Усиление поля световой волны в ближнем ИК диапазоне тандемными метаструктурами, объединяющими фотонный кристалл и металлические нанодиски
Министерство науки и высшего образования Российской Федерации , Государственное задание, FWGW-2025-0023
Якимов А.И.1, Блошкин А.А.1
1Институт физики полупроводников им. А.В. Ржанова СО А, Новосибирск, Россия
Email: andrewyakimov5@gmail.com
Поступила в редакцию: 27 июля 2026 г.
В окончательной редакции: 9 октября 2026 г.
Принята к печати: 16 октября 2026 г.
Выставление онлайн: 16 ноября 2026 г.
Предложен новый подход к повышению квантовой эффективности слабо поглощающих фотодетекторов на основе гетероструктур Ge/Si с квантовыми точками. Основу подхода составляет концепция тандемных структур с гибридными метаповерхностями, объединяющими фотонный кристалл в виде решетки отверстий на поверхности фотодиода и нанодиски Au, размещенные на дне этих отверстий. Вариация глубины отверстий позволяет управлять положением области локализации плазмонного поля относительно активной среды, что принципиально отличает предложенную геометрию от классических плазмонных фотодиодов с поверхностным расположением металлической пленки. Период расположения отверстий фотонного кристалла составлял 400 nm, диаметр отверстий и Au дисков 220 nm, глубина отверстий варьировалась от 75 до 450 nm. Показано, что максимум поля на длинах волн ~2.5 μm обусловлен возбуждением изолированных локализованных поверхностных плазмонов. Оптический резонанс в области длин волн 1.7 μm связан с генерацией латеральной моды, распространяющейся в слое с квантовыми точками между нанодисками Au и возникающей в результате взаимодействия изолированных поверхностных плазмонов с модами фотонного кристалла. Ключевые слова: оптическая телекоммуникация, квантовые точки Ge/Si, локализованные поверхностные плазмоны, волноводные моды, усиление электромагнитного поля.
- K.L. Wang. Proc. IEEE 95, 1866 (2007)
- A.V. Dvurechenskii, A.I. Yakimov. In Advances in semiconductor nanostructures / ed. by A.V. Latyshev, A.V. Dvurechenskii, A.L. Aseev. Elsevier, Amsterdam (2017), p. 59
- S. Law, V. Podolskiy, D. Wasserman. Nanohotonics 2, 103 (2013)
- S.C. Lee, S. Krishna, S.R.J. Brueck. Opt. Express 17, 23160 (2009)
- C.-C. Chang, Y. D. Sharma, Y.-S. Kim, J. A. Bur, R.V. Shenoi, S. Krishna, D. Huang, S.-Y. Lin. Nano Lett. 10, 1704 (2010)
- R. Liu, P. Vasinajindakaw, G. Gu, J. Vaillancourt, X. Lu. J. Appl. Phys. D: Appl. Phys. 46, 015102 (2013)
- H. Liu, Y. Kang, T. Meng, C. Tian, G. Wei. Nanoscale Res. Lett. 15, 98 (2020)
- A. Yakimov, V. Kirienko, A. Bloshkin, A. Dvurechenskii, D. Utkin. J. Appl. Phys. D: Appl. Phys. 53, 335105 (2020)
- W. Wu, A. Bonakdar, H. Mohseni. Appl. Phys. Lett. 96, 161107 (2010)
- G. Gu, J. Vaillancourt, X. Lu. Opt. Express 22, 24970 (2014)
- Y. Wu, J. Niu, M. Danesh, J. Liu, Y. Chen, L. Ke, C. Qui, H. Yang. Appl. Phys. Lett. 109, 041106 (2016)
- M. Auger-Berger, V. Tretnak, F.-P. Wenzl, J.R. Krenn, E. List-Kratochvil. Appl. Phys. Lett. 111, 173301 (2017)
- X. Tang, G.F. Wu, K.W. Lai. J. Mater. Chem. C 5, 362 (2017)
- A. Yakimov, V. Kirienko, A. Bloshkin, A. Dvurechenskii, D. Utkin. J. Appl. Phys. 128, 143101 (2020)
- W.O.F. Carvalho, J.R. Mejia-Salazar. Sensors 20, 2488 (2020)
- W.L. Barnes, A. Dereux, T.W. Ebbesen. Nature 424, 824 (2003)
- J.D. Joannopoulos, S.G. Johnson, J.N. Winn, R.D. Meade. Photonic crystals: Molding the flow of light (Princeton University Press, Princeton, 2008)
- S.A. Dyakov, M.V. Stepikhova, A.A. Bogdanov, A.V. Novikov, D.V. Yurasov, M.V. Shaleev, Z.F. Krasilnik, S.G. Tikhodeev, N.A. Gippius. Laser Photonics Rev. 15, 2000242 (2021)
- H. Saito, H. Kurata. J. Appl. Phys. 117, 133107 (2015)
- B. Zhang, Y. Bian, L. Ren, F. Guo, S.-Y. Tang, Z. Mao, X. Liu, J. Sun, J. Gong, X. Guo, T. J. Huang. Sci. Rep. 7, 40479 (2017)
- A. Messner, D. Moor, D. Chelladurai, R. Svoboda, J. Smajic, J. Leuthold. APL Photon. 8, 100901 (2023)
- A. Yakimov, V. Kirienko, A. Bloshkin, D. Utkin, A. Dvurechenskii. Phys. Status Solidi A, 222, 202500606 (2025)
- A. Yakimov, V. Kirienko, A. Bloshkin, D. Utkin, A. Dvurechenskii. Nanomaterials 11, 2302 (2021)
- Comsol Multiphysics software. http://comsol.com
- А.А. Блошкин, А.И. Якимов. ФТП 59, 235 (2025)
- H.H. Li. J. Phys. Chem. Ref. Data 9, 561 (1980)
- H. Zhang, N. Kavanagh, Z. Li, J. Zhao, N. Ye, Y. Chen, N. Wheeler, J.Wooler, J. Hayes, S. Sandoghchi. Opt. Express 23, 4946 (2015)
- Z. Li, A. Heidt, J. Daniel, Y. Jung, S. Alam, D.J. Richardson. Opt. Express 21, 9289 (2013)
- D.J. Richardson. Science 330, 327 (2010)
- А.И. Якимов, В.В. Кириенко, А.А. Блошкин, А.В. Двуреченский, Д.Е. Уткин. ФТП 58, 386 (2024).