Extraction of silver permittivity at cryogenic temperatures through the optical characterization of silver-coated plasmonic nanolasers
Creators: name: Σινάτκας, Γεώργιος Ιωάννη
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2021
Subjects: Laser νανομετρικών διαστάσεων και πλασμονικής τεχνολογίας
Κρυογονικές θερμοκρασίες
Άργυρος
Plasmonic nanolasers
Cryogenic temperatures
Silver

description: Plasmonic nanolasers hold great promise for compact, low-threshold opto-electronic devices. For the development and design of such lasers, often operating at cryogenic temperatures, it is important to know the temperature dependence of the involved materials with high accuracy. This thesis reports the extraction of silver losses in the range 10 K-180 K by performing temperature-dependent micro-photoluminescence (μ-PL) measurements in conjunction with numerical simulations on silver-coated nanolasers in the near-infrared regime. By mapping the changes in the quality factor, measured at transparency, into silver-loss variations, the imaginary part of silver permittivity is extracted at cryogenic temperatures. The latter is estimated an order of magnitude lower with respect to room-temperature values. In addition, temperature-dependent values for the thermo-optic coefficient of the III-V semiconductor materials occupying the cavity are estimated as well. This data is missing from the literature and it could be useful for the theoretical validation of experimental observations as well as the evaluation of thermal effects.
description: Οι νανομετρικές διαστάσεις των laser πλασμονικής τεχνολογίας επιτρέπουν τη δημιουργία συμπαγών οπτο-ηλεκτρονικών διατάξεων με χαμηλό κατώφλι λειτουργίας, συγκεντρώνοντας έντονο ερευνητικό ενδιαφέρον. Ωστόσο, παρά τη μείωση του ενεργού όγκου, οι αυξημένες ωμικές απώλειες λόγω του μετάλλου δυσχεραίνουν πολλές φορές την παραγωγή φωτός laser σε θερμοκρασία δωματίου. Για το λόγο αυτό, απαιτούνται συνήθως κρυογονικές θερμοκρασίες για τη λειτουργία τους, στις οποίες το κέρδος του ενεργού μέσου μεγιστοποιείται, ενώ οι ωμικές απώλειες μειώνονται. Η ορθή ανάπτυξη και σχεδίαση των laser πλασμονικής τεχνολογίας, συνεπώς, απαιτεί την ακριβή γνώση των οπτικών ιδιοτήτων των υλικών που τα συνθέτουν σε χαμηλές θερμοκρασίες, οι οποίες, ωστόσο, δεν έχουν διερευνηθεί επαρκώς στη βιβλιογραφία. Η παρούσα εργασία στοχεύει στη διερεύνηση και τον υπολογισμό των απωλειών του αργύρου στην κοντινή υπέρυθρη περιοχή στο εύρος θερμοκρασιών 10 K-180 K. Ο άργυρος αποτελεί την πιο δημοφιλή επιλογή για πλασμονικές εφαρμογές οδηγούμενου κύματος λόγω των συγκριτικά χαμηλότερων απωλειών που εισάγει. Για τους σκοπούς της εργασίας, μελετώνται laser πλασμονικής τεχνολογίας με γεωμετρία δίσκου, καθώς και ομοαξονικού σχήματος, επικαλυμμένα με άργυρο. Τα laser διεγείρονται οπτικά μέσω μίας πηγής άντλησης στα 785 nm και χαρακτηρίζονται πειραματικά με τεχνικές φασματοσκοπίας φωτοφωταύγειας μικρομετρικών διαστάσεων (micro-photoluminescence, μ-PL, spectroscopy). Με τον τρόπο αυτό, προσδιορίζεται η ένταση εκπομπής, το μήκος κύματος συντονισμού, καθώς και το φασματικό εύρος τους ως συνάρτηση της έντασης της οπτικής διέγερσης, ύστερα από την προσαρμογή των φασμάτων εκπομπής με μία συνάρτηση pseudo-Voigt. Ακόμα, η λειτουργία τους ως laser επιβεβαιώνεται με την επιπρόσθετη μελέτη της στατιστικής του εκπεμπόμενου φωτός μέσω κβαντικών οπτικών μετρήσεων και ειδικότερα μέσω της συνάρτησης αυτοσυσχέτισης δεύτερης τάξης g2(τ), χρησιμοποιώντας ένα συμβολόμετρο HBT (Hanbury Brown and Twiss). Αρχικά, οι μετρήσεις πραγματοποιούνται στη θερμοκρασία των 10 Κ και επαναλαμβάνονται σε υψηλότερες θερμοκρασίες, ώστε να εξαχθεί η επιθυμητή θερμοκρασιακή εξάρτηση. Με τον τρόπο αυτό, προσδιορίζεται ο συντελεστής ποιότητας, καθώς και η μετατόπιση του μήκους κύματος συντονισμού ως συνάρτηση της θερμοκρασίας. Οι μεταβολές στο συντελεστή ποιότητας επιτρέπουν την εξαγωγή του φανταστικού μέρους της διηλεκτρικής σταθεράς του αργύρου μέσω μίας επαναληπτικής διαδικασίας, η οποία στηρίζεται στη συνέργεια μεταξύ των πειραματικών δεδομένων, υπολογισμένων στο σημείο διαφάνειας, και ρεαλιστικών προσομοιώσεων της δομής των laser. Οι τιμές του φανταστικού μέρους σε κρυογονικές θερμοκρασίες υπολογίζονται μια τάξη μεγέθους μικρότερες συγκριτικά με τις τιμές στη θερμοκρασία δωματίου. Επιπλέον, μέσω της μετατόπισης στο μήκος κύματος συντονισμού, είναι δυνατή η εκτίμηση του θερμο-οπτικού συντελεστή των III-V ημιαγωγικών υλικών που καταλαμβάνουν την κοιλότητα σε συνάρτηση με τη θερμοκρασία. Τα δεδομένα αυτά απουσιάζουν από τη βιβλιογραφία και θα μπορούσαν να είναι χρήσιμα για τη θεωρητική επιβεβαίωση πειραματικών παρατηρήσεων, καθώς και στην αξιολόγηση της επίδρασης θερμικών φαινομένων.