OSOBENNOSTI PEREKhODA DIELEKTRIChESKOY PRONITsAEMOSTI V OBLAST' OTRITsATEL'NYKh ZNAChENIY V LEGIROVANNOM KREMNII V TERAGERTsEVOM DIAPAZONE SPEKTRA PRI VOZDEYSTVII SIL'NYKh ELEKTRIChESKIKh POLEY

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Представлены результаты экспериментальных исследований перехода диэлектрической проницаемости легированного кремния n-типа в отрицательную область значений в терагерцевом спектральном диапазоне при воздействии электромагнитной волны с амплитудой электрического поля до 9 МВ/см. Экспериментально показано, что при напряженности электрического поля ~100 кВ/см в спектре коэффициента отражения наблюдается минимум, обусловленный равенством частоты источника ТГц-излучения и плазменной частоты, при котором действительная часть диэлектрической проницаемости кремния становится отрицательной. При увеличении напряженности электрического поля свыше 1 МВ/см переход диэлектрической проницаемости в область отрицательных значений определяется концентрацией носителей, частотой электронных столкновений и не зависит от частоты этой волны. При этом минимум в коэффициенте отражения исчезает, и коэффициент отражения остается практически постоянным во всем исследуемом спектральном диапазоне от 0.8 до 2.5 ТГц. В этом случае действительная часть диэлектрической проницаемости переходит в область отрицательных значений при равенстве плазменной частоты и частоты электронных столкновений.

References

  1. Leitenstorfer A., Moskalenko A.S., Kampfrath T., Kono J., Castro-Camus E., Peng K., Qureshi N., Turchinovich D., Tanaka K., Markelz A.G., Havenith M., Hough C., Joyce H.J., Padilla W.J., Zhou B., Kim K.Y., Zhang X.C. et al. The 2023 Terahertz Science and Technology Roadmap // J. Phys. D. Appl. Phys. 2023. V. 56. № 22. P. 223001.
  2. Shekhar S., Bogacrts W., Chrostowski L., Bowers J.E., Hochberg M., Soref R., Shastri B.J. Roadmapping the Next Generation of Silicon Photonics // Nat. Commun. 2024. V. 15. № 1. P. 751.
  3. Ducournau G. Silicon Photonics Targets Terahertz Region // Nat. Photonics. 2018. V. 12. № 10. P. 574.
  4. Xie J., Ye W., Zhou L., Guo X., Zang X., Chen L., Zhu Y. A Review on Terahertz Technologies Accelerated by Silicon Photonics // Nanomaterials. 2021. V. 11. № 7. P. 1646.
  5. Koch M., Mittleman D.M., Ornik J., Castro-Camus E. Terahertz Time-domain Spectroscopy // Nat. Rev. Methods Prim. 2023. V. 3. № 1. P. 48.
  6. Van Exter M., Grischkowsky D. Carrier Dynamics of Electrons and Holes in Moderately Doped Silicon // Phys. Rev. B. 1990. V. 41. № 17. P. 12140.
  7. Sokolowski-Tinten K., von der Linde D. Generation of Dense Electron-hole Plasmas in Silicon // Phys. Rev. B. 2000. V. 61. № 4. P. 2643.
  8. Sokolowski-Tinten K., Bialkowski J., von der Linde D. Ultrafast Laser-induced Order-disorder Transitions in Semiconductors // Phys. Rev. B. 1995. V. 51. № 20. P. 14186.
  9. Sabbah A.J., Riffe D.M. Femtosecond Pump-probe Reflectivity Study of Silicon Carrier Dynamics // Phys. Rev. B. 2002. V. 66. № 16. P. 165217.
  10. Tanaka K., Hirori H., Nagai M. THz Nonlinear Spectroscopy of Solids // IEEE Trans. Terahertz Sci. Technol. 2011. V. 1. № 1. P. 301.
  11. Chefonov O.V., Ovchinnikov A.V., Romashevsky S.A., Chai X., Ozaki T., Savelev A.B., Agranat M.B., Fortov V.E. Giant Self-induced Transparency of Intense Few-cycle Terahertz Pulses in n-Doped Silicon // Opt. Lett. 2017. V. 42. № 23. P. 4889.
  12. Chefonov O.V., Ovchinnikov A.V., Agranat M.B., Fortov V.E., Ejmenko E.S., Stepanov A.N., Savelev A.B. Nonlinear Transfer of an Intense Few-cycle Terahertz Pulse Through Opaque n-Doped Si // Phys. Rev. B. 2018. V. 98. № 16. P. 165206.
  13. Hirori H., Shinokita K., Shirai M., Tani S., Kadoya Y., Tanaka K. Extraordinary Carrier Multiplication Gated by a Picosecond Electric Field Pulse // Nat. Commun. 2011. V. 2. № 1. P. 594.
  14. Joyce H.J., Boland J.L., Davies C.L., Baig S.A., Johnston M.B. A Review of the Electrical Properties of Semiconductor Nanowires: Insights Gained from Terahertz Conductivity Spectroscopy // Semicond. Sci. Technol. 2016. V. 31. № 10. P. 103003.
  15. Tarekegne A.T., Hirori H., Tanaka K., Iwaszczuk K., Jepsen P.U. Impact Ionization Dynamics in Silicon by MV/cm THz Fields // New J. Phys. 2017. V. 19. № 12. P. 123018.
  16. Zielbauer J., Wegener M. Ultrafast Optical Pump THz-probe Spectroscopy on Silicon // Appl. Phys. Lett. 1996. V. 68. № 9. P. 1223.
  17. Lloyd-Hughes J., Jeon T.-I. A Review of the Terahertz Conductivity of Bulk and Nano-materials // J. Infrared, Millimeter, Terahertz Waves. 2012. V. 33. № 9. P. 871.
  18. Ulatowski A.M., Herz L.M., Johnston M.B. Terahertz Conductivity Analysis for Highly Doped Thin-film Semiconductors // J. Infrared, Millimeter, Terahertz Waves. 2020. V. 41. № 12. P. 1431.
  19. Meng F., Thomson M.D., Sernelius B.E., Jörger M., Roskos H.G. Ultrafast Dynamic Conductivity and Scattering Rate Saturation of Photoexcited Charge Carriers in Silicon Investigated with a Midinfrared Continuum Probe // Phys. Rev. B. 2015. V. 91. № 7. P. 075201.
  20. Japanam M.E., Auumkoe C.H., Haanoe A.A., Konauenko A.B., Oswinnikos A.B., Фортос В.Е. Тераптическая фемтосекундная лазерная система на хром-форетерите // Квант. электрон. 2004. Т. 34. № 6. С. 506.
  21. Румянцев Б.В., Пушкин А.В., Сулейманов Д.З., Жидобов Н.А., Потемкин Ф.В. Генерация перестраиваемого мощного малопериодного терагерцового излучения в органических кристаллах при накачке мультигигаваттными чирпированными лазерными импульсами ближнего ИК диапазона на длине волны 1.24 мкм // Письма ЖЭТФ. 2023. Т. 117. № 8. С. 571.
  22. Horii H., Ueda A., Hayashi Y. Optimization of Effective Electron Mass in Strained Silicon Nanosheets // AIP Adv. 2024. V. 14. № 1. P. 15013.
  23. Hoffmann M.C., Hebling J., Hwang H.Y., Yeh K.-L., Nelson K.A. THz-pump/THz-probe Spectroscopy of Semiconductors at High Field Strengths [Invited] // J. Opt. Soc. Am. B. 2009. V. 26. № 9. P. A29.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2025 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных

 

Используя сайт https://journals.rcsi.science, я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных») даю согласие на обработку персональных данных на этом сайте (текст Согласия) и на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика» (текст Согласия).