющую сталь (SS304): а) скорость сканирования 1 мм/с,

б) скорость сканирования 10 мм/с

Образование филаментов высокой плотности мощности в нелинейном фокусе с диа-

метрами до нескольких микрометров является актуальной задачей лазерной микрообработки

поверхностей, в том числе формирования отверстий. Лазерное перфорирование и структури-

рование тонких металлических пластин может найти применение в фильтрующих системах,

матрицах, растровых микрооптических элементах.

Работа выполнена в рамках государственного задания ВлГУ № 2014/13 на выполне-

ние государственных работ в сфере научной деятельности, а также при поддержке в рамках

гранта Президента РФ для государственной поддержки ведущих научных школ № НШ-

89.2014.2 и гранта РФФИ № 14-02-97508.

Библиографический список

1. Завестовская И. Н. Лазерное наноструктурирование поверхности материалов //Квантовая

электроника. – 2010. – Т. 40. – №. 11. – С. 942-954.

2. Kiselev D., Woeste L., Wolf J. P. Filament-induced laser machining (FILM) //Applied Physics

B. – 2010. – Т. 100. – №. 3. – С. 515-520.

3. Tao H. et al. Formation of strong light-trapping nano-and microscale structures on a spherical

metal surface by femtosecond laser filament //Applied Physics Letters. – 2012. – Т. 100. – №. 20. –

С. 201111.

4. Кандидов В. П., Шленов С. А., Косарева О. Г. Филаментация мощного фемтосекундного

лазерного излучения //Квантовая электроника. – 2009. – Т. 39. – №. 3. – С. 204-227.

а

)

б

)

ФОРМИРОВАНИЕ ВОЛНОВОДНЫХ СТРУКТУР В ВЫСОКОПРОЗРАЧНЫХ ОП-

ТИЧЕСКИХ СРЕДАХ ОСТРОСФОКУСИРОВАННЫМ ЛАЗЕРНЫМ ФЕМТОСЕ-

КУНДНЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ

Абрамов Д.В., Герке М.Н., Кочуев Д.А., Прокошев В.Г., Хорьков К.С.

ВлГУ, Владимир

e-mail: [email protected] Тел.: 8-920-900-16-88

Одним из наиболее перспективных применений фемтосекундных лазеров в современ-

ной фотонике является создание трехмерных микро- и наноструктур в оптических стеклах

[1]. Воздействие лазерных импульсов достаточно большой интенсивности приводит к ло-

кальному изменению показателя преломления облученного участка стекла. Передача части

энергии импульса материалу осуществляется двумя путями. Во-первых, в результате погло-

щения энергии импульса и перехода части электронов из зоны проводимости в валентную

зону. Во-вторых, при лавинной фотоионизации электронного газа. Лавинную фотоиониза-

цию нужно рассматривать, как процесс поглощения энергии в точке воздействия лазерного

излучения на материал. Она ограничивается начальной концентрацией свободных электро-

нов, временем длительности импульса и интенсивностью лазерного излучения. Это явление

носит пороговый характер. При недостаточности одного из перечисленных параметров мо-

дификация структуры не происходит. Использование коротких импульсов позволяет упро-

стить управление этим процессом. Зная поперечный профиль распределения лазерного излу-

чения в области обработки и энергетический порог начала модификации среды, можно регу-

лировать объем модифицируемого материала и получать структуры размерами порядка де-

сятков нанометров путем регулирования мощности воздействия.

Волноводные структуры были сформированы в объеме высокочистого кварцевого

стекла с помощью иттербиевого фемтосекундного лазера ТЕТА-10. Структурные изменения

в стекле контролировались СЗМ «Integra Spectra». Считается, что именно структура ближне-

го порядка кристаллитов в стекле определяет показатель преломления [2,3]. Промышленно

производимое кварцевое стекло состоит преимущественную из α-кварца с тригональной

структурой решетки кристаллитов, которой соответствует пик D1 в спектре комбинационно-

го рассеяния (КР), как показано на рисунке 1а. В регистрируемых с обработанных фемтосе-

кундным лазерным излучением участком материала КР спектрах присутствует ярко выра-

женных пик D2, который соответствует β-кварцу с тетрагональной структурой решетки кри-

сталлитов (рисунок 1б).

Таким образом, можно утверждать об изменении соотношения четырех и трехчлен-

ных колец Si-O в объеме образца, что в свою очередь объясняет изменение показателя пре-

ломления обработанного участка материала.


а б

Рисунок 1. Спектры комбинационного рассеяния: а - исходный материал экспериментального образца, б - мо-

дифицированная область образца.

Фазовые переходы в кварцевом

стекле происходят в соответствии с фазо-

вой диаграммой, представленной на рисун-

ке 2 [4]. При воздействии фемтосекундного

лазерного излучения обеспечивается по-

вышение температуры, необходимое для

перехода материала экспериментального

образца от структуры α-кварца к структуре

β-кварца.




89.2014.2 и гранта РФФИ № 14-02-97508.

ЛИТЕРАТУРА

1. Ashkenasi D., Muller G., Bulgakova N. M. et al. Fundamentals and advantages of ultra-

fast microstructuring of transparent materials // Applied Physics A, 77. – 2003. – P. 223-228.

2. Chan J. W., Huser T. R., Risbud S. H. et al. Modification of the fused silica glass network

associated with waveguide fabrication using femtosecond laser pulses // Applied Physics A, 76. -

2003. - P. 367-372.

3. Chan J. W., Huser T. R., Risbud S. H. et al. Structural changes in fused silica after expo-

sure to focused femtosecond laser pulses // Optics Letters, 26 (21) – 2001. – P. 1726-1728.

4. С.В.Немилов. «Оптическое материаловедение: Оптические стекла». СПб: СПбГУ

ИТМО, 2011 г. - 175 с.

D2

D1

Рисунок 2. Диаграмма фазовых переходов

в кварцевом стекле.

NON-RESONANT OSCILLATORY MODE FOR SURFACE RESEARCH AT

NANOSCALE

С.И. Леесмент1, С.Н. Магонов

2, И.М. Маловичко

1

1 ЗАО «НТ-МДТ», Москва, Зеленоград

2NT-MDT America Inc.

Тел.:+7 903 963 4368, e-mail: [email protected]

Abstract

Tip-sample force interactions in Atomic Force Microscopy (AFM) provide access to surface

profiles and local measurements of mechanical and electromagnetic properties. Continuous devel-

opment of AFM instrumentation and the introduction of new modes and applications expand the

capability of this method, particularly, in quantitative analysis of materials properties at small

scales. Recent discoveries from AFM-based measurements of local mechanical and electromagnetic

response with usage of non-resonance oscillatory approach implemented in Hybrid mode are dis-

cussed and illustrated by examples obtained on different samples. The essential issues of such stud-

ies related to application range and quantitative data analysis are discussed.

Introduction

Atomic force microscopy (AFM) [1] is broadly applied for high-resolution visualization of

surfaces and studies of local materials properties. For many years resonant oscillatory mode imple-

mented in Amplitude Modulation (AM) or Frequency Modulation regimes has been a dominant

choice for AFM studies. The probe at its resonance is very sensitive to the tip-sample interactions

but is nonlinear making the conversion of the amplitude and frequency changes to the tip-force and

sample deformation and, finally, to quantitative mechanical properties quiet challenging and has not

yet been accomplished. This situation leaves room for another oscillatory mode, in which the probe

and the sample are brought into intermittent contact at frequencies below the resonances of the

piezo-scanner and the probe. In this configuration thousands of force curves are measured each se-

cond. This approach is applied for surface profiling and direct mechanical studies. Being imple-

mented by NT-MDT Co. this non-resonant oscillatory mode was called Hybrid mode bringing a

new tool for investigation of surface morphological and mechanical properties with high spatial

resolution.

Hybrid and AM Modes Comparison

The question of applicability of Hybrid in comparison with the conventional AM mode to

the morphological imaging of soft samples was considered to be of high importance. Starting with

visualization of DNA molecules on mica, AFM examination of single macromolecules of biological

and synthetic origin provides unique data about molecular dimensions, conformation, branching and

other structural features of these objects. In this respect, the use of HD mode is quite valuable as

seen from visualization of brush-like poly (n-vinyl acrylate) macromolecules with side chains

(Fig.1).

Fig. 1. AFM images PBA brushes obtained in the AM mode (a) and in the HD mode (b). Corre-

sponding topography profiles (c). Sample courtesy of Prof. S. Sheiko (UNC)

While the AM Mode visualizes the topography of the soft chains, HD Mode shows the internal

structure of the molecules.

Mechanical Properties Mapping

Force curves measurement which is done simultaneously with the topography tracking in

HD Mode allows the online and offline mapping of sample elastic modulus and work of adhesion.

Big range of samples including polymer blocks, biological objects and metals with known

macromechanical properties were investigated applying mechanical contact models [2-3]. Achieved

results showed the good correspondence on the bulk materials with known values. From the other

side, the considerable effect of substrate influence was mentioned on thin films. Some samples

showed viscoelastic behavior which requires the further development of calculation apparatus.

Conclusions

The value of the Hybrid mode, in which the probe deflection is applied for measurements of

sample topography and on-line mapping of sample properties including elastic modulus and work

of adhesion, is discussed. The comparison of this mode with commonly used amplitude modulation

mode shows that the modes complement each other in the comprehensive nanoscale analysis of ma-

terials.

References

1. G. Binnig, C. F. Quate, and Ch. Gerber “Atomic force microscope” Phys. Rev. Lett. 1986, 56,

930–933.

2. B.V. Derjaguin, V.M. Muller, and Y.P. Toporov, 1975, Effect of contact deformations on the ad-

hesion of particles, Journal of Colloid and Interface Science, 53(2), pp. 314-326.

3. K. L. Johnson and K. Kendall and A. D. Roberts, Surface energy and the contact of elastic solids,

Proc. R. Soc. London A 324 (1971) 301-313.

PLASMON-MEDIATED COUPLING OF SELF-ASSEMBLED INAS/ALGAAS QDS IN

HYBRID METAL-SEMICONDUCTOR STRUCTURE GROWN BY MBE

A.A. Lyamkina1,2

, S.P. Moshchenko1

1 Rzhanov Institute of Semiconductor Physics, 630090 Novosibirsk, Russia

2 Russian Quantum Center, Novaya St. 100, Skolkovo, 143025 Moscow, Russia


Efficiency increase and control of optical properties of quantum emitters is a challenge in

modern nanotechnology. Quantum dots (QDs) have received much attention because they are key

elements for diverse advanced devices such as single photon source etc. An efficient approach is to

use metal nanoparticles as nanoantennas for QDs. It is well known that under the effect of light the

oscillations of the electron density near the metal-dielectric interface can be excited in the form of

localized surface plasmons. The local enhancement of the plasmon electrical field near the particle

can modify the dynamics of recombination in the underlying QD. Such coupling of solid-state sem-

iconductor QDs with metal particles could provide a novel platform for optoelectronic devices. In

this work we experimentally investigate hybrid metal-semiconductor structures with InAs/AlGaAs

QDs focusing on interactions between plasmons supported by metal particles and QDs excitons.

To realize the coupling we propose to use the ensemble of metal droplets that are the initial

stage of the droplet epitaxy. It is a promising technique of QD fabrication based on preliminary

formation of metal droplets on the substrate [1] and thus its initial stage can be used for metal parti-

cle fabrication. It is known that QDs layers grown close enough tend to align vertically and form

stacks due to the distribution of elastic tension in the matrix [2]. The substitution of an upper layer

of QDs with droplets should lead to the same self-alignment i.e. the formation of a droplet just over

a QD. Despite of a random position of the pair, such approach fixes the distance between QD and

droplet and therefore allows controlling their interaction precisely by adjusting the buffer layer

thickness. The important advantage of this method is the full compatibility with the MBE technique

used for QD growth.

To investigate the interaction of plasmons in the droplet with excitons of QDs, we grew a

structure containing a layer of buried InAs/AlGaAs QDs with indium droplets on top (the MD

structure). A reference sample with the same structure but a QD layer on top was grown (the QD

structure). PL spectrum of the QD structure demonstrates only the wide peak corresponding to QDs

(Fig. 1a). In the spectrum of MD structure this peak is accompanied by an additional narrow one

which we attribute to the interaction of QD excitons with the plasmon mode of the droplet. Perfect

agreement in QD peak positions of both structures additionally confirms the identity of the growth

conditions.

Fig.1 Spectra of QD and MD structures shown in black and grey respectively; b) AFM images of

MD (upper) and QD (lower) structures with sizes 10x10 μm and 1x1 μm respectively

The presence of the additional peak can be explained with the interaction of QD excitons

with the plasmon mode of the droplet. Droplets nucleate selectively over large QDs due to larger

elastic stress resulting in stronger interaction of a plasmonic mode with excitons in large long-

wavelength QDs. According to AFM analysis of images presented in Fig1b there are around 15

QDs underneath each metal droplet. Via plasmon-mediated mechanism [3] the excitation can be

efficiently transmitted nonradiatively from the subensemble of QDs located under the droplet to the

largest QD that possesses the lowest radiative life time [4]. This would result in the enhanced PL

signal for long-wavelength QDs in agreement with the experimental results showed on Fig.1.

Thus we demonstrated long-wavelength PL enhancement in the all-MBE hybrid metal-

semiconductor structure. The results obtained can be explained within the proposed model of plas-

mon-mediated energy transfer in the QD subensemble.

The work was supported by the RFBR (13-02-00959). AAL acknowledges the financial

support via RF president scholarship (SP-805.2013.3).

References

1. N. Koguchi, S. Takahashi and T. Chikyow, J. Cryst. Growth 111, 688 (1991).

2. V.A. Shchukin, D. Bimberg, V.G. Malyshkin, N.N. Ledentsov, Phys. Rev. B 57, 19 (1998).

3. V.N. Pustovit, A.M. Urbas, and T.V. Shahbazyan, Phys. Rev. B 88, 245427 (2013).

4. S. Stobbe, J. Johansen, P. T. Kristensen, J. M. Hvam, and P. Lodahl. Phys. Rev. B 80, 155307

(2009).

INVESTIGATION OF LASER-INDUCED HYDRODYNAMIC PROCESSES AT LASER

HEATING OF METALS IN LIQUID

A. Antipov1, S. Kutrovskaya

1, E. Makhalova

1, A. Osipov, T. Itina

2

1Department of Physics and Applied Mathematics, Stoletovs’ Vladimir State University,

Gorky st. 87, Vladimir, 600000 Russia

Phone: +7(4922) 479621

Fax: +7(4922) 333369

e-mail: [email protected] 2

Hubert Curien Laboratory Bat. F, 18 rue Benoit Lauras, 42000, Saint-Etienne, France tatia-

[email protected]

Laser ablation in liquids is a perspective method of forming nanoparticles. Morphologies

properties of the nanoparticles are producing during the laser ablation of solids in liquids, depend-

ing on many parameters (laser wavelength, pulse duration, the energy density of the beam on the

target, a kind of fluid, etc.). Short and ultrashort pulse duration lasers are usually used for the mate-

rial ablation. In this case the cluster formation processes is significantly enhanced, at the same time

to the material ejection mechanism in the liquid volume the shock waves action is added, which

changes the distribution function of particles size. Furthermore laser ablation by nanosecond pulse

duration melts target surface, which leads to emission in the volume of the colloid liquid droplets of

the melt. When the femtosecond laser radiation is used a significant effect on the particle distribu-

tion function has a secondary fragmentation of particles. Due to the interaction of laser radiation

with a liquid supercontinuum is observed which leads to the effective absorption of laser radiation

which is realized for the particles with different diameters.

The paper presents the results of investigation of the formation of noble metal nanoparticles

when irradiated to continuous/quasi-continuous laser radiation of moderate intensity of metal tar-

gets (Au, Ag) placed in the liquid. By using diagnostic system - "laser monitor" of laser -induced

gas- hydrodynamic processes studied in real-time scale. The formation of convective flows and the

formation of gas bubbles were observed. The dependence of the particle sizes on the conditions of

laser radiation and selection of the liquid phase is demonstrated.

Figure 1. Images by “laser monitor” demonstrated the process of the gas bubble formation in glycerin by irradiation of

ms-laser radiation with pulse duration 20ms and energy 0.5J




LASER-INDUCED DEPOSITION OF HYBRID PLASMONIC NANOSTRUCTURES FOR

SERS ANALYSIS

Povolotckaia A., Povolotskiy A., Kireev A., Manshina A.

Saint-Petersburg State University, Saint-Petersburg, Russia

[email protected]

Creation of composite nanoparticles (NPs) with controllable properties is one of the key

tasks of modern science and technology, which determines the rate and directions of further pro-

gress in chemistry, surface science, spectroscopy, catalysis, sensing technologies, etс. Hybrid mate-

rials like metal-dielectric NPs (composites, nanotubes, multilayer films) especially metal-carbon

composites are now widely used because the combination of carbon with the metal NPs increases

functionality of these materials, due to plasmon effect of metal nanophase [1]. The most striking

example of metal NPs’ properties is the Surface-Enhanced Raman Scattering (SERS). SERS spec-

troscopy analysis have experienced fast progress in the last few decades since it was recognized as a

powerful tool in many research areas especially in biomedicine and toxin detection.

Metallic Au-Ag, Au-Cu nanoparticles (NPs) (1–5 nm) encapsulated into carbon nanospheres

(20–300 nm) were synthesized via laser-induced chemical liquid phase deposition method [2] from

solution of photosensitive organometallic complex [Au13Ag12(C2Ph)20(PPh2(C6H4)3PPh2)3](PF6)3

[3]. Nanoparticles were deposited from dichloroethane solution of the supramolecular complex onto

the surface of silica-based (microscope-cover) glass. The deposition of the nanoparticles on the sur-

face of the substrate was carried out with He-Cd laser (CW, λ=325 nm, P = 0.1 W/cm2). The SEM

photos of deposited NPs are presented on fig.1.

Figure 1 - SEM image of NPs prepared from dichloroethane solution, exposure time - 10 min.

Functional properties of the obtained NPs were studied with SERS. The SERS measure-

ments were performed using a Raman spectrometer Senterra equipped with confocal microscope.

SERS spectra were recorded at room temperature using excitation with helium-neon laser at 532 nm

and power 0.2 mW. The SERS activity of the obtained C-Au-Ag NPs was studied using solutions of

Rhodamine 6G (RH6G) in acetone. Figure 2 demonstrates a series of SERS spectra of R6G solu-

tions in the concentrations range 10-4

to 10-8

M. The as-prepared C-Au-Ag NPs were used as SERS

substrate. Highly intense peaks was observed for the solutions with the 10-4

and 10-5

M concentra-


tions, less intense bands were also detected at the RH6G concentrations as low as 10-7

and 10-8

M.

The observed detection limit of the RH6G concentration (10-8

M) fits well that one found for SERS-

optimized Ag dendritic nanostructures [4].

The SERS enhancement factor (EF) of the R6G solutions obtained using as-prepared NPs

was calculated with the formula reported by Gupta and Weimer [5] and found to be about 105.

Figure 2: SERS spectra of a series of RH6G solutions with the concentrations ranging from 10-4

to

10-8

M; inset: the dependence of peak intensity of Raman band (610 cm-1

) on R6G concentration in

logarithmic scale [2].

The work was financially supported by the Ministry of Education and Science of the Rus-

sian Federation in the framework of the Agreement №14.604.21.0078. Part of research carried out

by the equipment resource centers SPSU “Interdisciplinary Centre for nanotechnologies”and “Opti-

cal and laser methods of research material”.

References

[1] A. Shen, L. Chen, W. Xie, J. Hu, A. Zeng, R. Richards, J. Hu// Adv. Funct. Mater. 20,

969, 2010.

[2] A. Povolotskiy, A. Povolotckaia, Yu. Petrov, A. Manshina, S. Tunik, // Appl. Phys. Lett.

103, 113102, 2013.

[3] I. O. Koshevoy, Yi-Chih Lin, A. J. Karttunen, M. Haukka, Pi-Tai Chou, S. P. Tunik, T.

A. Pakkanen, // Chem. Commun., 2860–2862, 2009.

[4] Y. F. Chan, C. X. Zhang, Z. L. Wu, D. M. Zhao, W. Wang, H. J. Xu, X. M. Sun, “//

Appl. Phys. Lett. 102, 183118, 2013.

[5] R. Gupta, and W. A. Weimer// Chem. Phys. Lett., 374, 302, 2003.

NON-SEPARATED STATES FROM SQUEEZED DARK-STATE POLARITONS IN

ELECTROMAGNETICALLY-INDUCED-TRANSPARENCY MEDIA

You-Lin Chuang1,2

, Ite A. Yu

2, and Ray-Kuang Lee

1,2

1Institute of Photonics Technologies, National Tsing-Hua University, Hsinchu 300, Taiwan

2Department of Physics, National Tsing-Hua University, Hsinchu 300, Taiwan

Recently, experimental progresses include the slowing-down of squeezed vacuum pulse and

the storage of squeezed states for several micro seconds. Since the photon statistics of squeezed

light differs from the Poisson distribution, a full quantum theory for the storage and retrieval of

non-classical light is needed. Based on the perturbed quantum fluctuations, for quasi-continuous

wave inputs, EIT media become opaque for squeezed states, with an oscillatory transfer of the ini-

tial quantum properties between the probe and pump fields. The entanglement in quantum fluctua-

tion of electromagnetic fields is possible to be preserved or to be produced through an EIT medium.

Furthermore, through the picture of dark-state polaritons, quantum state transfer between optical

pulse and atomic polarization is clearly illustrated during the storage and retrieval process.

In addition to the quantum state transfer, in this work, we introduce squeezed dark-state

polaritons by the corresponding squeezed operator, and study the quantum correlation and entan-

glement of noise fluctuations in the quadrature components during the storage and retrieval process.

As one may expect, when the squeezing parameter r =0 (a coherent state), there is no quantum cor-

relation between probe field and atomic polarization; while a larger degree of squeezing parameter,

the stronger quantum correlation is established. In the contrary, inseparability criterion to guarantee

an entanglement state is satisfied only with a finite range of squeezing parameter. Extension to a

double-Λ configuration is also studied, in orde to reveal the conditions to have mutual entanglement

among the noise correlations of two probe fields, and one common atomic polarization. Our results

pave the way to implement the quantum interface between photon and atomic system.

References

[1] M. Fleischhauer and M. D. Lukin, Phys. Rev. Lett. 84, 5094 (2000).

[2] K. Honda, D. Akamatsu, M. Arikawa, Y. Yokoi, K. Akiba, S. Nagatsuka, T. Tanimura, A.

Furusawa, and M. Kozuma, Phys. Rev. Lett. 100, 093601 (2008).

[3] J. Appel, E. Figueroa, D. Korystov, M. Lobino, and A. I. Lvovsky, Phys. Rev. Lett. 100, 093602

(2008).

[4] P. Barberis-Blostein and M. Bienert, Phys. Rev. Lett. 98, 033602 (2007).

[5] Y.-L. Chuang and R.-K. Lee, Opt. Lett. 34, 1537 (2009).

LASING ON SURFACE STATES IN VERTICAL CAVITY SURFACE EMISSION LASERS

You-Nan Su1, Chun-Yan Lin

1, Ray-Ching Hong

1, Wen-Xing Yang

2, Chien-Chung Jeng

3, Tien-

chan Lu4, and Ray-Kuang Lee

1

1Institute of Photonics Technologies, National Tsing-Hua University, Hsinchu 300, Taiwan

2Department of Physics, Southeast University, Nanjing 210096, China

3Department of Physics, National Chung-Hsing University, Taichung 402, Taiwan

4Department of Photonics National Chiao-Tung University, Hsinchu 300, Taiwan

By state-of-the-art semiconductor technologies, micro-cavities have served as a controllable

platform to manipulate photons with small mode volumes and ultrahigh qualify factors. Through

the correspondence between classical and quantum waves, studies on the lasing modes in Vertical

Cavity Surface Emission Lasers (VCSELs) demonstrate an alternative way to attack the fundamen-

tal issues and problems in quantum chaos and statistical mechanics. In addition to the cavity modes

supported with periodic orbits, standing waves can exist at the edge of a truncated lattice potential,

known as Tamm state. As the electronic counterpart located at the interface separating periodic

crystalline lattice and homogeneous vacuum space, electromagnetic analogue, coined as optical

Tamm state, also exists at the termination of photonic lattices or periodic waveguide arrays. A vari-

ety of optical devices based on the Tamm structure have been demonstrated, with potential applica-

tions in optical filters, sensors, switchers, and absorbers. Without introducing any defect modes, in

this work we report experimental observation of lasing patterns as optical Tamm states by directly

collecting their near-field radiation intensities at room temperature. Even in the absence of metallic

materials, the measured optical Tamm states have the main peak in their intensity profiles located

outside the PhC layer, due to the reason that our surface micro-structure has a lower refractive in-

dex. Directly numerical simulations based on a 2D mode solver verify our experimental measure-

ment. With recent demonstration of optical edge states as topological insulators, the results shown

in our experimental observations and simulations provide an alternative but effective approach to

access surface modes in electrical pumped VCSELs.

References

[1] C.P. Jisha, Y.Y. Lin, T.-D. Lee, and R.-K. Lee, “Crescent waves in optical cavities,” Phys. Rev.

Lett. 107, 183902 (2011).

[2] K.-H. Kuo, Y.Y. Lin, and R.-K. Lee, “Thresholdless crescent waves in an elliptical ring,” Opt.

Lett. 38, 1077 (2013).

[3] Y. Su, C.-Y. Lin, R.-C. Hong, W.-X. Yang, C.-C. Jeng, T.-C. Lu, and R.-K. Lee, “Lasing on

surface states in vertical cavity surface emission lasers,” Opt. Lett. (in press, 2014).

LASER FORMATION OF COLLOIDAL ALLOYS AND DEPOSITION OF THE MICRO-

CLUSTERS ON THE GLASS SUBSTRATE

A. Antipov, S. Kutrovskaya, A. Kucherik, V. Toporovskiy

Department of Physics and Applied Mathematics, Stoletovs’ Vladimir State University,


Phone: +7(4922) 479621

Fax: +7(4922) 333369


Laser ablation of solid targets in the liquid medium widly used method for fabrication

nanostructures with various compositions such as metals, alloys, oxides, carbides, hydroxides, etc.

At the same time a great advantage of the method is the possibility to re-irradiate the suspended

nanomaterials that can be applied to further modify their size, shape, and composition. In the past

two decades, with the rise of nanoscience, laser ablation has been broadly applied and developed for

the synthesis of noble metal nanostructures such as gold (Au), silver (Ag), platinum (Pt) and palla-

dium (Pd) or their alloys. Bimetallic structures of these metals have improved physical and chemi-

cal stability and selectivity compared with isometric structures. The bimetallic complex is related to

change the optical properties, in particular transmission and absorption, depending on the nanopar-

ticles (NPs) size and composition. Separate direction of controlling the optical properties of such

nanostructures formation of clusters with variable morphology.

Promising method of obtaining bimetallic clusters is the laser formation of colloidal alloys.

In this work we used two different schemes of laser ablation in liquid (water, ethanol, etc.):

a) Au, Ag colloidal systems formation were obtained by CW-laser (λ = 1.06 μm, I ~ 106

W/cm2, t =10 min). (λ = 1.06 μm, I ~ 10

6 W/cm

2, t =10 min). Particle size in the colloidal solution

is approximately 8 nm. After that, two colloidal systems were mixed and NPs were deposited on the

SiO2 substrate by 2 different methods: LDNC and droplet deposition with pinning effect.

b) the Au target was irradiated by the fs-laser (λ = 1.06 μm, I ~ 1013

W/cm2, t=1 min), after

that, Ag-target was placed into the Au NPs colloidal system and irradiated. In the result, the colloi-

dal system with Au-Ag (100 nm) clusters was formed.

The morphological properties of deposited nano-clusters were investigated using atomic

force microscopy (AFM) and scanning electron microscopy (SEM). It was found that the transmis-

sion spectra of the resulting structures depend on the concentration of gold and silver nanoparticles

in the colloidal solution.


Figure 1. REM-images of deposited bimetal cluster (a) and Transmission spectra of deposited cluster for vari-

ous mass ration of Au and Ag particles in colloidal solution: 1- 1(Au):1(Ag); 2 -1:3;; 3 - 3:1.

ONE-DIMENSIONAL VAN HOVE POLARITONS

K.B. Arnardottir1,2,3

*, O. Kyriienko1,3

, M.E. Portnoi4,5

and I.A. Shelykh1,3

¹Science Institute, University of Iceland, Dunhagi-3, IS-107, Reykjavik, Iceland.

²Fysikum, Stockholms Universitet, S-106 91 Stockholm, Sweden

³Division of Physics and Applied Physics, Nanyang Technological University 637371, Singapore

⁴ School of Physics, University of Exeter, Stocker Road, Exeter EX4 4QL, United Kingdom

⁵ International Institute of Physics, Avenida Odilon Gomes de Lima, 1722, Capim Macio, CEP:

59078-400, Natal - RN, Brazil

*[email protected]

We studied the light-matter coupling of microcavity photon and interband transition in a

one-dimensional (1D) nanowire[1]. Due to the Van Hove singularity in the density of states, result-

ing in a resonant character of the absorption line, the achievement of strong coupling becomes pos-

sible even without the formation of a bound state of an electron and a hole. The calculated absorp-

tion in the system and corresponding energy spectrum reveal anti-crossing behavior characteristic to

the formation of polariton modes and can be seen in figure 1. Since these polaritons are a conse-

quence of the geometry of the system, they are quite robust against both temperature and electron-

electron interactions.

Figure 1. (a) An absorption plot showing polariton states formed by a microcavity photon and interband excitation in a

1D nanowire plotted for q corresponding to the anticrossing point. (b) The dispersion of elementary excitations in the

system. Both plots are for one quantum wire and a photon lifetime of = 10ps, which corresponds to = 0.4 meV. These

parameters yield a Rabi energy of = 1.7 meV.

References

[1] K.B. Anardottir et al. Phys. Rev. B 87, 125408 (2013)

RESONANT EMISSION AND DISPERSIVE WAVE MEDIATED INTERACTIONS OF

OPTICAL SOLITONS

A. Yulin

ITMO University 197101, Kronverksky pr. 49, St. Petersburg, Russian Federation

in collaboration with P. Russell, D. Skryabin, F. Biancalana, B. Malomed, M. Taki, R. Driben, L.

Gorjao (theory) and J. Knight, A. Efimov, N. Joly, F. Omenetto, A. Taylor (experiment)

In this talk we discuss Cherenkov, transitional and synchrotron radiations of optical solitons.

These effects result in the appearance of resonant radiation in front and/or behind the solitons and in

the growth of narrow lines in the spectra of the fields. The recoil of the radiation not only decreases

the intensities but also changes the frequencies of the emitting solitons.

Another important class of effects addressed in this talk is resonant scattering of dispersive

waves on solitons and new frequencies generation. Fig. 1 illustrates this process showing snapshots

of a soliton overlapped with a dispersive wave. It is seen that the radiation gets depleted behind the

soliton and new radiation appears in front of the soliton. Experimental (bottom row) and numerical

(top row) XFROG diagrams of the scattering are shown in the right part of Fig. 1.

Fig.1 Scattering of dispersive waves on a soliton, from PRE 72, 016619, 2005 and PRL 95, 213902,

2005. See the text and the papers for more details.

The resonant scattering can result in inter-soliton interaction mediated by the dispersive

waves, see Fig. 2 showing two propagating solitons (brighter stripes) with radiation trapped be-

tween them.

Fig.2 The dependencies of the intensities of the field (a) and its spectrum (b) on propagation dis-

tance, from Op.Ex. 14475, 2013. See the text and the paper for more details.

The effect of parametric amplification of the scattered waves is also discussed in the talk on

the example of dissipative solitons in fiber cavities. Special attention is paid to application of the

considered effects for generation of optical supercontinuum.

АППАРАТНО-ПРОГРАММНЫЙ КОМПЛЕКС ДИАГНОСТИКИ СОСТОЯНИЯ

КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ ПРОМЫШЛЕННОГО ДЕЙСТВУЮЩЕГО

ОБОРУДОВАНИЯ

Балиж Кирилл Сергеевич

ЗАО «Инструменты нанотехнологии», Зеленоград

тел.8-903-231-9294, e-mail [email protected]

Разработан мобильный аппаратно-программный комплекс (АПК) Солвер Пайп на ос-

нове атомно-силового микроскопа (АСМ) предназначенный для диагностики состояния кон-

струкционных материалов промышленного действующего оборудования методами скани-

рующей зондовой микроскопии, который позволяет выявлять возникновение дефектов мате-

риалов на ранних стадиях с нанометровым разрешением.

Развитие энергетики и повышение её эффективности – один из важнейших приорите-

тов экономики любой процветающей страны, который во многом определяется качеством

используемых материалов – временем их безотказной работы.

Многие преуспевающие страны в последние годы взяли курс на строительство энер-

гоблоков тепловых электростанций работающих при сверхкритических и суперсверхкрити-

ческих параметрах пара и давления. Типичный диапазон сверхкритических параметров – от

245 до 285 бар при температуре от 540 до 580 °C, а суперсверхкритическими считаются

станции, где рабочая среда циркулирует под давлением 280 бар при температуре 600 °C.

Наиболее опасным и непредсказуемым фактором выхода из строя промышленных агрегатов

работающих с теплоносителями в сверхкритическом и суперсверхкритическом состояниях

является ползучесть материала.

Пластическая деформация необратима и включает зависящие и независящие от вре-

мени компоненты. В целом, ползучесть относится к зависящему от времени компоненту пла-

стической деформации. Это означает, что ползучесть является медленной и непрерывной

пластической деформацией материалов в течение длительного периода времени под нагруз-

кой.

Рисунок 1. Кривая ползучести (медленной

деформации металла с течением времени

под воздействием постоянной нагрузки или

механического напряжения).

Во время эксплуатации промышленного оборудования, в целях обеспечения его без-

авараийной работы возникает 2 основные задачи:

1. Ранняя диагностика разрушений используемых материалов

2. Прогнозирование остаточного ресурса действующего оборудования

Существующие методы ранней диагностики состояния материалов способны регист-

рировать структурные изменения материала на таких стадиях, когда эксплуатация оборудо-

до A – 10% от времени жизни (life time)

A-В – 60%

B-С – 20%

C-D – 10%

Этапы идентификации дефектов:

Стандартные методы – D

АСМ – B-C

вания уже является потенциально опасной, что не позволяет снизить эксплуатационные рис-

ки до уровня, который можно признать безаварийным. В то же время атомно-силовая микро-

скопия является надежным и высокоточным методом, применяемым в промышленной диаг-

ностике. Ультравысокое разрешение АСМ позволяет осуществлять упреждающий контроль

состояния материалов и имеет значительные преимущества перед использующимися в на-

стоящее время диагностическими методами.

Метод атомно-силовой микроскопии используемый в АПК Солвер Пайп является не-

разрушающим. Регистрация особенностей структуры поверхности исследуемого образца

происходит с разрешением электронного и полем обзора оптического микроскопов. Но в от-

личие от электронного микроскопа сканирующий зондовый микроскоп не требует использо-

вания дорогостоящей и массивной вакуумной аппаратуры.

Кроме того, получаемое сканирующим зондовым микроскопом изображение пред-

ставляет собой 3-х мерный массив данных, цифровая обработка которого позволяет прямо на

месте рассчитать необходимые параметры структуры, определить средние размеры карбид-

ных фаз и размеры других структурных особенностей поверхности металла.

а б

Рисунок 2. АСМ-изображения структуры поверхности мартенситной стали марки Р-91.

а – состояние поставки, б - выделение карбидных фаз на асм-изображении поверхно-

сти образца стали с отработанным ресурсом 40%.

В совокупности, все эти факторы выводят дефектоскопию и диагностику состояния

материалов с использованием АСМ на качественно новый уровень. Прогнозирование оста-

точного ресурса оборудования ТЭС возможно, если оно будет опираться на данные микро-

структурного анализа. Использование высокоточного микроструктурного анализа, допол-

ненного цифровой обработкой изображений АСМ возможно с новым измерительным ком-

плексом Солвер Пайп, который устанавливается непосредственно на исследуемом участке

паропровода или турбины ТЭС.

ОПИСАНИЕ ПРОЦЕССА КРИСТАЛЛИЗАЦИИ ЧЕРЕЗ ФЛУКТУАЦИИ ТЕРМОДИ-

НАМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ

Бурцев А.А.1, Антонов Д.Н.

1, Бутковский О.Я.

1,2

1Владимирский Государственный Университет

им. А.Г. и Н.Г. Столетовых, 600000, Владимир, Россия 2Финансовый университет при Правительстве РФ (Владимирский филиал)

тел.: 8-920-915-28-65


В настоящее время считается, что наиболее перспективные технологии получения ор-

ганических и неорганических материалов с новыми ранее недоступными характеристиками

будут основываться на процессах самосборке наночастиц. Это обусловлено уникальными

характеристиками индивидуальных наночастиц, а также возможностью модификации формы

и свойств их поверхности для управления взаимодействием, определяющим в процессе са-

моорганизации архитектуру ансамбля наночастиц. Исследование процессов самоорганиза-

ции при кристаллизации из капли раствора и исследование структур, образующихся из не-

равновесного расплава, может развить и углубить существующие теоретические представле-

ния и открыть новые возможности в прикладных исследованиях.

Высыхающая капля наноразмерного объема представляет собой диссипативную

структуру в открытой системе, в изменяющемся объеме которой происходят процессы само-

организации растворенных веществ по мере испарения растворителя. Капля является реакто-

ром, в котором происходит физико-химический процесс кристаллизации или осаждения рас-

творенного вещества с образованием твердой фазы с определенной морфологией на подлож-

ке.

В данной работе проведены исследования процессов самоорганизации при кристалли-

зации раствора щелочи гидроксида натрия (NaOH) при высыхании капель разного объема на

стеклянной подложке. При ненасыщенном растворе морфология не зависит от объема (рис.

1). Наблюдается образование монокристалла.

Рис.1. Пример равновесной кристаллизации.

Рис.2. Кристаллизация перенасыщенного раствора. Размер капли порядка 1 мм (слева)

и порядка 100 мкм (справа).

В перенасыщенном растворе морфология полученных структур явно зависит от объе-

ма. При малом объеме раствора получаются гораздо более неравновесные системы, в кото-

рых можно наблюдать новые формы кристаллизации веществ.

При малом объеме исходного раствора для NaOH на стекле характерно выпадение в

виде небольших звездообразных кластеров, собранных на периферии. Аналогичные сложные

кристаллические структуры возникают при воздействии лазерного излучения на поверхность

металлов. Наибольший интерес вызывает то, что данные структуры (фрактальные кристал-

лы) и в случае раствора, и в случае расплава, распределены по краю капли или области воз-

действия лазера соответственно.

Теоретическое исследование многообразных процессов самоорганизации характери-

зуется единой тенденцией описания эволюционного развития некоторых событий исходя из

диссипативных уравнений движения в соответствующем фазовом пространстве. Эти уравне-

ния получаются варьированием некоторого классического действия, пропорционального ин-

вариантному по отношению к группе преобразований оператору эволюции изучаемой систе-

мы. С помощью теории неоднородных и нестационарных флуктуаций термодинамических

параметров в работе дано математическое описание процесса фазового перехода. Проанали-

зирована связь между получаемой морфологией и динамикой флуктуаций системы.


1. Алфимов М.В., Кадушников Р.М., Штуркин Н.А., Алиевский В.М., Лебедев-Степанов

П.В. // Российские нанотехнологии. – 2006. – Т. 1. - №1-2. – С. 127-133.

2. Андреева Л.В., Новоселова А.С., Лебедев-Степанов П.В., Иванов Д.А., Кошкин А.В.,

Петров А.Н., Алфимов М.В. // ЖТФ. – 2007. – V. 77. – No. 2. – C. 22-30.

3. Гладков С.О., Гладышев И.В. // ЖТФ. – 2001. – V. 71. – No.3. – C. 1-8.

4. Гладков С.О. // ЖТФ. – 2008. – V. 78. – No.7. – C. 136-139.

5. Климонтович Ю.Л. Статистическая физика, изд. 2-е — М.: УРСС, 2014.— 608 с.

EXCITED STATE DYNAMICS OF SUBSTITUTED TETRAPHENYLPORPHYRINS AND

THEIR ADDUCTS WITH FULLERENE

Pyshnyak M.G., Povolotskiy A.V., Mereshchenko A.S., Tver’yanovich Y.S, Shaytor I.V.,

Prolubnikov P. I., Levin O.V., Konev A.S., Khlebnikov A.F.

Saint Petersburg State University, Institute of Chemistry, Department of laser chemistry and mate-

rial science, Saint Petersburg, Russia

[email protected]

Nowadays supramolecular complexes become one of the most popular objects of modern

nanoscience, nanotechnology and organic optoelectronics. One of the main effect in these areas is

the photoinduced charge transfer. The effect of photoinduced charge transfer can be applied in

modern science and technology to create and develop the photovoltaic elements, semiconductor de-

vices, molecular wires and sensors [1-3]. In the development of photovoltaic devices are one of the

important characteristics is the lifetime of the charge separated state of supramolecular complexes.

The aim of the present work is to study the physicochemical properties of porphyrins and

their adducts with the fullerene and to explore the dependence of the substituents in the porphyrin

core in optical pumping.

During the investigation our research group studied the photochemistry of

tetraphenylporphyrin adducts with fullerene (Fig. 1) by means of time-resolved photoluminescence

and transient absorption spectroscopies upon excitation into Q-band of porphyrin.

Fig. 1. Tetraphenylporphyrin adducts with fullerene with different susbstituents in the

porphyrin core.

The results of the experiments show that the major relaxation pathways of the singlet elec-

tronic excited state are fluorescence into the ground state (lifetime 1.3 – 8.9 ns) and intersystem

crossing into the porphyrine-localized triplet exited state with lifetime of 3.6 – 7.4 µs. The E-type

delayed fluorescence originated from the porphyrine-localized triplet exited state was detected. The

lifetime of this state characterized a few microseconds. The relatively long lived triplet charge sepa-

rated state, which is probably originated from the porphyrine-localized triplet exited state, was re-

vealed (Fig. 2).


Fig. 2 Diagram of the electronic levels and transitions for the compound c.

In conclusion, we have demonstrated that the lifetime of this state depends on the substitu-

ents in the porphyrin core being up to 4 μs for a species with meso-(p-MeOC6H4) substituents. The

formation of charge separated state represents the key process in the transformation of solar energy

with the creation of the compounds with long lifetime of the charge separated state being among the

main targets in the development of the organic photovoltaic systems.

We gratefully acknowledge the financial support of the Russian Foundation for Basic Re-

search (Grant No. 14-03-00187) and Saint Petersburg State University (Grant No. 12.38.78.2012).

A.S.M. aknowledges Saint-Petersburg State University for the financial support (postdoctoral fel-

lowship #12.50.1562.2013). Flash photolysis, luminescence and UV/VIS absorption spectra were

measured at Center for Optical and Laser Materials Research, Saint-Petersburg State University.

References:

1. H. Imahori, T. Umeyama, K. Kurotobi, Y. Takano, Chem. Comm. 2012, 48, 4032-4045.

2. Sh. Fukuzumi, K. Ohkubo, Dalton Trans. 2013, 42, 15846-15858.

3. D. M. Guldi, Chem. Soc. Rev. 2002, 31, 22-36.

КОМБИНАЦИОННОЕ РАССЕЯНИЕ СВЕТА И ГЕНЕРАЦИЯ ВТОРОЙ ГАРМОНИ-

КИ В АНСАМБЛЯХ НАНОКОМПОЗИТОВ КАРБИДА КРЕМНИЯ

Соколов А.А.

Студент

Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, физический

факультет, Москва, Россия

тел. +7 985 335 9805, e-mail: [email protected]

В последнее время большое количество научных исследований посвящено формиро-

ванию новых полупроводниковых наноструктур, а также совершенствованию их электрон-

ных свойств. Особый интерес представляют нанокомпозитные среды на основе кремния и

карбида кремния различных политипов, которые являются многообещающим материалом

для подложек современных интегральных микросхем, микроэлектронных и оптоэлектрон-

ных устройств в силу их радиационной и механической стойкости, а также теплопроводящих

характеристик. Карбид кремния, по сравнению с кремнием, обладает большей шириной за-

прещенной зоны. Следует отметить перспективность данного материала в области солнечной

энергетики [1]. Весьма удобным для получения гетероструктур SiC различных политипов

является метод прямого ионного осаждения [2]. Данная технология обладает относительно

высокой скоростью роста структур от 0,4 до 1 мкм/мин в зависимости от температуры под-

ложки. Кроме того, получение некоторых политипов SiC в настоящее время возможно толь-

ко этим методом.

В настоящей работе был произведен анализ структурных свойств тонких пленок кар-

бида кремния кристаллической и пористой формы методами спектроскопии комбинационно-

го рассеяния света (КРС), а также была исследована генерация оптических гармоник в слоях

SiC для одних и тех же образцов. Спектры КРС были измерены на установке MicroRaman

LabRAM HR 800 Visible фирмы «Horiba Jobin Yvon». В качестве источника возбуждения ис-

пользовалось фокусированное излучение HeNe лазера на длине волны 633 нм и Ar лазера на

длине волны 488 нм. Регистрация сигнала КРС осуществлялась в геометрии обратного рас-

сеяния при нормальном падении. Накачка второй оптической гармоники осуществлялась из-

лучением с длиной волны 1176 нм, генерируемым в кристалле YVO4 в процессе вынужден-

ного комбинационного рассеяния при возбуждении излучением квазинепрерывного лазера

на кристалле YVO4:Nd (длительность импульса 10 пс, частота следования импульсов

550 кГц).

Структуры, исследуемые в данной работе, представляют собой пленки, полученные

методом прямого ионного осаждения на подложки кристаллического кремния или лейкосап-


фира при различных температурах подложки.1 Их толщины варьировались от 1 до 5 мкм.

Данные пленки были образованы нанокристаллами кремния и нанокристаллами карбида

кремния различных политипов в матрице аморфного кремния и/или карбида кремния. Также,

исследовался образец пористого карбида кремния, представленный в модификации 3C, по-

лученный посредством химического травления образца кристаллического карбида кремния.

Анализ образцов кристаллического карбида кремния методами спектроскопии комби-

национного рассеяния света показал, что для образцов, полученных при температуре под-

ложки свыше 1000C, в спектрах КРС был зарегистрирован пик 796 см-1

, соответствующий

кристаллам карбида кремния. Помимо этого, на спектрах всех образцов присутствовал пик

520 см-1

, соответствующий кристаллическому кремнию. Для этих образцов исследовалась

генерация оптических гармоник, и было замечено, что присутствие в спектре КРС пика на

частоте около 796 см-1

соответствует наличию сигнала второй гармоники (Рис. 1), при этом

наблюдается одновременный рост обоих сигналов. Таким образом, в работе продемонстри-

рована применимость метода генерации второй гармоники для диагностики формирования

нанокристаллов карбида кремния при прямом ионном осаждении пленок карбида кремния.

Для образца пористого карбида кремния было показано, что эффективность сигнала КРС,

при увеличении мощности накачки, растет быстрее, по сравнению с кристаллическим образ-

цом, на основе которого он сделан.

Рис. 1. Спектры КРС и сигналы ВГ для образца 7356.10

Литература

1. И.В. Миргородский, Л.А. Головань, В.Ю. Тимошенко, А.В. Семенов, В.М. Пузиков

“Люминесцентные свойства тонких нанокристаллических пленок карбида кремния,

изготовленных прямым ионным осаждением”, ФТП, том 48, вып. 6 (2014).

2. А.В. Семенов, А.В. Лопин, В.М. Пузиков, В.Н. Баумер, И.Н. Дмитрук “Получение ге-

тероструктур на основе нанокристаллических слоев политипов карбида кремния”,

ФТП, том 44, вып. 6 (2010).

1 Образцы были изготовлены в институте монокристаллов НАН Украины, г. Харьков

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ РАЗМЕРНЫХ ЭФФЕКТОВ

НА ПРОВОДИМОСТЬ МИКРОКОНТАКТОВ КЛАСТЕРНОГО ТИПА

Аракелян С.М., Антипов А.А., Кучерик А.О., Кутровская С.В., Волкова А.Ю.

«Владимирский государственный университет им. Александра Григорьевича и Николая Гри-

горьевича Столетовых» (ВлГУ), г. Владимир

89004757040, [email protected]

Исследование электронных свойств нанокластеров металлов вызывает в настоящее

время повышенный интерес, который основывается на необходимости создания фундамен-

тальных физических основ для дальнейшего развития наноэлектроники и фотоники. Целью

данной работы было получение вольт-амперных характеристик кластеров из наночастиц се-

ребра и золота и их сравнение сопротивления со значениями объёмных материалов того же

состава. Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

высажены на проводящую кремневую подложку кластеры золота и серебра из колло-

идных растворов на основе дистиллированной воды и наночастиц серебра (Ag) и золота (Au);

проведена оценка сопротивления нанокластеров и объёмного материала того же со-

става.

Использование современных методов позволяет управляемым образом формировать

кластерные наноструктуры на поверхности полупроводников. Формирование кластерных

структур на подложке, когда между ними имеются «пустоты», можно рассматривать в при-

ближении устойчивого массива квантовых точек с характерными размерами менее 50нм. По-

этому электропроводящие свойства могут демонстрировать квантовые эффекты (характер-

ные для систем с пониженной размерностью), в т.ч. связанные с параметрами возникающих

квантовых ям и барьеров, эффектами сверхрешеток, резонансного туннелирования и др. [1].

Однако, для расчета электросопротивления таких структур достаточно сложно применять

известные соотношения, описывающие сопротивление регулярных резисторных структур,

поскольку необходимо учитывать влияние формирующегося рельефа на электрические свой-

ства всего микроконтакта.

Коллоидные растворы на основе дистиллированной воды и наночастиц серебра Ag и

золота Au были получены методом лазерной абляции в жидкость [2]. Перед высаживанием

наночастиц на подложку, коллоидные растворы перемешивались в течение 5 минут при по-

мощи прибора РотамиксRM-1 во избежание образования крупных агрегатов. Бимодальное

распределение частиц серебра в коллоидном растворе около 2 нм и не более 8нм, а средний

размер частиц золота менее 100 нм, оценка выполнена при помощи метода динамического

лазерного рассеяния на приборе HoribaLB-550.

При медленном удалении растворителя капельным методом [2] (v≈1мл/мин) в процес-

се осаждения коллоидов из серебра и золота на поверхности подложки формируются кла-

стерные структуры типа дендритов, со средним размером кластеров для серебра около 35

мкм, для золотаоколо 5- 10 мкм (рис.1).

Рис. 1. Изображение РЭМ осаждение на подложку наночастиц Ag и Au

С помощью зондовой лаборатории NtegraAura в режиме сканирующей туннельной

микроскопиибыли получены вольт-амперные характеристики, на их основании была прове-

дена оценка сопротивления в исследуемой точкеR= (U2-U1) / (I2-I1) (табл.1).

Таблица1

№п/п Материал исследуемого объекта Оценка сопротивления(R), Ом

1 Объемный образец золота 1,29х109Ом

2 Кластер из наночастиц золота 0,11х109 Ом

3 Объемный образец серебра 1,62х109 Ом

4 Кластер из наночастиц серебра 0,5 х109 Ом

Как видно из таблицы, сопротивление кластеров из наночастиц серебра и золота на

порядок ниже, чем у объёмного образца того же состава, что ведёт к увеличению туннели-

рующих электронов и как следствие увеличение проводимости материала. Таким образом,

обнаружены изменения проводимости данных материалов в связи с изменением размеров

проводящих элементов.


1. Драгунов В.П., Неизвестный И.Г., Гридчин В.А. // Основы наноэлектроники. – М.:

Логос. - 2006. – 496 с.

2. Антипов А.А., Аракелян С.М., Кутровская С.В., Кучерик А.О., Вартанян Т.А. // Опти-

ка и спектроскопия. - 2014, Т. 116. - № 2. - С. 166–169.

кластерAg кластер Au

синий – Si

красный– Ag

зеленый – C

синий – Si

красный – Au

белый –C

Bias V, mV

Ipr-

low

, n

A

АНАЛИЗ МОДИФИКАЦИИ ПОВЕРХНОСТИ НЕРЖАВЕЮЩЕЙ СТАЛИ ФЕМТО-

СЕКУНДНЫМ ЛАЗЕРНЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ

Абрамов Д.В., Аракелян С.М., Герке М.Н., Губин М.Ю.,

Кочуев Д.А., Прокошев В.Г., Хорьков К.С.



[email protected], 8(4922)47-97-96

Обработка материалов фемтосекундным лазерным излучением является перспектив-

ным методом нано- и микроструктурирования поверхности металлов и их сплавов. Модифи-

кация поверхности позволяет изменять отражательные и поглощательные свойства материа-

ла [1]. Выделяют три режима фемтосекундного лазерного воздействия: остросфокусирован-

ная фемтосекундная лазерная обработка (SFFLM), филаменто-индуцированная фемтосе-

кундная лазерная обработка с помощью линзы (AFILM) и филаменто-индуцированная фем-

тосекундная лазерная обработка без линзы (LFILM) [2]. В данной работе представлены ре-

зультаты исследований поверхности нержавеющей стали, обработанной в режиме с исполь-

зованием длиннофокусной линзы.

Сканирование лазерным излучением по поверхности образца нержавеющей стали

(SS304, состав: 70% Fe, 18% Cr, 8% Ni и др.) осуществлялось при различных скоростях (от 1

мм/с до 1000 мм/с) с помощью гальваносканатора. Обработка осуществлялась таким обра-

зом, что обеспечивалось перекрытие сфокусированного лазерного пучка (80 мкм) при каж-

дой последующей линии сканирования. Геометрия эксперимента позволяет проводить обра-

ботку поверхности в пределах 100х100 мм. В качестве источника лазерного излучения ис-

пользовалась фемтосекундная Ti:Sapphire лазерная система, имеющая следующие парамет-

ры: длина волны 800 нм, длительность импульса излучения 50 фс, частота повторения им-

пульсов 1 кГц, энергия в импульсе 1 мДж.

Обработка лазерным излучением приводит к образованию на поверхности оксидов

основных компонентов сплава. На рис. 1 представлены дифрактограммы нержавеющей стали

до воздействия лазерным излучением и после обработки при различной скорости сканирова-

ния, сделанные на порошковом рентгеновском дифрактометре. Сложный состав исследуемо-

го сплава приводит к тому, что некоторые пики накладываются друг на друга, но основные

образованные соединения можно выделить. Следует также отметить, что обрабатываемый

образец представлял собой листовой прокат стали, что вносит изменения в кристаллическую

решётку.

Рис. 1. Дифрактограммы образцов: 1- до обработки фемтосекундным лазерным излучением,

2,3 после обработки

Таким образом, используя обработку фемтосекундными лазерными филаментами,

происходит структурирование поверхности с комбинированным на микро- и наноуровне

рельефом, образование оксидов основных элементов сплава, что позволяет получить сильное

поглощение в широкополосном оптическом диапазоне. Высокая поглощающая способность

оптического излучения обеспечивается совместным действием поверхностных микроколон и

связанных с ними наноструктурами. Это может найти применение в приложениях солнечной

энергетики, теплообменных устройствах и биологическом зондировании.




89.2014.2 и гранта РФФИ № 14-02-97508.

1. Tao H. et al. Formation of strong light-trapping nano-and microscale structures on a spherical

metal surface by femtosecond laser filament //Applied Physics Letters. – 2012. – Т. 100. – №. 20. –

С. 201111.

2. Valenzuela A. et al. Comparison between geometrically focused pulses versus filaments in

femtosecond laser ablation of steel and titanium alloys //Applied Physics B. – 2013. – С. 1-7.

DISSIPATIVE LASER BULLET IN A DIELECTRIC MEDIUM WITH QUANTUM DOTS

Prokhorov A.V., Gladush M.G.*, Pishenko A.V., Gubin M.Yu., Arakelian S.M.

Vladimir State University, Vladimir, Russia

*Institute for Spectroscopy of the Russian Academy of Sciences, Troitsk, Moscow, Russia

In the present paper we consider the problem of propagation optical pulse pE in a dense en-

semble of quantum dots placed in an optically transparent dielectric host medium. A feature of pre-

sented model is the accounting both of dispersive and dissipation local field effects associated with

the complex representation of the refractive index of the host medium. Significantly,

the contribution of these effects is proportional to the corresponding parameter

0

2

0 3/ aa and in presence the giant values for transition dipole moments ba, of quan-

tum dots [1] accounting of complex corrections of a local field can crucially modify the picture of

developing nonlinear-dissipative processes, including the formation of the self-induced transparen-

cy solitons [2] in such a medium. The system of equations for the density matrix elements of a

dense ensemble of quantum dots in a dielectric host medium has the form:

22

2

1202112011 2 Iui , (1a)

1212112201211221200122

IR uiui , (1b)

2121112202111222100212

IR uiui , (1c)

22

2

1202112022 2 Iui , (1d)

where 22

0 IRa llg is reduced Rabi frequency, aIRRIaRa lnlnl 2/ ,

aIaIIRRa llnln /2 . Here a is the relaxation rate from the excited state of the quan-

tum dots, Vg aaa 02/ is the atom-field (dot-field) coupling constant,

2/1

02/

VA ap , where pA is slowly varying amplitude of the probe field, V is the quan-

tization volume, /2 aa с is the frequency of the atomic transition. Accounting dispersive-

dissipative properties of the host medium leads to the appearance of new terms in the equations (1),

for which 22/ IRIIRRR llu , 22/ IRIRRII llu ,

2222222222 1612236 IRIRIRIRR nnnnnnnnl , 22222 161226 IRIRIRI nnnnnnl

taking into account the real R and imaginary I parts of the dielectric permittivity of the host me-

dium. The presence of dissipative corrections related to the local field 2111220 Iu in (1c) and

2

2102 Iu in (1d) determines additional possibility to decay polarization and populations of quan-

tum dots induced by host medium. Due to the nonlinear structure of these terms, it becomes possi-

ble to observe a variant of the self-induced transparency effect in the weak field limit for a dense

ensemble of quantum dots. In this limit, the self-consistent problem can be reduced to a single wave

propagation cubic-quintic Ginzburg-Landau equation:

4

4

2

22

2

2

20

2

2

222

1ii

yx

Di

t

i

ztg

2

2

2

2

2

2

2

4

4

2

2y

dx

dt

i yxRI

, (2)

where corresponding coefficients ( 2 is the group velocity dispersion; 2 – cubic nonlinearity co-

efficient, 2 is the spectral filtering; 4 is the fifth-order nonlinearity coefficient;

R is the linear

frequency modulation coefficient, I is the linear losses coefficient; 2 is the cubic nonlinear loss-

es coefficient; 4 is the fifth-order losses coefficient) are functions of the material parameters pre-

sented in (1). Results of variational and numerical methods of searching stable dissipative laser bul-

lets of the form 20

220

220

20

20

20

200 2/2/2/exp YYXXFYDXCiA are pre-

sented in Fig.1. The distinctive feature of performed investigations is the relatively short stabiliza-

tion length and the extended (even in comparison with low-temperature technique [3]) stability area

of laser bullets. Besides, in the present work we for the first time consider possibility of a genera-

tion of extremely compact three-dimensional optical solitons in all-dielectric metamaterials with

quantum dots.

Fig. 1. The process of stabilization (a) spatio-temporal 0X , 0Y , 0 and (b) amplitude 0A parameters of laser bullet,

and (c) the transformation of its form in the medium of dielectric material with quantum dots PbTe .

The research is partially supported by the Russian Foundation for Basic Research (14-02-97511).

1. Pokutnyi S.I. // FTP. 2006 V. 40. # 2. P. 223.

2. McCall S.L., Hanh E.L. // Bull. Am. Phys. Soc. 1965. V. 10. P. 1189.

3. Prokhorov A.V., Gladush M.G., Gubin M.Yu., Leksin A.Yu., and Arakelian S.M. // Eur.

Phys. J. D. 2014. 68: 158.

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ МОДИФИКАЦИИ ПОВЕРХНОСТИ ЛАЗЕРНЫМ

ИЗЛУЧЕНИЕМ НА ПРИМЕРЕ ТОНКИХ МАГНИТНЫХ ПЛЕНОК

E. Pritotskii

Department of Physics and Applied Mathematics, Stoletovs’ Vladimir State University,


Phone: +7(4922) 477796

Fax: +7(4922) 333369


В настоящее время технологии лазерной обработки поверхности материалов широко

используются в мире для производства и создания сложных 2-х и 3-х мерных микро- и нано-

структур в металлах, полупроводниках, прозрачных материалах, полимерах и других мате-

риалах. Исследования процессов модификации процессов важны для различных примене-

ний: при производстве приборов опто- и наноэлектроники, в технологиях хранения инфор-

мации, в методиках по управлению механическими и оптическими свойствами твердых тел,

в медицине, а также для научных исследований по фотонным кристаллам, плазмонным уст-

ройствам и во многих других направлениях.

В этой связи становится актуальным систематическое изучение физических и химиче-

ских механизмов взаимодействия оптического излучения с поверхностью материала. Необ-

ходимо учитывать термодинамические характеристики, исходные механические свойства,

качество поверхности облучаемого материала и определить оптимальные лазерные режимы

такие, как интенсивность и длительность лазерного излучения, частота следования и пара-

метры сканирования лазерного пучка.

Изучение физических свойств тонких ферромагнитных пленок также актуально с точ-

ки зрения их практического применения в микроэлектронике и вычислительной технике.

Важнейшим применением пленок является их использование в качестве магнитной среды

для записи и хранения информации в запоминающих устройствах. Магнитные пленки имеют

особенности, благодаря которым их использование способствует повышению плотности за-

писи информации и быстродействия запоминающего устройства.

Запоминающие устройства должны обеспечивать надежное хранение информации,

малое время доступа, низкую стоимость хранения единицы информации, высокую плотность

и скорость записи. Чтобы отвечать этим требованиям, пленки должны обладать вполне опре-

деленным набором структурных и магнитных характеристик. Получить такие пленки можно,

только зная механизмы формирования их свойств. Поэтому до настоящего времени не осла-

бевает интерес к исследованиям в этой области.

В данной работе приводятся результаты по экспериментальным исследованиям

процессов модификации поверхности тонких магнитных пленок под действием


непрерывного лазерного излучения умеренной интенсивности с целью получения

наноструктур на поверхности тонких магнитных пленок.

Рисунок 1. Область лазерной модификции поверхности тонкой магнтиной пленки.

FEMTOSECOND LASER INDUCED FORMATION OF SILVER NANOPARTICLES IN

AG2O-P2O5 GLASSY SYSTEM

Vasileva A.A., Olshin P.K., Manshina A.A., Sokolov I.A.

Saint-Petersburg State University, Institute of Chemistry, Department of laser chemistry and mate-

rial science, Saint-Petersburg

+7-911-153-83-49, [email protected]

Nowadays there is a great demand in different optical devices especially photonics needs

some new appliances for recording and conservation of information. It is known that modifications

in glass with transition metals maid by femtosecond laser radiation could be useful for creation of

information storage with a long period of operation, a little size and other important characteristics.

In that case our work is directed to preparation some modifications in glass structure including sil-

ver nanoparticles and researching their properties.

The aim of the research is creating Ag2O-P2O5 glasses with different amount of silver (from

35 to 55 mol%), making laser induced modifications and researching optical properties of obtained

structural changes. The results of the study are could be useful for development of a model of the

physicochemical process which underpins investigated phenomena.

During the investigation our researching group synthesized Ag2O-P2O5 glasses using the

melt quenching technique (the temperature of the synthesis was about 900°C) and then the samples

were polished in transparent plates. The samples were irradiated by femtosecond Ti: Sapphire laser

at 800nm that emits 120fs, 250MHz pulses with 60nJ energy. The sample was placed on

3D-translation stage. The laser bea

optical research included measurement of Raman spectra (before and after laser modification) and

luminescence spectra of modified zone. Obtained data were processed by OriginPro8.5.

The results of the experiments show that laser irradiation caused global structural changes in

the glass structure with formation of silver nanoparticles. A low-frequency peak (about 84-1cm) in

Raman spectra was detected after irradiation. This peak is characteristic for silver nanoparticles.

Luminescence data also confirm the fact of obtaining these formations. In that case we can claim

that silver atoms and ions are prone to migrate in the zone of beam focus, which is the hottest. In

our opinion this output is important for building the model of the nanoparticles formation process.

In summary, we realized the process of femtosecond laser induced formation of silver nano-

particles. The fact of this type of modification was proved by optical research and some assump-

tions about formation process were made.


ФОРМИРОВАНИЕ НАНОЧАСТИЦ КРЕМНИЯ ПРИ АБЛЯЦИИ ПОД ДЕЙСТВИЕМ

ФЕМТОСЕКУНДНЫХ ЛАЗЕРНЫХ ИМПУЛЬСОВ В АТМОСФЕРАХ ВОЗДУХА И

ГЕЛИЯ

Кашаев Ф.В.

Студент

Московский государственный университет им. М.В.Ломоносова,

физический факультет, Москва, Россия


Интерес ученых к разработке и исследованию методов получения полупроводнико-

вых наночастиц высокого качества в настоящее время непрерывно стимулируется новыми

достижениями использования последних в электронике, оптике и биомедицине. Отдельную

нишу в направлении изготовления таких наночастиц занимает кремний, как базовый компо-

нент современных оптоэлектронных устройств.

Одним из наиболее перспективных способов получения наноструктур является им-

пульсная лазерная абляция поверхности твёрдого тела. Данный метод имеет ряд преиму-

ществ по сравнению с другими способами формирования нанокомпозитов, например: низкое

содержание посторонних примесей, способных негативно повлиять на оптические свойства

получаемых агломератов, а также возможность получения наночастиц из самых различных

материалов [1].

В настоящей работе представлены результаты экспериментов по осаждению на по-

кровное стекло в результате лазерной абляции кремниевых частиц при различных значениях

давления и в различных средах, а также исследованию структурных и оптических свойств

полученных образцов. В ходе эксперимента производилось облучение поверхности кристал-

лического кремния лазерными импульсами (λ = 1250 нм) фемтосекундной длительности (τ =

180 фс) в атмосферах воздуха и гелия при комнатной температуре.

При абляции как в воздухе, так и в гелии получены частицы с большим разбросом по

размеру. Минимальный размер частиц был равен 4 нм. Частицы, полученные в воздухе,

меньше по размеру, чем частицы, получаемые при абляции в гелии. Это может быть объяс-

нено взаимодействием аблированных частиц кремния с частицами окружающего газа.

Анализ спектров комбинационного рассеяния света от изготовленных наночастиц по-

казывает, что в полученных образцах содержится как кристаллическая, так и аморфная фаза

кремния. Кристаллическая фаза соответствует пикам 519,5 см-1

(соответствует рассеянию

света на оптических фононах кремния TO) и 300 см-1

(рассеяние на акустических фононах

TA). Поднятие левого крыла пика (область частот 420–510см-1

) по сравнению с пиком от

кристаллического кремния может быть объяснено наличием его аморфной фазы - широкая

линия КРС от чистого аморфного кремния приходится на 480 см-1

[2]. При увеличении дав-

ления доля аморфного кремния снижается. В обоих средах максимальный сигнал интенсив-

ности спектральных линий кристаллического кремния обнаружен при давлении 20-50 мбар

(Рис.1).

а)

б)

Рис.1 Спектры КРС для образцов, облучаемых при давлении 20 мбар в воздухе (а) и в

гелии (б).

Интересный результат показывают спектры фотолюминесценции образцов (ФЛ), по-

лученных в воздухе и в гелии. В воздухе при небольших давлениях ФЛ отсутствует, при уве-

личении давления (>500mbar) начинает проявляться и возрастает. В случае гелия интенсив-

ность ФЛ больше, также прослеживается зависимость от давления – при его увеличении ин-

тенсивность растет (Рис.2). Это подтверждает наличие большого количества частиц малого

размера (несколько нм), что согласуется с данными микроскопии. Увеличение интенсивно-

сти ФЛ при увеличении давления в гелии объясняется увеличением количества частиц раз-

мером несколько нм, в которых присутствует квантово-размерный эффект [3].

Рис.2 Спектр фотолюминесценции кремниевых наночастиц, полученных методом

фемтосекундной лазерной абляции в гелии при различных давлениях.

Литература

1. J. Bonse, S. Baudach, J. Krüger, W. Kautek, M. Lenzner. Femtosecond laser ablation of

silicon-modification thresholds and morphology // Appl. Phys. A.– 2002.– vol. 74.– P. 19-25.

2. J. Bonse, K.-W. Brzezinka, A.J. Meixner. Modifying single - crystalline silicon by femto-

second laser pulses: an analysis by micro Raman spectroscopy, scanning laser microscopy and

atomic microscopy // Appl. Surf. Sci.– 2004, V. 221.– P.. 215-230.

3. D. Riabinina, C. Durand, F. Rosei, M. Chaker, Luminescent silicon nanostructures syn-

thesized by laser ablation // Physica status solidi (a) 2007 Vol. 204 (6) .– P. 1623 – 1638.

0 200 400 600 800 1000 1200

0

500

1000

1500

2000

I, от

н ед

Стоксов сдвиг, cm1

0 200 400 600 800 1000 1200

0

500

1000

1500

2000

Стоксов сдвиг, cm-1

I,отн

ед

500 550 600 650 700 750 800 850 900 950 1000 1050 1100

0

50

100

150

200

250

300

нм

I, от

н ед

He 300mbar

500 550 600 650 700 750 800 850 900 950 1000 1050 1100

0

100

200

300

400

500

600

700

нм

I, от

н ед

He 1000mbar

http://www3.interscience.wiley.com/journal/40000761/home

http://www3.interscience.wiley.com/journal/114275286/issue

ОЦЕНКА СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ МОДИФИЦИРОВАННОЙ НАНОСТРУКТУРИ-

РОВАННОЙ МЕМБРАНЫ МЕТОДОМ АСМ

К. Chadov (Student), S. Kutrovskaya (PhD, Associate professor, Department of PaAM),

N. Smirnova (PhD, Associate professor, Department of Chemistry)

Ключевые слова: атомно-силовая микроскопия, ультрафильтрационная мембрана, нанораз-

мерные элементы.

В качестве объекта исследования использовался ультрафильтр (УФ) на основе суль-

фонатсодержащего ароматического полиамида на подложке из нетканого материала, моди-

фицированный полидиметилдиаллилам-монийхлоридом. Методами атомно-силовой микро-

скопии исследован рельеф данной мембраны и структура при различных условиях работы (в

жидкостной и воздушных средах при различных температурах). Характерный вид данного

УФ представляет из себя систему вычитания (губчатые структуры). Пористая структура оце-

нивалась по ряду параметров: суммарный объем, общая пористость, удельная поверхность,

средний и максимальный размер пор и распределением пор по размерам. При работе в воз-

душной среде зафиксировано уменьшение размеров пор и сужение распределение пор по

размерам. Для количественного определения пропускной способности УФ планируется ис-

пользовать метод проницаемости.

Рис.1. АСМ изображение модифицированной мембраны в дистиллированной воде: а) 2D вид;

б) профиль поверхности вдоль строки.

СИНТЕЗ ИЗОБРАЖЕНИЯ С БОЛЬШОЙ ГЛУБИНОЙ РЕЗКОСТИ ПО СЕРИИ

СНИМКОВ ОПТИЧЕСКОЙ МИКРОСКОПИИ С РАЗЛИЧНЫМ ПОЛОЖЕНИЕМ

ФОКУСА1

Шамин П.Ю.*, Звягин М.Ю.**, Хорьков К.С.***

ВлГУ, г. Владимир

* тел. (4922) 47-99-47, e-mail: [email protected]

** тел. (4922) 47-97-66, e-mail: [email protected]

*** тел. (4922) 47-99-47, e-mail: [email protected]

Для оптической микроскопии с высоким коэффициентом увеличения характерна ма-

лая величина глубины резкости получаемых изображений. На практике при работе с образ-

цами с развитой поверхностью это приводит к невозможности получения изображения, од-

новременно резко передающего его участки с различными уровнями. В то же время, за счёт

изменения положения фокуса возможно получение серии снимков, на каждом из которых

резко воспроизводятся различные области поверхности образца (рис. 1).

Рис. 1. Пример изображений образца для различных положений фокуса

При наличии набора подобных изображений с достаточно малым шагом изменения

фокуса возможно получение синтезированного изображения, представляющего собой ком-

бинацию резких участков изображений исходного набора. Для решения данной задачи пред-

лагается следующий разработанный и апробированный нами алгоритм:

1. Каждое из изображений исходного набора разбивается на набор прямоугольных фраг-

ментов некоторого размера (например, 32x32 пиксела).

2. Для каждого из фрагментов производится вычисление некоторой функции («функции

качества»), позволяющей оценить качество изображения этого фрагмента.

3. Для каждого фрагмента производится поиск того исходного изображения, на котором

данный фрагмент имеет максимальное значение функции качества.

4. Синтезируется композитное изображение, путём смешивания окрестностей фрагментов с

тех изображений, на которых обнаружено наилучшее качество их представления. Сме-

1 Работа выполнена в рамках государственного задания ВлГУ № 2014/13 на выполнение государственных работ

в сфере научной деятельности, а также при поддержке в рамках гранта Президента РФ для государственной

поддержки ведущих научных школ № НШ-89.2014.2 и гранта РФФИ № 14-02-97508

шивание производится с весами, убывающими от центра соответствующего фрагмента,

что позволяет получить гладкое итоговое изображение (рис. 2).

Рис. 2. Синтезированное изображение с большой глубиной резкости

В качестве функции качества могут быть использованы:

Различные функции контраста, например, контраст Майкельсона, RMS-контраст [1].

Оценка резкости изображения на основе меры эксцесса двумерного спектра Фурье [2].

Оценка на основе гистограммы распределения пространственных частот Фурье-спектра

изображения (доля высоких частот в суммарной энергии).

Оценка на основе меры гладкости изображения – величины R, получаемой на основе ве-

личин отклика на набор дифференцирующих масок Фрея-Чена [3].

Следует заметить, что на основании того же подхода можно решать и другие задачи,

например, синтезировать изображения с широким динамическим диапазоном (HDR) на ос-

нове набора снимков с разными параметрами экспозиции (разумеется, при использовании

другой функции качества фрагмента) или синтезировать 3D-изображение поверхности об-

разца, подобно тому, как предложено в [4].

Библиография

1. Eli Peli Contrast in complex images // JOSA A, Vol. 7, Issue 10, pp. 2032-2040 (1990)

2. Ю.И. Монич, В.В. Старовойтов Оценки качества для анализа цифровых изображений //

Искусственный интеллект – №4, 2008 г. – С. 376 – 386. – ISSN 1561-5367

3. П.Ю. Шамин, М.А.А. Номан, К.С. Хорьков Классификация текстурных свойств сегментов

растрового изображения с помощью набора дифференцирующих масок // International

Journal of Open Information Technologies. – №2, 2013 г. – Т. 1. – С. 1 – 7. - ISSN 2307-8162

4. А.Н. Аверкин, А.С. Потапов, А.С. Рожков Формирование и визуализация 3D-изображений

микрообъектов по серии видеокадров с изменяемой фокусировкой // Научно-технический

вестник Санкт-Петербургского государственного университета информационных техно-

логий, механики и оптики. – № 6 (76), 2011. – С. 12 – 17. – ISSN 2226-1494

ВЛИЯНИЕ НАНОКРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ ФАЗЫ КРЕМНИЯ НА ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕ-

СКИЕ СВОЙСТВА КРЕМНИЙСОДЕРЖАЩИХ ПЛЕНОК

Шулейко Д.В.

Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, Москва

тел. 89652900269, [email protected]

Современные методы наноструктурирования позволяют контролируемым образом

изменять электрофизические свойства кремнийсодержащих пленок за счет формирования в

них областей с нанокристаллами кремния. Подобные структуры могут быть использованы в

приложениях солнечной энергетики, а также для создания оптических переключателей и ло-

гических элементов.

Цель данной работы – исследование влияния внедрения нанокристаллов кремния на

электрофизические свойства пленок аморфного гидрогенизированного кремния (a-Si:H), ди-

оксида (SiO2) и нитрида (Si3N4) кремния.

В первом случае пленка из a-Si:H на стеклянной подложке была облучена фемтосе-

кундными лазерными импульсами (100 фс, 400 мкДж, 1,25 мкм). На обработанной поверхно-

сти были обнаружены периодические структуры, имеющие интерференционную природу

происхождения и близкие по своей структуре к одномерным решеткам с периодом около 1,1

мкм, близким к длине волны использовавшегося лазерного излучения. Измерения удельной

проводимости облученной и необлученной области показали, что величина удельной прово-

димости после обработки выросла на 3 порядка, с 6,7∙10-9

(Ом∙см)-1

до 6,5∙10-6

(Ом∙см)-1

, что

объясняется дегидрогенизацией и нанокристаллизацией кремния в результате фемтосекунд-

ного лазерного излучения [1]. Также, наблюдалась анизотропия проводимости обработанных

областей, обусловленная периодической неравномерностью кристаллизации при лазерном

облучении и деполяризующими факторами сформированного микрорельефа.

В втором случае методом плазмохимического осаждения из газовой фазы были изго-

товлены два образца, представляющие собой пленку из моноксида кремния толщиной 92 нм

на подложке из кристаллического кремния. Один из образцов был отожжен при температуре

1100 °С, в результате произошло образование нанокристаллов кремния в слое, трансформи-

ровавшемся из моноксида в диоксид. На рисунке 1а представлены вольтамперные характе-

ристики этих образцов, откуда видно, что удельная проводимость отожженного образца вы-

росла на порядок из-за возникновения кремниевых нанокристаллов в результате нагрева в

объеме исследуемой пленки.

Еще один интересный результат был получен при измерении вольтамперной характе-

ристики последнего образца, представлявшего собой 92-нм пленку из нитрида кремния

Si3N4, легированного нанокристаллами кремния на подложке из кристаллического кремния.

Такой образец был получен методом плазмохимического осаждения из газовой фазы с по-

следующим отжигом [2]. Были проведены измерения вольтамперных характеристик (Рис.

1б), показавшие что данный образец обладает мемристорными свойствами. Был обнаружен

гистерезис проводимости и эффект переключения. При напряжении около 2,5 В происходит

переход из состояния с высоким сопротивлением в хорошо проводящее электрический ток.

Рис.1.(а) – Вольтамперные характеристики образцов SiOx и SiO2, ле-

гированного нанокристаллами кремния; (б) – Вольтамперные харак-

теристики образца Si/Si3N4 с кремниевыми нанокристаллами.

Проведенные исследования показывают, что нанокристаллизация полупроводниковых

и диэлектрических пленок позволяет существенным образом изменять их электрофизические

свойства, открывая широкие перспективы для использования в современной планарной

кремниевой электронике.

ЛИТЕРАТУРА

1. Емельянов А.В., Казанский А.Г., Кашкаров П.К., Коньков О.И., Теруков Е.И.,. Форш П.А,

Хенкин М.В., Кукин А.В., Beresna M., Kazansky P. Влияние фемтосекундного лазерного об-

лучения пленок аморфного гидрогенизированного кремния на их структурные, оптические и

фотоэлектрические свойства // Физика и техника полупроводников, 2012, том 46, вып. 6.

2. Zelenina A., Dyakov S. A., Hiller D., Gutsch S., Trouillet V., Bruns M., Mirabella S., Löoper P.,

López-Conesa L., López-Vidrier J., Estradé S., Peiró F., Garrido B., Bläasing J., Krost A.,

Zhigunov D. M., Zacharias M. Structural and optical properties of size controlled Si nanocrystals in

Si3N4 matrix: The nature of photoluminescence peak shift // J. Appl. Phys. 114, 184311 (2013).

OPTICAL RESONANCES OF SI NANOPARTICLES FOR DIELECTRIC PHOTONICS

Andrey B. Evlyukhin, Urs Zywietz, Carsten Reinhardt, Boris N. Chichkov

Laser Zentrum Hannover e. V., Hollerithalle 8, D-30419 Hannover, Germany

Strong resonant light scattering by Si nanoparticles is experimentally and theoretically

demonstrated, revealing pronounced resonances in the visible spectral range associated with the ex-

citation of magnetic and electric modes in these nanoparticles [1-3]. In this work we discuss the

origin of the magnetic dipole resonance in dielectric nanoparticles. Our consideration is based on

the approach of quasi-static electromagnetic field and Mie theory.

Theoretical and experimental results concerning the resonant optical properties of differently

shaped Si nanoparticles are presented. The role of magnetic and electric modes in the scattering op-

tical spectra is clarified. A new theoretical approach [4,5] allowing multipole analysis of light scat-

tering by arbitrary-shaped nanoparticles located on flat substrate surface is demonstrated. This ap-

proach is applied to investigations of light and surface plasmon polariton (SPP) scattering by Si na-

noparticle structures. It is shown how the particle resonant magnetic mode can affect spatial distri-

bution of the scattered SPPs and light. Applications of Si nanoparticles for realization of

nanoantennas and metametrials will be discussed.

References

[1] A.B. Evlyukhin, C. Reinhardt, A. Seidel, B. Luk’yunchuk, and B. Chichkov “Optical response

features of Si-nanoparticle arrays,” Phys. Rev. B 82, 045404 (2010).

[2] A.B. Evlyukhin, S. M. Novikov, U. Zywietz, R. L. Eriksen, C. Reinhardt, S. I. Bozhevolnyi, and

B. N. Chichkov, "Demonstration of magnetic dipole resonances of dielectric nanospheres in the vis-

ible region", Nano Lett. 12, 3749 (2012).

[3] A.I. Kuznetsov, A. E. Miroshnichenko, Y. H. Fu, J. B. Zhang, and B. Luk’yanchuk, “Magnetic

light” Sci. Rep. 2, 492 (2012).

[4] A.B. Evlyukhin, C. Reinhardt, and B. Chichkov “Multipole light scattering by nonspherical na-

noparticles in the discrete dipole approximation,” Phys. Rev. B 84, 235429 (2011).

[5] A.B. Evlyukhin, C. Reinhardt, E. Evlyukhin, and B. Chichkov “Multipole analysis of light scat-

tering by arbitrary-shaped nanoparticles on a plane surface,” J. Opt. Soc. Am. B 30, 2589 (2013).

НЕЛИНЕЙНАЯ СИНГУЛЯРНАЯ ПОЛЯРИЗАЦИОННАЯ ОПТИКА

В.А. Макаров

Физический факультет и Международный лазерный центр МГУ имени М.В. Ломоносова

[email protected]

Однородно эллиптически поляризованный лазерный пучок после взаимодействия с нели-

нейной средой может содержать в поперечном сечении различные дислокации: С-точки, в кото-

рых не определена ориентация эллипса поляризации светового поля, и L-линии, где его поляри-

зация линейна. В окрестности С-точек возможны три типа морфологических распределений эл-

липсов поляризации (“star”, “lemon” и “monstar”), которые сложным образом перемещаются в

пространстве.

Особенности появления сингулярностей поляризации в нелинейно-оптических процессах

и динамика их дальнейшего распространения в нелинейной среде в настоящее время остаются

практически не исследованными, из-за достаточно трудоемкого учета изменения поляризации

волны в процессе ее распространения. Однако подобные исследования представляют исключи-

тельный интерес. В частности, было предсказано, что в средах с нелокальностью нелинейного

оптического отклика появление сингулярностей поляризации в сигнальных пучках на суммарной

и удвоенной частотах возможно даже в случае однородно поляризованных пучков накачки. Кро-

ме того, численное моделирование распространения в нелинейных средах сингулярностей поля-

ризации, изначально существующих в падающих пучках, открыло качественно новые эффекты.

В докладе приводится краткий обзор уже опубликованных [1-6] и недавно полученных в

МГУ имени М.В. Ломоносова результатов в области сингулярной нелинейной поляризационной

оптики.

1. К.С. Григорьев, В.А. Макаров, И.А. Пережогин, Н.Н. Потравкин. Квант. электрон., 2011, т. 41,

с. 993.

2. V.A. Makarov, I.A. Perezhogin, N.N. Portavkin. J. Opt., 2012, v. 14, p. 055202.

3. N.N. Potravkin, I.A. Perezhogin, V.A. Makarov. Phys. Rev. E, 2012, v. 86, p. 056706.

4. G.A. Gryaznov, V.A. Makarov, I.A. Perezhogin, N.N. Potravkin. Phys. Rev. E, 2014, v. 89, p.

013306

5. K. Grigoriev, V. Makarov, I. Perezhogin. Journal of Optics, 2014, v. 16, p. 105201.

6.◦N.N. Potravkin, E.B. Cherepetskaya, I.A. Perezhogin, and V.A. Makarov Opt. Mat. Express, 2014, v.

4, p. 2090.

OPTICAL PROPERTIES OF SOLID COMPOSITE MATERIALS COMPRISING

PLASMONIC NANOSTRUCTURES AND ORGANIC MOLECULES

A.N. Kamalieva, N.A. Toropov, T.A. Vartanyan

ITMO University

Kronverkskiy pr. 49, St. Petersburg 197101, Russian Federation


Recently surface nanostructures of coinage metals attracted keen interest due to their ability

to support the localized surface plasmons. Plasmon oscillations enable observation of a number of

important phenomena, surface enhanced Raman scattering (SERS) and enhanced absorption by

nearby molecules being among them. These phenomena have already found some biomedical and

optoelectronic applications. On the other hand, fluorescence enhancement is a much more subtle

effect. Metal nanostructures do enhance fluorescence of nearby molecules at some circumstances

but in other cases fluorescence is simply quenched by the presence of metal bodies. At the same

time fluorescence enhancement is of great value in such prospective applications as light emitting

diodes (LED), spasers etc. For this reason, we laid down an aim to develop a hybrid structure with

an enhanced fluorescence.

In this contribution, we report on the results of experimental investigation devoted to optical

properties of granular silver films combined with organic dye layers. Silver nanoparticles were ob-

tained via physical vapor deposition in Kurt J. Lesker vacuum chamber PVD-75. Quartz and sap-

phire served as the supports for the granular metal films. Metal nanoparticles were subsequently

covered by organic dyes via spin-coating technique. To this end the alcohol solution of Rhodamine

6G as well as its mixture with the solution of poly(methyl methacrylate) (PMMA) in toluene were

employed.

Optical properties of the obtained hybrid structures were studied and compared to the prop-

erties of the pure dye layers. Absorbance of the dye molecules in the presence of silver nanoparti-

cles was found to be enhanced 9-fold, while the fluorescence intensity rises 2-fold.

The observed enhancement of absorption and fluorescence is due to the enhanced near fields

of silver nanoparticles. Application of PMMA is crucial to achieve the fluorescence enhancement.

Without PMMA fluorescence of dye molecules is diminished in the presence of metal nanoparti-

cles. This is due to the process of fluorescence quenching that overcomes the effect of field en-

hancement on the smallest distances from the metal nanoparticles. PMMA avoid direct contact be-

tween the dye molecules and metal nanoparticles so that at least some dye molecules are placed at

the optimal distance from metal surface.

CONTENTS

AAbbssttrraaccttss .......................................................................................................................................... 8

TIME-RESOLVED ULTRAFAST LASER SPECTROSCOPY

Povolotskiy A.V. ............................................................................................................................... 9

MODERN ATOMIC CLOCKS AND NEW SPECTROSCOPIC METHODS

Alexey Taichinachev...................................................................................................................... 10

QUANTUM INFORMATION PROCESSING WITH COLD RYDBERG ATOMS

I.I. Ryabtsev, I.I. Beterov, D.B. Tretyakov, V.M. Entin, E.A. Yakshina.................................... 11

SINGLE PHOTON SOURCES IN SOLID STATE: NV CENTERS AND COLLOIDAL

QUANTUM DOTS

Alexey Akimov................................................................................................................................ 12

PHASE SPACE SUB-PLANCK STRUCTURES: EXPERIMENTAL REALIZATION IN

TIME-FREQUENCY DOMAIN

Ludmila Praxmeyer, Chih-Cheng Chen, Shang-Da Yang, and Ray-Kuang Lee ..................... 13

FIDELITY OF REFLECTION FROM AN ABSORBING BRAGG MIRROR

Chizhov A.V.1, Čevizović D.

2 ......................................................................................................... 14

ANALYSIS OF TWO METHODS OF NANOPARTICLE GENERATION: LASER

ABLATION AND SPARK DISCHARGE AT ATMOSPHERIC PRESSURE

Itina T.E. and Voloshko A. ........................................................................................................... 16

ЛАЗЕРНО-ИНДУЦИРОВАННЫЕ ДЕФЕКТНО-ДЕФОРМАЦИОННЫЕ (ДД) И

ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ (ГД) НЕУСТОЙЧИВОСТИ И ОБРАЗОВАНИЕ

УПОРЯДОЧЕННЫХ ПОВЕРХНОСТНЫХ СТРУКТУР И АНСАМБЛЕЙ

НАНОЧАСТИЦ НА ПОВЕРХНОСТИ ТВЕРДЫХ ТЕЛ

В.И. Емельянов ............................................................................................................................ 18

РФЭС И АСМ ДЛЯ АНАЛИЗА СТРУКТУРНОГО СОСТОЯНИЯ ТОНКИХ СЛОЕВ

МАТЕРИАЛОВ

Карбань О.В. ................................................................................................................................. 19

EFFECTS OF THE TRANSIENT POLARIZATION IN PHOTONICS OF TIGHTLY

CONFINED ATOMIC CLOUDS

T.A. Vartanyan ............................................................................................................................... 20

RESONANCE FLUORESCENCE AND MOLLOW TRIPLETS FROM SINGLE EMITTERS

M.G. Gladush1,2,3

, I.Yu. Eremchev1, A.A. Gorshelev

1, A.V. Naumov

1,4 .................................... 22

LUMINESCENCE VISUALIZER FOR PRECISE LASER BEAM ALIGNMENT AND

FOCUSING IN PUMP-PROBE AND RELATED SPECTROSCOPIES

K.R. Karimullin1,2

, M.V. Knyazev1,3

, A.V. Naumov1 ................................................................... 24

TIME STABILITY OF THE CRYOGENIC OPTOMECHANICAL STAGE FOR SINGLE

MOLECULE LUMINESCENCE SPECTROMICROSCOPY

S. Orlov1, I. Eremchev

1, A. Gorshelev

1, A. Naumov

1,2 ............................................................. 26

МЕРЦАЮЩАЯ ФЛУОРЕСЦЕНЦИЯ ОДИНОЧНЫХ КВАНТОВЫХ ИЗЛУЧАТЕЛЕЙ

ПРИ НАЛИЧИИ ПАУЗ В НАБЛЮДЕНИИ

А.Л. Щукина, А.В. Наумов, И.Ю. Еремчев ............................................................................. 28

MULTI-ENERGY X-RAY SOURCE BASED ON PLASMA IGNITION IN CUSO4 CRYSTAL

BY FEMTOSECOND LASER

I.A. Zhvaniya, V.M. Gordienko, I.A. Makarov, A.A. Garmatina, T.A.Semenov ...................... 29

ИССЛЕДОВАНИЕ ТРИБОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫХ

НИТРИДНЫХ И АЛМАЗОПОДОБНЫХ ПОКРЫТИЙ

Кононов Д.М., Фролов Д.А., Беляев Л.В. ................................................................................. 31

МАТЕМАТИЧЕКСОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И ИССЛЕДОВАННИЕ

ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТИ ОСТРОВКОВЫХ МЕТАЛЛИЧЕЧСКИХ И

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПЛЕНОК

Бухаров Д.Н. ................................................................................................................................. 33

NONLINEAR TRANSPORT AND OPTICS OF ELECTRONS IN GRAPHENE

M.M. Glazov ................................................................................................................................... 36

СТРУКТУРИРОВАНИЕ ПОВЕРХНОСТИ НЕРЖАВЕЮЩЕЙ СТАЛИ

ФЕМТОСЕКУНДНЫМ ЛАЗЕРНЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ

Абрамов Д.В., Аракелян С.М., Герке М.Н., Кочуев Д.А., Прокошев В.Г., Хорьков К.С. . 37

ФОРМИРОВАНИЕ ВОЛНОВОДНЫХ СТРУКТУР В ВЫСОКОПРОЗРАЧНЫХ

ОПТИЧЕСКИХ СРЕДАХ ОСТРОСФОКУСИРОВАННЫМ ЛАЗЕРНЫМ

ФЕМТОСЕКУНДНЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ

Абрамов Д.В., Герке М.Н., Кочуев Д.А., Прокошев В.Г., Хорьков К.С............................... 39

NON-RESONANT OSCILLATORY MODE FOR SURFACE RESEARCH AT NANOSCALE

С.И. Леесмент1, С.Н. Магонов

2, И.М. Маловичко

1 ............................................................... 41

PLASMON-MEDIATED COUPLING OF SELF-ASSEMBLED INAS/ALGAAS QDS IN

HYBRID METAL-SEMICONDUCTOR STRUCTURE GROWN BY MBE

A.A. Lyamkina1,2

, S.P. Moshchenko1 ........................................................................................... 43

INVESTIGATION OF LASER-INDUCED HYDRODYNAMIC PROCESSES AT LASER

HEATING OF METALS IN LIQUID

A. Antipov1, S. Kutrovskaya

1, E. Makhalova

1, A. Osipov, T. Itina

2 ........................................... 45

LASER-INDUCED DEPOSITION OF HYBRID PLASMONIC NANOSTRUCTURES FOR

SERS ANALYSIS

Povolotckaia A., Povolotskiy A., Kireev A., Manshina A. .......................................................... 46

NON-SEPARATED STATES FROM SQUEEZED DARK-STATE POLARITONS IN

ELECTROMAGNETICALLY-INDUCED-TRANSPARENCY MEDIA

You-Lin Chuang1,2

, Ite A. Yu

2, and Ray-Kuang Lee

1,2 ............................................................... 48

LASING ON SURFACE STATES IN VERTICAL CAVITY SURFACE EMISSION LASERS

You-Nan Su1, Chun-Yan Lin

1, Ray-Ching Hong

1, Wen-Xing Yang

2, Chien-Chung Jeng

3, Tien-

chan Lu4, and Ray-Kuang Lee

1 .................................................................................................... 49

LASER FORMATION OF COLLOIDAL ALLOYS AND DEPOSITION OF THE

MICROCLUSTERS ON THE GLASS SUBSTRATE

A. Antipov, S. Kutrovskaya, A. Kucherik, V. Toporovskiy.......................................................... 51

ONE-DIMENSIONAL VAN HOVE POLARITONS

K.B. Arnardottir1,2,3

*, O. Kyriienko1,3

, M.E. Portnoi4,5

and I.A. Shelykh1,3

.............................. 53

RESONANT EMISSION AND DISPERSIVE WAVE MEDIATED INTERACTIONS OF

OPTICAL SOLITONS

A. Yulin ........................................................................................................................................... 54

АППАРАТНО-ПРОГРАММНЫЙ КОМПЛЕКС ДИАГНОСТИКИ СОСТОЯНИЯ

КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ ПРОМЫШЛЕННОГО ДЕЙСТВУЮЩЕГО

ОБОРУДОВАНИЯ

Балиж Кирилл Сергеевич .......................................................................................................... 56

ОПИСАНИЕ ПРОЦЕССА КРИСТАЛЛИЗАЦИИ ЧЕРЕЗ ФЛУКТУАЦИИ

ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ

Бурцев А.А.1, Антонов Д.Н.

1, Бутковский О.Я.

1,2 ................................................................. 58

EXCITED STATE DYNAMICS OF SUBSTITUTED TETRAPHENYLPORPHYRINS AND

THEIR ADDUCTS WITH FULLERENE

Pyshnyak M.G., Povolotskiy A.V., Mereshchenko A.S., Tver’yanovich Y.S, Shaytor I.V.,

Prolubnikov P. I., Levin O.V., Konev A.S., Khlebnikov A.F. ..................................................... 60

КОМБИНАЦИОННОЕ РАССЕЯНИЕ СВЕТА И ГЕНЕРАЦИЯ ВТОРОЙ ГАРМОНИКИ

В АНСАМБЛЯХ НАНОКОМПОЗИТОВ КАРБИДА КРЕМНИЯ

Соколов А.А. ................................................................................................................................. 62

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ РАЗМЕРНЫХ ЭФФЕКТОВ

НА ПРОВОДИМОСТЬ МИКРОКОНТАКТОВ КЛАСТЕРНОГО ТИПА

Аракелян С.М., Антипов А.А., Кучерик А.О., Кутровская С.В., Волкова А.Ю. .............. 64

АНАЛИЗ МОДИФИКАЦИИ ПОВЕРХНОСТИ НЕРЖАВЕЮЩЕЙ СТАЛИ

ФЕМТОСЕКУНДНЫМ ЛАЗЕРНЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ

Абрамов Д.В., Аракелян С.М., Герке М.Н., Губин М.Ю., Кочуев Д.А., Прокошев В.Г.,

Хорьков К.С. .................................................................................................................................. 66

DISSIPATIVE LASER BULLET IN A DIELECTRIC MEDIUM WITH QUANTUM DOTS

Prokhorov A.V., Gladush M.G.*, Pishenko A.V., Gubin M.Yu., Arakelian S.M. .................... 68

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ МОДИФИКАЦИИ ПОВЕРХНОСТИ ЛАЗЕРНЫМ

ИЗЛУЧЕНИЕМ НА ПРИМЕРЕ ТОНКИХ МАГНИТНЫХ ПЛЕНОК

E. Pritotskii ..................................................................................................................................... 70

FEMTOSECOND LASER INDUCED FORMATION OF SILVER NANOPARTICLES IN

AG2O-P2O5 GLASSY SYSTEM

Vasileva A.A., Olshin P.K., Manshina A.A., Sokolov I.A. .......................................................... 72

ФОРМИРОВАНИЕ НАНОЧАСТИЦ КРЕМНИЯ ПРИ АБЛЯЦИИ ПОД ДЕЙСТВИЕМ

ФЕМТОСЕКУНДНЫХ ЛАЗЕРНЫХ ИМПУЛЬСОВ В АТМОСФЕРАХ ВОЗДУХА И

ГЕЛИЯ

Кашаев Ф.В. .................................................................................................................................. 73

ОЦЕНКА СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ МОДИФИЦИРОВАННОЙ

НАНОСТРУКТУРИРОВАННОЙ МЕМБРАНЫ МЕТОДОМ АСМ

К. Chadov (Student), S. Kutrovskaya (PhD, Associate professor, Department of PaAM), N.

Smirnova (PhD, Associate professor, Department of Chemistry) .............................................. 75

СИНТЕЗ ИЗОБРАЖЕНИЯ С БОЛЬШОЙ ГЛУБИНОЙ РЕЗКОСТИ ПО СЕРИИ

СНИМКОВ ОПТИЧЕСКОЙ МИКРОСКОПИИ С РАЗЛИЧНЫМ ПОЛОЖЕНИЕМ

ФОКУСА

Шамин П.Ю.*, Звягин М.Ю.**, Хорьков К.С.***.................................................................. 76

ВЛИЯНИЕ НАНОКРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ ФАЗЫ КРЕМНИЯ НА

ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КРЕМНИЙСОДЕРЖАЩИХ ПЛЕНОК

Шулейко Д.В. ............................................................................................................................... 78

OPTICAL RESONANCES OF SI NANOPARTICLES FOR DIELECTRIC PHOTONICS

Andrey B. Evlyukhin, Urs Zywietz, Carsten Reinhardt, Boris N. Chichkov ....................... 80

НЕЛИНЕЙНАЯ СИНГУЛЯРНАЯ ПОЛЯРИЗАЦИОННАЯ ОПТИКА

В.А. Макаров ................................................................................................................................. 81

OPTICAL PROPERTIES OF SOLID COMPOSITE MATERIALS COMPRISING

PLASMONIC NANOSTRUCTURES AND ORGANIC MOLECULES

A.N. Kamalieva, N.A. Toropov, T.A. Vartanyan ......................................................................... 82

4-ая МЕЖДУНАРОДНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ …museum of the amateur works of art of...

Documents