Terahertzová (THz) oblast elektromagnetického záření leží mezi infračervenou oblastí a mikrovlnami, tj. mezi 100 GHz a 10 THz. Tyto vlny jsou schopné vybudit polární kmity mříže v pevných látkách a vibrace větších řetězců biomolekul, indukovat plasmové oscilace volných nosičů náboje s koncentracemi ~1014-1018 cm-3 a interagovat s nosiči náboje lokalizovanými v nanočásticích. Až do počátku 90. let 20. století byly spektroskopické aplikace využívající této spektrální oblasti značně omezeny a čítaly pouze astronomii a analytickou chemii, protože nebyly k dispozici ani intenzivní zdroje záření ani citlivé detektory. Až nedávné objevy a inovace v oblasti fotoniky a nanotechnologií vedly k dramatickému vzrůstu zájmu vědecké obce i průmyslových podniků o THz výzkum a aplikace.
Naše skupina používá tzv. optoelektronický přístup ke generování a detekci širokopásmových THz pulsů, při němž se využívá frekvenční konverze ultrakrátkých optických pulsů do THz spektrální oblasti. Tato technika se nazývá THz spektroskopie v časovém oboru a je schopna měřit komplexní dielektrická a vodivostní spektra různých typů vzorků ve spektrální oblasti od 5 do 80 cm-1. Navíc fakt, že generování a detekce THz záření jsou synchronizovány s laserovými pulsy otevírá možnost provádět časově rozlišené experimenty v daleké infračervené spektrální oblasti, kdy je vzorek nejprve vybuzen optickým pulsem (v ultrafialové, viditelné nebo infračervené oblasti) a poté se jeho odezva sonduje časově zpožděným THz pulsem. Tato metoda umožňuje měřit ultrarychlou fotovodivost vzorků se na sub-pikosekundové až nanosekundové časové škále.
(Více informací na samostatných stránkách THz skupiny.)
Nanostrukturované a organické polovodiče tvoří základ řady perspektivních materiálů pro solární články nové generace. Účinnost těchto článků souvisí mj. s rychlostí transportu nosičů náboje a pochopení mechanismů jejich transportu je klíčové k jejímu zvyšování. Zde se zabýváme procesy probíhajícími na sub-nanosekundové časové škále a k jejich studiu používáme časově rozlišenou terahertzovou spektroskopii a numerických Monte-Carlo simulací. Díky současnému použití experimentálních a teoretických technik jsme porozuměli mechanismům transportu v řadě komplexních materiálů.
Ve filmech nanočástic ZnO a TiO2 jsme popsali souvislost terahertzových spekter s mechanismy transportu uvnitř nanočástic a mezi nanočásticemi [H. Němec a kol., Phys. Rev. B 79, 115309 (2009)]. Tyto poznatky nám později umožnily určit vliv malých a velkých zrn v mikrokrystalickém křemíku na transport nosičů náboje [L. Fekete a kol., Phys. Rev. B 79, 115306 (2009)]. Ve směsi polymeru a elektronového akceptoru jsme zjistili, že pohyb děr po řetězcích polymeru je podstatně omezen potenciálovými bariérami, které mohou souviset např. s torzí řetězců polymeru [H. Němec a kol., Phys. Rev. B 79, 245326 (2009)].
Obr. 1: Schéma principu transportu náboje ve směsi polymeru LBPP1 a fullerenového akceptoru. Vpravo nahoře je znázorněn model potenciálových barier použit k výpočtu transportu náboje mezi jednotlivými segmenty polymeru; vlevo dole je vynesen dramatický pokles vodivosti vlivem lokalizace náboje mezi potenciálovými barierami pozorovaný na sub-pikosekundové časové škále.
Metamateriály jsou uměle vytvořené kompozitní periodické struktury s elementární buňkou mnohem menší než vlnová délka záření, pro kterou jsou určeny. Tyto materiály mohou představovat prostředí s elektromagnetickými vlastnostmi, které se v přírodě nevyskytují. Ukazuje se, mimo jiné, že vhodnou kombinací použitých složek je možné vytvořit např. tzv. „plášť neviditelnosti“ nebo destičky se záporným indexem lomu umožňující překonat difrakční mez při optickém zobrazování. Těchto vlastností lze ale využít vždy jen v úzkém spektrálním oboru vymezeném šířkou velmi ostrých magnetických rezonancí (permeability). Z tohoto důvodu jsme navrhli a experimentálně realizovali metamateriál s laditelným rozsahem záporné efektivní permeability v terahertzové spektrální oblasti (0.2 – 0.36 THz) [H. Němec a kol., Phys. Rev. B 79, 241108 (2009)].
Tato struktura je tvořena polem nemagnetických tyčinek z incipientního ferroelektrika SrTiO3, které má vysokou laditelnou permitivitu. Magnetické odezvy a jejího ladění je dosaženo díky teplotní závislosti permitivity SrTiO3, která určuje rezonantní lokalizaci elektromagnetického pole uvnitř tyčinek (tzv. Mieovy rezonance). Spektrální polohy rezonancí pak závisí na geometrických parametrech tyčinek a na jejich laditelné permitivitě. Elektromagnetická vazba mezi sousedními tyčinkami je zanedbatelná. Při vhodném poměru rozměrů tyčinek lze též dosáhnout širokopásmové magnetické odezvy [R. Yahiaoui a kol., Opt. Lett. 34, 3451 (2009)]. (více...)
Obr. 2: (a) Struktura metamateriálu změřená v transmisním elektronovém mikroskopu. (b) Transmisní spektra získaná při různých teplotách; ostré minimum odpovídá nejnižší Mieově rezonanci, která je spojena s efektivní magnetickou odezvou. (c) Efektivní magnetická permeabilita (Re μ and Im μ) při pokojové teplotě.
Copyright © 2008-2010, Fyzikální ústav AV ČR, v. v. i.
