Взаимодействие лазерного излучения с графеном и наноструктурами на его основе: оптические и фотоэлектрические эффекты тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

Образцов Петр Александрович

Взаимодействие лазерного излучения с графеном и наноструктурами на его основе: оптические н фотоэлектрические эффекты

01.04.21 - «Лазерная физика»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

4850917

Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Институте обшей физики имени A.M. Прохорова РАН

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук Гарнов Сергей Владимирович

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук Шафеев Георгий Айратовнч

(Институт обшей физики имени A.M. Прохорова РАН)

кандидат физико-математических наук, доцент Морозов Вячеслав Борисович

(Физический факультет Московского государственного университета имени М.В.Ломоносова)

Ведущая организация:

Институт спектроскопии РАН, г. Троицк

Зашита состоится «27» июня 2011 года в 15 часов на заседании диссертационного совета Д 002.063.02 при Институте общей физики им. A.M. Прохорова РАН по адресу 119991, ГСП-1, Москва, ул. Вавилова, д. 38, корп. 1, конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института общей физики им. A.M. Прохорова РАН.

Автореферат разослан «25» мая 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Макаров В.П. тел. +7 (499) 503-83-94

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Углеродные материалы находят широкое применение в различных областях науки и техники, что стимулирует постоянный интерес к их исследованию. Помимо практических применений, углеродные материалы представляют интерес и с точки зрения фундаментальной науки. В частности, графит на протяжении долгого времени служил наглядной моделью для изучения физики твердого тела и стал одним из первых материалов, к которому была применена квантовая теория твердого тела [1].

Открытие новых наноструктурированных форм углерода в виде фуллеренов в 1985 г. [2] и углеродных нанотрубок в 1991 г. [3] значительно повлияло на развитие физики наноматериалов и вызвало рост интереса к исследованию физических и химических свойств наноструктур. Всесторонние исследования углеродных наноматериалов в течение последних десятилетий позволили не только выявить их уникальные свойства, но и научиться управлять ими. Так, например, оптические свойства и тип проводимости нанотрубок определяются их геометрическими характеристиками [4,5].

Практическая демонстрация возможности отделения и стабильного существования графена, продемонстрированная в 2004 году [6], стала настоящим прорывом в исследовании углеродных материалов. Графен, представляя собой монослой атомов углерода, объединенных в гексагональную решетку, является структурной основой графита, нанотрубок и других форм наноутлерода с доминирующей 8р" гибридизацией электронных орбиталей. Кроме этого, отделение графена открыло перспективу экспериментального исследования физических свойств двумерных структур, прежде доступных только для теоретического моделирования.

Двумерность графена проявляется в его уникальных оптических и электронных свойствах. Носители заряда в графеме обладают очень высокой подвижностью, а их движение описывается двумерным уравнением Дирака, а не уравнением Шредингера, как в объемных полупроводниках [8]. Нулевая запрещенная зона и линейный закон дисперсии энергии электронов обеспечивают плоский в широком диапазоне (от УФ до ИК) спектр оптического поглощения графема. При этом, коэффициент поглощения монослоя графена определяется исключительно постоянной тонкой структуры и не зависит от других параметров, определяемых материалом [9]. Увеличение количества слоев приводи т к росту поглощения пропорционально числу слоев, поскольку каждый добавленный слой поглощает 2,3 % интенсивности падающего излучения. Таким образом, в многослойном графене (с числом слоев не более 50) форма спектра поглощения остается неизменной, а коэффициент поглощения пропорционален числу моноатомных слоев. Такие электронно-оптические свойства открывают перспективу применения графена и наноструктур на его основе в оитоэлектронике, высокочастотной наноэлектропике и лазерной технике [10.11]. В частности, одним из перспективных направлений является использование графема и нанотрубок в качестве пассивных затворов (насыщающихся поглотителей) для создания лазеров ультракоротких импульсов [12-15].

Несмотря на интенсивные исследования оптических свойств графена и других материалов па его основе, многие вопросы до сих нор остаются открытыми. К числу таких не до конца выясненных проблем относятся механизмы взаимодействия материалов на основе графена с лазерным излучением. Указанные обстоятельства, а

также широкий круг перспективных применений, делают актуальными исследования взаимодействия лазерного излучения с материалами на основе графена.

Целью дпссертаииопной работы являлось экспериментальное исследование нелинейно-оптических процессов, происходящих при взаимодействии лазерного излучения с графеном и другими наноуглеродиыми материалами на его основе. Для достижения сформулированной цели решались следующие задачи:

1. Исследовались фотоэлектрические эффекты, проявляющиеся в графене и наноструктурах па его основе при их взаимодействии с ианосекундными лазерными импульсами.

2. Изучались фотоэлектрические эффекты и генерация терагерцового (ТГц) излучения в графене и тонких графитных пленках при их взаимодействии с фемтосекундными лазерными импульсами.

3. Методом спектроскопии «возбуждения-зондирования» («pump-probe») с фемтосекундным временным разрешением исследовались нелинейно-оптические свойства полимерных пленок, содержащих одиостенные углеродные нанотрубки.

4. Изучалась возможность реализации режима синхронизации мод в различных видах твердотельных лазеров с помощью полимерных пленок с внедренными в них одностеиными углеродными нанотрубками.

5. Методом «pump-probe» спектроскопии исследовались нелинейно-оптические свойства графена в широком диапазоне длин волн накачки (1100-1700 им) и зондирования (900-1700 нм). Определялись спектральные особенности и временная динамика фотовозбужденного состояния.

Научная новизна:

В данной работе впервые:

1. Проведено комплексное исследование фотоэлектрических эффектов, возникающих в углеродных волокнах, скрученных из нанотрубок, и в нанографитных пленках при их взаимодействии с ианосекундными лазерными импульсами в спектральном диапазоне от 532 до 4000 нм. Определены поляризационные зависимости обнаруженных фотоэлектрических эффектов.

2. Экспериментально продемонстрирована возможность генерации терагерцовых импульсов в графене и измерены поляризационные зависимости генерируемого импульсного ТГц излучения.

3. Определены характеристики насыщающегося поглощения полимерных пленок, содержащих одностенные углеродные нанотрубки.

4. С помощью полимерных пленок на основе одностенных углеродных нанотрубок показана возможность реализации режима пассивной синхронизации мод в твердотельных NdiYo.oGdoi VO,(, Nd:GdV04 и Nd:YAG лазерах, работающих на длинах волн 1340 нм и 1320 нм.

5. Методом «pump-probe,, спектроскопии в ИК диапазоне исследована динамика носителей заряда в графене, при возбуждении как в высшие, так и в низшие, по сравнению с энергией кванта накачки, энергетические состояния зоны проводимости. Спектральные особенности динамики носителей объяснены влиянием Оже-процессов, обусловленных электрон-электронным взаимодействием.

Практическая ценность:

Нелинейно-оптические эффекты, обнаруженные и исследованные в данной работе, могут иметь широкий круг применений. Наличие фотоэлектрического отклика материалов на основе графена обеспечивает возможность создания быстрых поляризационно-чувствительных фотодетекторов, работающих в широком (включая ИК) спектральном диапазоне. Обнаруженный эффект генерации ТГц излучения в графеме может быть применен для создания компактных источников/приемников терагерцового излучения.

Результаты «pump-probe» спектроскопии и экспериментов по созданию твердотельных лазеров, работающих в режиме пассивной синхронизации мод, наглядно демонстрируют перспективность использования графена и нанотрубок для создания лазеров сверхкоротких импульсов. Кроме этого, полученные результаты открывают перспективу создания новых источников лазерного излучения, использующих малоуглеродные материалы в качестве активных сред.

Личный вклад:

Все результаты, представленные в работе, получены соискателем лично, либо в соавторстве при его непосредственном участии.

Защищаемые положения:

1. Под действием импульсного лазерного излучения в наноструктурах на основе графена (напографит, углеродные волокна из нанотрубок) возникает направленное движение электронов, зависящее от поляризации световой волны и обусловленное эффектами оптическою выпрямления, фотонного увлечения электронов и поверхностным фотогальваническим эффектом.

2. Графен и напографит, возбужденный фемтосекундным лазерным излучением, являются источниками ТГц электромагнитных волн, амплитуда и фаза которых зависит от поляризации и угла падения света.

3. Полимерные пленки, содержащие одностенные углеродные панотрубки, являются эффективными нелинейно-оптическими средами для синхронизации мод в твердотельных лазерах (Nd:Y09Gd0iiVO4, Nd:GdV04 , Nd:YAG), работающих в ближнем ИК диапазоне.

4. Фемтосекундное лазерное излучение приводит к фотовозбуждению в графене носителей заряда в энергетические состояния зоны проводимости как с меньшей, гак и с большей энергией относительно энергии кванта возбуждения.

Апробация работы:

Основные результаты были доложены па российских и международных конференциях:

1. Всероссийская конференция молодых ученых "Фундаментальные и прикладные задачи нелинейной физики", 1 - 7 марта, 2008, Нижний Новгород, Россия.

2. International Workshop "Nanocarbon Photonics and Optoelectronics", 3-9 August 2008, Holiday Centre Huhmari, Polvijarvi, Finland

3. XXIII International Winterschool on Electronic Properties of Novel Materials, 7-14 March 2009, Kirchberg, Austria

4. The Eighth Japan-Finland Joint Symposium on Optics in Engineering, 3-5 September 2009, Tokyo, Japan.

5. The Second International Workshop "Nanocarbon Photonics and Optoelectronics" 2010, Koli, Finland, 1-6 August 2010.

6. International Conference "Graphene Brazil 2010", Belo Horizonte, Brazil, 14-17 December, 2010.

7. International Conference "Optics Days 2010", Tampere, Finland.

8. International Conference "Nanoscience Days 2010", Jyvaskyla, Finland.

Публикации:

Основные результаты работы опубликованы в 18 работах: в 7 статьях в реферируемых научных журналах и в 11 тезисах конференций. Список публикаций приведен в конце автореферата. Ссылки в тексте, обозначенные [А№], находятся в «Списке публикаций по теме диссертации».

Структура н объем работы:

Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Объем диссертации составляет 108 страниц, включая 43 рисунка и список литературы из 110 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обоснована актуальность проведенных исследований, сформулированы цель и задачи работы, показаны научная новизна и практическая значимость полученных результатов, указаны основные положения, выносимые иа защиту.

Первая глава содержит обзор литературных данных по электронным и оптическим свойствам графена и материалов иа его основе.

В первом параграфе кратко описаны основные методы получения графена. Рассмотрена атомная и электронная структура графена и его модификаций. Показана структурная связь графена с другими материалами, такими как углеродные нанотрубки и графит. Приведены данные об электронных свойствах графена и их взаимосвязи со свойствами ианотрубок и графита.

Второй параграф посвящен оптическим свойствам графена и ианотрубок. Здесь дан обзор литературных данных по спектроскопии линейного оптического поглощения углеродных материалов на основе графена и их основных оптических характеристиках, в том числе коэффициенту оптического поглощения однослойного графена. Проведен сравнительный анализ оптических свойств графена и ианотрубок. Также в этом параграфе приведены данные гго наблюдению нелинейно-оптических эффектов в графенс и в других напоуглеродных материалах. Показана природа возникновения нелинейности и обусловленные ею эффекты. Дан обзор работ, посвященных изучению нелинейных свойств ианотрубок и графена методом нелинейной спектроскопии «возбуждения-зондирования» («pump-probe») с фемтосекундным временным разрешением. Проанализированы литературные данные о временной динамике электронного возбуждения и влияющих на нее взаимодействиях в графене (электрон-фотонное, электрон-электронное и электрон-фоионное взаимодействия).

Анализу перспектив применения материалов на основе графена в лазерной технике и оптоэлектронике посвящены последующие два параграфа.

В третьем параграфе приведен анализ экспериментальных работ по созданию лазеров ультракоротких импульсов, в которых режим пассивной синхронизации мод осуществляется с помощью материалов на основе графена и ианотрубок. Показана перспективность данных материалов для реализации режима модуляции добротности и самосинхронизации мод в различных чипах лазеров, работающих в очень широком спектральном диапазоне.

В четвертом параграфе дан обзор работ по применению графена и ианотрубок в качестве детекторов/источников электромагнитного излучения в широком диапазоне вплоть до ТГц. Приведены сведения о наблюдении фотоэлектрических эффектов в нанографите.

Вторая глава посвящена описанию исследовавшихся в работе образцов материалов на основе графена (графем, нанографитные пленки, нанотрубки, углеродные волокна), методик их исследования и экспериментальных установок.

В первом параграфе дано краткое описание методов получения и структуры образцов полимерных пленок с внедренными одностенными углеродными наиотрубками. В пленках использовались нанотрубки, созданные методом разложения оксида углерода при высоком давлении (HipCO). В качестве полимерной

основы пленок использовался 1% водный раствор карбоксиметилцеллюлозы. Приведены

характеристики пленочных образцов с нанотрубками: толщина, размер, концентрация и диаметр нанотрубок. Дано описание структуры углеродных волокон, скрученных из многостенных углеродных нанотрубок, использовавшихся в фотоэлектрических экспериментах.

Представлены две разновидности метода газофазного химического осаждения (СУО). Метод плазмохимического осаждения из смеси водорода и метана позволяет получать образцы разного типа, варьируя параметры роста (тип подложки, концентрацию газов, температуру и время). Таким методом были получены образцы многослойного графена и нанографита, исследованые в данной работе.

Для получения сверхтонких пленок графита и графена применялась другая модификация метода СУО. В данной модификации рост графена происходит на металлической подложке (никель, медь), нагреваемой за счет пропускания электрического тока при приложении разности потенциалов к ее краям. Возможность быстрого охлаждения подложки в таком методе обеспечивает малую толщину получаемых, графеновых пленок. В этом параграфе приведены также геометрические и электрофизические характеристики образцов всех типов и их

Рис. 1. Изображения исследуемых образцов: а) углеродное волокно из нанотрубок; б) нанографитная пленка; в) многослойный графен; г) полимерные пленки, содержащие одностенн ы е углеродны е нанотрубки, нанесенные на кварцевые подложки. Изображения а)-в) получены с помощью сканирующего электронного микроскопа, г) -фотография.

электронно-микроскопические изображения.

Во втором параграфе перечислены методы исследований и оборудование, использовавшиеся в данной работе.

В первом разделе описан метод спектроскопии линейного поглощения. Все образцы полимерных пленок, содержащих одностенные углеродные нанторубки, а также образцы графена (полученные двумя различными методами, см. выше) были охарактеризованы с помощью этого метода. Для получения спектров оптического поглощения использовался спектрофотометр фирмы Perk in Elmer (модель Lambda-950). Проанализирована зависимость спектров оптического поглощения исследуемых пленок от толщины пленки, диаметров и концентрации нанотрубок. Помимо спектра поглощения исследуемого пленочного образца данный метод позволяет определять концентрацию нанотрубок различного диаметра в составе пленки. Спектроскопия оптического поглощения продемонстрировала себя как относительно простой и точный способ определения количества графеновых слоев. Поскольку, графен имеет постоянное в широком спектральном диапазоне значение коэффициента поглощения -каждый монослой графена поглощает -2.3% падающего на него излучения, то измеренный спектр поглощения позволяет рассчитать количество моноатомных слоев в исследуемом образце [9]. Все образцы графена, исследованные в данной работе,

были охарактеризованы этим методом. Соответствующие спектры поглощения приводятся для всех исследованных образцов графена.

Второй раздел посвящен описанию лазерных установок и систем регистрации, использовавшихся при фотоэлектрических измерениях. Для проведения экспериментов по наблюдению фотоэлектрических явлений индуцированных лазерным излучением в материалах на основе графена, использовалось две различные лазерные установки.

В экспериментах по наблюдению фото-э.д.с., использовался импульсный NdrYAG лазер с ламповой накачкой (длина волны 1064 нм, длительность импульса 10 не, частота повторения от 1 до 10 Гц. максимальная энергия в импульсе 10 мДж). Помимо основной гармоники (1064нм), для накачки использовалась вторая гармоника (532 нм), а также излучение параметрического генератора света (диапазон параметрического преобразования 1064 - 5000 нм), с накачкой основной гармоникой Nd:YAG лазера. В параграфе приведены оптические схемы Nd:YAG лазера, параметрического генератора, а также характеристики нелинейных кристаллов, использовавшихся для генерации второй гармоники и параметрического преобразования света. Контроль поляризации возбуждающего лазерного излучения осуществлялся с помощью четвертьволновой пластинки и призмы Глана. Для изменения мощности накачки использовался набор фильтров и четвертьволновая пластинка. Мощность накачки измерялась пироэлектрическим приемником QE-15 фирмы Gentec-EO. Индуцированная фото-э.д.с.. регистрировалась с помощью быстродействующего осциллографа LeCroy (модель WaveSurfer 400. полоса пропускания 400 МГц), подключенного к медным электродам, размещенным на образце. Запуск осциллографа осуществлялся синхронно с частотой повторения лазерных импульсов. Приведена общая схема экспериментальной установки для фотоэлектрических измерений.

В экспериментах по регистрации терагерцового излучения, индуцированного в нанографите, в качестве накачки использовалось излучение фемтосекундного титан-сапфирового (Ti:Sa) регенеративного усилителя (длина волны 800 нм, средняя мощность 600 мВт, длительность импульса 200 фс, частота повторения 120 кГц). Система регистрации терагерцового излучения, представляла собой систему золотых сферических зеркал, нелинейный кристалл ZnTe и систему фотодетекторов, подключенных к синхронному усилителю. Данная экспериментальная установка позволяла контролировать состояние поляризации лазера, а также выделять направление поляризации регистрируемого ТГц излучения. Представлены оптические схемы лазера накачки и системы регистрации. Для анализа экспериментальных данных производилось Фурье преобразование регистрируемых временных разверток ТГц импульсов.

Четвертый раздел посвящен экспериментальной установке «pump-probe» с фемтосекундным временным разрешением. В качестве источника накачки в данной установке использовался фемтосекундный Ti:Sa лазер с центральной длиной волны 800 нм, длительностью импульса 120 фс и частотой повторения импульсов 1 кГц. Для проведения измерений в широком диапазоне длин волн накачки выходное излучение Ti:Sa лазера преобразовывалось в параметрическом усилителе. Использование параметрического усилителя позволило плавно перестраивать в диапазоне 800-1700 нм длину волны оптической накачки. В качестве зондирующего излучения использовался фемтосекундный континуум генерируемый Ti:Sa лазером в кристалле сапфира. Интересующая часть спектра континуума выделялась с помощью фильтров

и фокусировалась на исследуемом образце. Для регистрации спектра зондирующего излучения, прошедшего сквозь исследуемый образец, в установке использовался монохроматор с ПЗС линейкой, производства компании CDP Systems Corp.

В пятом разделе приведено описание твердотельных лазеров, в которых был реализован режим пассивной синхронизации мод с использованием пленочных модуляторов на основе углеродных нанотрубок. В качестве активных сред в данных лазерах использованы кристаллы Nd:Y0,9Gd0,iVO4, Nd:GdV04 и Nd:YAG. Накачка Nd:YovGdoiV04 и Nd:GdV04 лазерных кристаллов осуществлялась лампой-вспышкой. Для Nd:YAG использовалась диодная накачка на длине волны 808 нм. Представлены оптические схемы лазерных резонаторов, а также схема системы регистрации и анализа выходного лазерного излучения.

волокнах. Показано, что лазерное отклик в углеродных волокнах.

Третья глава посвящена результатам исследований фотоэлектрических эффектов в нанографите и углеродных волокнах из нанотрубок.

В первом параграфе представлены результаты экспериментов по наблюдению фотоэлектрического отклика в углеродных излучение индуцирует фотоэлектрический закрепленных между двумя проводящими электродами. Обнаружено, что форма электрического импульса,

индуцированного в образце, практически повторяет форму импульса лазерного излучения. При этом, амплитуда и полярность индуцированного импульса существенно зависят от угла падения линейно поляризованного возбуждающего излучения на образец и ориентации измерительных электродов относительно плоскости падения. Приведены и проанализированы измеренные угловые зависимости электрического отклика углеродных волокон. В результате проведенных экспериментов установлено, что амплитуда фотоиндуцированной разности потенциалов пропорциональна косинусу угла () между направлением электродов и плоскостью падения, при фиксированной мощности лазерного излучения и угле падения а. В частности, электрический сигнал исчезает, при ориентации измерительных электродов параллельно плоскости падения (р=±90°). При р=±180° амплитуда сигнала практически совпадает с сигналом противоположной полярности. Зависимость амплитуды сигнала оптического выпрямления от угла падения а является нечетной функцией.

Ю

Рис.2. Зависимости амплитуды (V) оптоэлектрического отклика от: а) угла падения а лазерного излучения; б) азимутального угла /1. Вставки на графиках показывают взаимную ориентацию образца и лазерного пучка в экспериментальной установке.

Измеренные угловые зависимости представлены на Рис.2. Такой вид зависимости амплитуды электрического сигнала от угла падения лазерного излучения на волокна обусловлен электронными свойствами и структурой углеродного материала. Отсутствие подобных зависимостей в объемном графите позволяет сделать вывод о том, что обнаруженный эффект связан с характерной модификацией электронной структуры в углеродных волокнах. Баллистический характер движения электронов в этом материале обеспечивает достаточно большие времена релаксации импульса, несмотря па сильное электрон-фононное взаимодействие. Малая, по сравнению с глубиной проникновения света в материал, толщина углеродных волокон обеспечивает объемное возбуждение электронов находящихся в освещаемой области образца. Таким образом, взаимодействие лазерного излучения с углеродными волокнами может приводить к возникновению электрического тока, обусловленного увлечением электронов фотонами. Результаты исследований, представленных в данном параграфе опубликованы в [А1].

Второй параграф посвящен экспериментальному исследованию фотоэлектрических явлений в нанографитных пленках с перпендикулярной ориентацией графеновых слоев относительно подложки при взаимодействии с лазерным излучением с наносекундной длительностью импульсов.

Аналогично описанному выше фотоэлектрическому эффекту, возникновение электрического отклика при лазерном облучении было также обнаружено и в нанографитных пленках, закрепленных между двумя проводящими электродами. В данном параграфе представлены результаты экспериментальных исследований влияния поляризации и длины волны лазерного излучения (532-4000 им) на фотоэлектрический отклик исследуемых пленок. Исследования проводились при наклонном падении возбуждающего излучения на поверхность пленки и различной ориентации измерительных электродов относительно плоскости падения. Для контроля поляризации возбуждающего излучения перед образцом устанавливались четвертьволновая пластинка н призма Глана-Томпсоиа. Угол поворота линейной поляризации лазера (ф) относительно плоскости падения излучения на пленочный образец (о) изменялся пошаговым вращением пластинки Х/4 и поляризатора.

Показано, что при ориентации измерительных электродов параллельно к плоскости падения коэффициент преобразования падающего излучения в напряжение

2 40

3

л, - \ V ^¡ло /о/ о . /о /

(а) ^

:А

V/

о т £

Угол поляризации, град. Угол поляризации, град.

Рис.3. Поляризационные зависимости коэффициента преобразования // падающего излучения в напряжение, полученные при (а) перпендикулярной и (б) параллельной ориентации измерительных электродов к плоскости падения лазерного излучения (схематически изображено на вставках).

зависит от угла поворота поляризации (р по закону синуса двойного угла, не изменяющегося при изменении длины волны света. Установлено, что при ориентации измерительных электродов перпендикулярно к плоскости падения фотоэлектрический отклик образца для р- и е- поляризаций существенно зависит от длины волны возбуждения. При увеличении длины волны в-поляризованного излучения полярность электрического сигиала меняет свой знак (на отрицательный) в области 2100 нм. При возбуждении излучением с большей длиной волны полярность сигнала остается отрицательной. Полученные результаты объясняются совокупностью действия поверхностного фотогальванического эффекта и эффекта увлечения электронов фотонами, проявляющегося при длине волны более 2100 пт для в-поляризованного излучения лазера. Результаты исследований, изложенные в третьем параграфе, опубликованы в работах [А2] и [АЗ].

Третий параграф посвящен экспериментам по генерации терагерцового излучения в нанографитных пленках и многослойном графене. Эти эксперименты основывались на результатах фотоэлектрических измерений в углеродных волокнах и нанографитных пленках, показавших возможность лазерными импульсами индуцировать «быстрые» электрические токи в материалах на основе графена. При взаимодействии нанографита и графена с фемтосекундным излучением с длиной волны 800 нм в образцах наблюдалось возбуждение терагерцового электромагнитного излучения. Амплитуда индуцируемого ТГц поля имеет ярко выраженную зависимость от поворота линейной поляризации возбуждающего излучения относительно плоскости падения и линейно зависит от его мощности. В параграфе приведены и проанализированы измеренные зависимости амплитуды и фазы Ех и Еу компонент индуцированного ТГц поля от состояния поляризации возбуждающего излучения (Рис.4), а также от толщины исследуемых образцов. Полученные экспериментальные данные хорошо согласуются с результатами фотоэлектрических измерений в углеродных волокнах и нанографите. представленных в параграфах 2 и 3, и. по аналогии, могут быть интерпретированы увлечением электронов фотонами, т.е. передачей импульса от возбуждающих фотонов электронам.

Рис. 4. а) Спектр индуцированного ТГц излучения. Цветом обозначен угол повороти линейной поляризации возбуждающего лазерного излучения относительно его плоскости падения на образец, б) Зависимости Ех и компонент индуцированного ТГц поля от угла поворота поляризации возбуждения.

Четвертая глава посвящена изучению возможности применения одностенных углеродных нанотрубок в качестве нелинейно-оптических элементов (пассивных затворов) для создания твердотельных лазеров с иеодимсодержащими активными средами, работающих в режиме пассивной синхронизации мод в ближнем ИК диапазоне.

В первом параграфе представлены результаты исследования методом

«pump-probe» спектроскопии эффекта насыщения

поглощения в полимерных пленках. содержащих

одностенные углеродные нанотрубки. Представленные исследования являются

составной частью работ по созданию лазеров,

работающих в режиме пассивной синхронизации мод. Для определения величины насыщающегося поглощения и характерных времен релаксации

изготовленные образцы полимерных пленок были охарактеризованы методом «pump-probe» спектроскопии. На Рис.5 приведены спектральные и временные зависимости насыщающегося поглощения. Данные измерения также позволили рассчитать величину кубической нелинейной восприимчивости исследованных образцов.

Второй параграф посвящен реализации режима пассивной синхронизации мод в NckYo.qGdo.i V04 и Nd:GdV04 лазерах с ламповой накачкой. В параграфе приведено описание оптической схемы резонаторов созданных лазеров. Для исследования работы полимерной пленки с внедренными в нее нанотрубками в качестве лазерного пассивного затвора пленка устанавливалась внутри резонатора в непосредственной близости от глухого зеркала. При внесении полимерной пленки с нанотрубками внутрь резонатора характер генерации кардинальным образом изменялся по сравнению с режимом свободной генерации. Амплитуда цуга импульсов резко возрастала, а его длительность сокращалась примерно в 4-5 раз. Вне зависимости от используемых активных кристаллов, наблюдааось сокращение длительности цуга до -200 не. Осциллограммы выходного излучения в режимах свободной генерации (без полимерной пленки) и в режиме синхронизации мод (при помещенном в резонатор пленочном затворе) приведены на Рис. 6. Проанализированы характеристики выходного излучения, полученного в режиме свободной генерации и в режиме самосинхронизации (порог генерации, длительность импульса, спектр излучения, мощность импульса). Таким образом, было установлено, что полимерная пленка с

(а) Время издержки, фс

Рис. 5. Результаты «ритр-ргоЬе» измерений: а) контурное изображение индуцированного изменения поглощения, о) спектр излучения накачки:

в) временная кинетика, полученная на 1300 нм:

г) спектры поглощения, зарегистрированные при различных временных задержках от -100 до 1000 фс.

Рис. б. Осциллограммы зарегистрированные в режимах (а. б) и синхронизации мод (в,г), а), в) - Nd:Y„f9Gd0.iVO4; б). г) - Nd:GdV04.

цугов импульсов, вободной генерации

нанотрубками может использоваться в качестве эффективного пассивного затвора для лазеров, работающих в режиме синхронизации мод на длине волны 1.34 мкм.

Третий параграф

посвящен созданию Nd:YAG лазера с самосинхронизацией мод. реализованной с помощью затвора на основе нанотрубок. В отличие от лазеров, представленных в предыдущем параграфе, в данном эксперименте, накачка активной среды

осуществлялась лазерным диодом. Использование

диодной накачки

обеспечивало большую

стабильность работы лазера, а также позволило осуществить синхронизацию мод при высокой (вплоть до 1 кГц) частоте повторения

импульсов. Аналогично предыдущему параграфу, приведены оптическая схема лазера и параметры излучения в режимах свободной генерации и пассивной синхронизации мод. В ходе исследований получен устойчивый режим синхронизации мод. обеспечивающий генерацию импульсов длительностью около 50 пс. Показана перспективность применения элементов на основе нанотрубок в качестве насыщающихся поглотителей в различных типах твердотельных лазеров. Результаты, представленные в четвертой главе опубликованы в работах [А4-А6].

Пятая глава посвящена результатам исследования нелинейно-оптических свойств графена методом «pump-probe» спектроскопии в спектральном диапазоне от 900 до 1700 нм. Данные эксперименты были выполнены в Университете Восточной Финляндии в городе Иоенсуу, в рамках совместного российско-финского проекта РФФИ 08-02-91755-АФ_а.

В первом параграфе приводится обзор модели, традиционно используемой для описания динамики возбужденных носителей в графене и графите. Рассматривая временную динамику фотовозбужденных носителей в графене. как правило, выделяют четыре основных этапа. На первом этапе фемтосекуидный лазерный импульс накачки создает неравновесное распределение электронов и дырок в зоне проводимости и валентной зоне, соответственно. Центр такого неравновесного распределения определяется длиной волны накачки и соответствует половине энергии кванта накачки, относительно точки К первой зоны Бриллюэна. В течение второго этапа (продолжительностью несколько десятков фемтосекунд после прихода импульса накачки) происходит термализация носителей. При этом квазиравновесие системы достигается за счет электрон-электронного взаимодействия. Последующее охлаждение системы носителей, в течение третьего этапа происходит за счет отдачи энергии носителей кристаллической решетке (электрон-фононное взаимодействие), а также за счет электрон-дырочной рекомбинации. Данный этап имеет

продолжительность от нескольких десятков до сотен фемтосекунд и может сопровождаться люминесценцией [15. 16]. Четвертый этап характеризуется окончательной релаксацией системы в течение нескольких гшкосекунд. Данная модель также применима и к другим типам полупроводников и не учитывает особенностей зонной структуры графена. В графене. благодаря линейной дисперсии, возможна ситуация, когда Оже-процессы начинают играть существенную роль в динамике носителей. Исследованию динамики и роли Оже-процессов в ней. посвящены последующие параграфы этой главы.

Во втором параграфе приведены результаты «pump-probe» экспериментов в инфракрасном спектральном диапазоне (900-1700 нм). В экспериментах, приведенных в этом параграфе, возбуждение образца осуществлялось квантами как с большей, так и с меньшей энергией, по сравнению с пробным излучением. Такие эксперименты позволили исследовать динамику носителей в широком энергетическом диапазоне.

При возбуждении образца фемтосекундным излучением с различными длинами волн наблюдалось сверхбыстрое уменьшение поглощения образца (ДА) и последующая релаксация в равновесное состояние. Обнаружено просветление графена при зондировании излучением с более короткими длинами волн по сравнению с длиной волны возбуждения.

5 слоев J

1.S1.3S 1,1 1.0S

Энергия, эВ

1.81.36 U 1,05

J15 слоев

КЮ 1000 1200 1400 1 600 1800

1 ffl E

fc 8 E

U)

е)> )

(Ж)

Я 0 Oo"°lH

a d 5 слоёв

о о 39 споёв

Плотность энергии, мкДж/см2

Длина волны, нм

Рис. 7. Результаты «ритр-ргоЬе» измерении двух образцов многослойного графена. Рисунки а), в), д): данные, полученные для образцов состоящих их 5-ти слоев графена; б), д). е) из 15-ти слоев графена. Длина волны возбуждения обозначена стрелками. На рисунке ж) показаны зависимости величины ДА от плотности энергии . полученные на длине волны 1300 им. Данные, полученные при возбуждении на длинах волн 1700 нм и 1100 нм, обозначены синими и красными символами, соответственно.

Приведены спектры индуцированного изменения поглощения, полученные при различных длинах волн накачки и временах задержки зондирующего импульса. Исследовалась зависимость спектра и характерных времен релаксации индуцированного ДА от толщины (числа графеновых слоев) образцов. Показано, что величина изменения поглощения пропорциональна числу графеновых слоев. На Рис. 7(ж) приведены зависимости величины индуцированного изменения поглощения от

энергии импульса возбуждения, полученные на длине волны 1300 нм для образцов графена состоящих из 5 и 39 графеновых слоев.

Контурные изображения, приведенные на Рис.7 (а, б, д, е), представляют величину изменения поглощения как функцию длины волны зондирующего излучения и времени задержки между импульсами накачки и зондирования. Данные, представленные на Рис. 7 (а,б) и (д, е), получены при накачке более длинными и, соответственно, более короткими волнами, по сравнению с длиной волны зондирования.

Четвертый параграф посвящен сравнительному анализу и интерпретации экспериментальных результатов, описанных во втором параграфе. На Рис. 7 (в,г) представлены спектральные зависимости изменения поглощения, зарегистрированные при нулевой задержке зондирующего излучения относительно накачки.

Показано, что эффект сверхбыстрого изменения поглощения наблюдается при различных энергиях кванта накачки. Амплитуда изменения поглощения пропорциональна толщине (количеству графеновых слоев) образца и линейно зависит от мощности возбуждающего излучения. Временная динамика также не имеет явной зависимости от длины волны накачки и может быть аппроксимирована двумя экспонентами. Первая экспонента характеризует быструю термализацию (~250 фс), вторая - более медленный процесс (-2500 фс), связанный с электрон-фононным взаимодействием. Наличие эффекта просветления в случае накачки квантами с меньшей энергией, а также наличие максимума в спектре изменения поглощения свидетельствуют о преобладающей роли Оже-эффектов в динамике носителей в графене. Существенными являются Оже-рекомбинация и ударная ионизация. Приведен подробный анализ влияния перечисленных эффектов на динамику носителей в графене. Данные результаты опубликованы в [А7].

В заключении диссертации сформулированы основные выводы работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. В наноструктурах на основе графема (нанографит, углеродные волокна из нан отрубок) исследован нелинейно-оптический эффект возникновения направленного движения электронов в образце под воздействием импульсного лазерного излучения наносекундной длительности.

2. В многослойном графене и нанографите исследован нелинейно-оптический эффект возникновения электромагнитного поля, осциллирующего с терагерцовои (1012 Гц) частотой под воздействием фемтосекундного импульсного лазерного излучения.

3. Методом фемтосекундной «pump-probe» спектроскопии измерены временные и нелинейно-оптические характеристики полимерных пленок, содержащих одностенные углеродные нанотрубки.

4. В твердотельных лазерах, с неодим-содержащими активными средами, работающих на длинах волн 1320 им 1340 нм (Nd:Y0-oGdo,iV04, Nd:GdV04, Nd:YAG), с помощью пленочных нелинейных элементов на основе углеродных нанотрубок осуществлен режим пассивной синхронизации мод.

5. Методом фемтосекундной «pump-probe» спектроскопии в широком спектральном диапазоне измерены временные и нелинейно-оптические характеристики образцов графена различной толщины. Определены спектральные особенности и временная динамика фотовозбужденного состояния. Показано, что величина индуцированного изменения поглощения пропорциональна числу графеповых слоев, а временная динамика не зависит от числа слоев.

Цитируемая литература

1. Wallace, P. R. "The Band Structure of Graphite". Physical Review 71: 622-634 (1947).

2. H.W. Kroto, J.R.Ileath, S.C. O'Brien, R.F. Curl, R.E. Smalley, "C60: Buckminsterfullerene", Nature 318 162 (1985).

3. S. Iijima, "Helical microtubules of graphitic carbon'', Nature 354, 56 (1991).

4. H. Kataura, Y. Kumazawa, Y. Maniwa, I. Umezu, S. Suzuki, Y. Ohtsuka, Y. Achiba "Optical Properties of Single-Wall Carbon Nanotubes". Synthetic Metals 103, 25552558 (1999).

5. A.I. Chernov, E.D. Obraztsova, A.S. Löbach, "Optical properties of polymer films with embedded single-wall nanotubes", Physica Status Solidi (b), 244 (11) 42314235 (2007).

6. Novoselov K. S., A.K. Geim, S.V. Morozov, D. Jiang, M.I. Katsnelson, I.V. Grigorieva, S.V. Dubonos, A.A. Firsov "Two-dimensional gas of massless Dirac fermions in graphene", Nature 438, 197 (2005).

7. Y.Zhang, Y.-W. Tan, H.L. Stormer, P. Kim "Experimental observation of the quanum Hall effect and Berry's phase in graphene", Nature 438, 201 (2005).

8. R.R. Nair, P. Blake, A.N. Grigorenko, K.S, Novoselov, T.J. Booth, T. Stauber, N.M.R. Peres, A.K. Geim "Fine Structure Constant Defines Visual Transparency of Graphene". Science 320 (5881): 1308. (2008).

9. P. Avouris, M. Freitag, V. Perebeinos "Carbon-nanotube photonics and optoelectronics" Nature Photonics, Volume 2, Issue 6, pp. 341-350 (2008).

10. F. Bonaccorso, Z. Sun, T. Hasan, A.C. Ferrari "Graphene photonics and optoelectronics" Nature Photon. 4, 611 (2010).

U.S. Set, H. Yaguchi, Y. Tananka, M. Jablonski "Laser mode locking using a saturable absorber incorporating carbon nanotubes" Journal of Lightwave Tech. 22 51 (2004).

12. Q. Bao, H. Zhang, Y. Wang, Z. Ni, Y. Yan, Z.X. Shen, K.P. Loh, G.Y. Tang "Atomic-Layer graphene as a saturable absorber for ultrafast pulsed lasers" Adv. Fimc. Mat. 19,3077 (2009).

13. H.H. Ильичев, Е.Д.Образцова, П.П. Пашииин, В.И. Конов, С.В. Гарпов, "Самосинхронизация мод с помощью пассивного затвора на основе одностенных углеродных нанотрубок в лазере на кристалле L1F : F{", Квант, электроника, 34 (9), 785-786 (2004).

14. A. Tausenev, Е. Obraztsova, А. Lobach, A. I. Chernov, V. I. Konov, P. G. Kryukov, A. V. Konyashchenko, E. M. Dianov "177 fs erbium-doped fiber laser mode locked with a cellulose polymer film containing single-wall carbon nanotubes" Appl. 1'hys. Lett. 92 171113(2008).

15. W. T. Liu, S.U. Wu, P.J. Schuck, M. Salmeron, Y.R. Shen, F. Wang "Nonlinear broadband photoluminescence of graphene induced by femtosecond laser irradiation" Phys. Rev. В 82, 081408(R) (2010).

16. R.J Stöhr, R. Kolesov, J. Pflaum, J. Wrachtrup "Fluorescence of laser-created electron-hole plasma in graphene" Phys. Rev. В 82, 121408(R) (2010),

Список публикаций

Статьи в научных реферируемых журналах:

[AI]. Obraztsov A.N., Lyashenko D.A., Fang S., Baughman R.H., Obraztsov P.A..Garnov S.V., Svirko Y.P. "Photon drag effect in carbon nanotube yarns", Applied Physics Letters, 94, 23 (2009)231112.

[А2]. Михеев Г.М., Стяпшин В.М., Образцов П.А.. Хестанова Е.А., Гарнов С.В. "Зависимость оптоэлектрического выпрямленияв нанографитных пленках от поляризации лазерного излучения", Квантовая Электроника,AQ, 5 (2010) 425-430. [A3]. Obraztsov P.A.. Mikheev G.M., Garnov S.V., Obraztsov A.N., Svirko Y.P "Polarization-sensitive photoresponse of nanographite", Applied Physics Letters, 98, 9, (2011), 091903.

[A4]. Garnov S.V., Solokhin S.A., Obraztsova E.D., Lobach A.S., Obraztsov P.A.. Chernov A.I., Bukin V.V., Sirotkin A.A., Zagumennyi A.I., Zavartsev Y.D., Kutovoi S.A., Shcherbakov I.A., "Passive mode-locking with carbon nanotube saturable absorber in Nd:GdV04 and Nd:Yo9Gdo i V04 lasers operating at 1.34 pm", Laser Physics letters 4, 648651 (2007).

[А5]. Obraztsov. P.A.. Garnov, S.V., Obraztsova, E.D., Sirotkin, A.A., Lyashenko, D.A., Svirko, Y.u.P. "Passive Mode-Locking of Diode-Pumped Nd:YAG Solid State Laser Operated at X = 1.32 pm Using Carbon Nanotubes as Saturable Absorber", Journal of Nanoelectronics and Optoelectronics,A, 2 (2009) 221-231.

[А6]. Obraztsov P.A.. Sirotkin A.A., Obraztsova E.D.,Svirko Y.P.,Garnov S.V. "Carbon-nanotube-based saturable absorbers for near infrared solid state lasers", Optical Review, 17, 3 (2010)290-293.

[А7]. Obraztsov P.A.. Rybin M.G., Tyurnina A.V., Garnov S.V., Obraztsova E.D., Obraztsov A.N., Svirko Y.P "Broadband light-induced absorbance change in multilayer graphene", Nano Letters, 11, (2011) 1540-1545.

Тезисы докладов на конференциях:

1. Образцов П.А.. Гарнов С.В., Сироткин A.A., Образцова Е.Д., Букин В.В., "Пассивная синхронизация мод в твердотельных лазерах с использованием одностенных углеродных нанотрубок в качестве насыщающихся поглотителей", XIV Научная школа "Нелинейные волны -2008", Всероссийская конференция молодых ученых "Фундаментальные и прикладные задачи нелинейной физики", стендовый доклад, Тезисы докладов, г. Нижний Новгород, Россия, 1 - 7 марта, 2008, С.126

2. Obraztsov P.A.. Garnov S.V., Sirotkin A.A., Bukin V.V., "Passive mode-locking of Nd-doped solid state lasers operated at 1.3 mkm using carbon nanotubes as a saturable absorbers", Proceedings of International Workshop "Nanocarbon Photonics and Optoelectronics", 3-9 August 2008, Holiday Centre lluhmari, Polvijarvi, Finland, p. 49

3. Obraztsov P.A.. Garnov S.V., Obraztsova E.D., Lobach A.S., Sirotkin A.A., Svirko Yu.P., "Carbon Nanotube Containing Medium as a Saturable Absorber for Diode-Pumped Nd:YAG Solid State Laser Operated at Wavelength 1.32 mkm", Proceedings of XXIII International Winterschool on Electronic Properties of Novel Materials, 7-14 March 2009, Kirchberg, Austria, p. 113.

4. Obraztsov P.A.. Svirko Yu.P., Lyashenko D.A., Garnov S.V, "Carbon nanotube based saturable absorber for 1R solid state lasers ",Technical Digest of The Eighth Japan-Finland

Joint Symposium on Optics in Engineering, 3-5 September 2009, Tokyo, Japan, pp. 103104.

5- Obraztsov P.A.. Rybin M.G., Obraztsova E.D., Garnov S.V., Svirko Y.P "Fast saturable absorption in multilayered graphene", Proceedings of NPO 2010, Koli, Finland, 1-6 August 2010, p. 26.

6. Mikheev G.M., Styapshin V.M., Obraztsov P.A.. Khestanova E.A. "Photovoltaic conversion factor dependence on laser polarization for nanocarbon films", Proceedings of NPO 2010, Koli, Finland, 1-6 August 2010, p. 23.

7. Kanda N., Obraztsov P.A., Okane Y., Higuchi T., Konishi K., Tyumina A.V., Svirko Y.P "Terahertz emission from nanocarbon and graphite films", Proceedings ofNPO 2010, Koli, Finland, I -6 August 2010, p. 25.

8. Obraztsov P.A., Rybin M.G., Obraztsova E.D., Garnov S.V., Svirko Y.P. "Broadband light induced absorbance change in multilayer graphene", Proceedings of Graphene Brazil 2010, Belo Horizonte, Brazil, 14-17 December, 2010, p. 100-101.

9. Svirko Y.P., Obraztsov P.A., Kanda N„ Garnov S.V., Kuwata-Gonokami M., Obraztsov A.N. "Light Induced Terahertz Emission From Nanocarbons ", Proceedings of Graphene Brazil 2010, Belo Horizonte, Brazil, 14-17 December, 2010, p. 43.

10. Obraztsov P.A., Obraztsova E.D., Garnov S.V., Svirko Y.P "Fast saturable absorption in graphene based materials", Proceedings of Optics Days 2010, Tampere, Finland, p. 15.

11. Obraztsov P.A.. Rybin M.G., Obraztsova E.D., Garnov S.V., Svirko Y.P "Broadband saturable absorption in multilayered graphene", Proceedings of Nanoscience Days 2010, Jyvaskyla, Finland, p. 45.

Подписано в печать 22.05.2011г.

Усл.п.л. - 1.5 Заказ №04817 Тираж: 120экз.

Копицентр «Чертеж.ру» ИНН 7701723201 107023, г.Москва, ул.Б.Семеновская 11, стр.12 (495)542-7389 www.chertez.ru

Введение.

Глава 1. Электронные и оптические свойства графена и наноструктур на его основе (Литературный обзор).

§1. От графита к графену: история и методы получения графена.б

§2. Графен.

§3. Графит и углеродные нанотрубки.

§4. Оптические свойства графена и наноструктур на его основе.

§5. Применения графена и нанотрубок в лазерах.

Глава 2. Экспериментальные методы и материалы.

§1. Материалы.

§2. Методы и оборудование.

Глава 3. Фотоэлектрические эффекты в графене и других наноструктурах на его основе.S

§ 1. Экспериментальное изучение фотоэлектрического отклика наноуглеродных волокон.

§2. Экспериментальное изучение фотоэлектрического отклика нанографитных пленок.

§3. Генерация терагерцового излучения в графене.

Глава 4. Применение эффекта насыщающегося поглощения углеродных нанотрубок в лазерах ультракоротких импульсов.

§1. «Pump-probe» спектроскопия полимерных пленок, содержащих одностенные углеродные нанотрубки.

§2. Реализация пассивной синхронизации мод в твердотельных лазерах с помощью насыщающихся поглотителей на основе нанотрубок.

Глава 5. Исследование нелинейно-оптических свойств графена методом pump-probe» спектроскопии в широком спектральном диапазоне.

§1. Динамика фотовозбужденных носителей в графене.

§2. Результаты «pump-probe» экспериментов.

§3. Интерпретация результатов «pump-probe» измерений.

Углеродные материалы находят широкое применение в различных областях, что стимулирует постоянный интерес к их исследованию. Помимо практических применений углеродные материалы представляют интерес и с точки зрения фундаментальной науки. В частности, графит на протяжении долгого времени служил наглядной моделью для изучения физики твердого тела и стал одним из первых материалов, к которому была применена квантовая теория твердого тела.

Открытие новых наноструктурированых форм углерода в виде фуллеренов в 1985 году и углеродных нанотрубок в 1991 году значительно повлияло на развитие физики наноматериалов и вызвало рост интереса к исследованию физических и химических свойств наноструктур. Всесторонние исследования углеродных наноматериалов в течение последних десятилетий позволили не только выявить их уникальные свойства, но и научиться управлять ими. Так, например, оптические свойства и тип проводимости нанотрубок определяются их геометрическими характеристиками.

Практическая демонстрация возможности отделения и стабильного существования графена, продемонстрированная в 2004 году, стала настоящим прорывом в исследовании углеродных материалов. Графен, представляя собой монослой атомов углерода, объединенных в гексагональную решетку, является структурной основой графита, нанотрубок и других форм наноуглерода с доминирующей Бр2 гибридизацией электронных орбиталей. Кроме этого, отделение графена открыло перспективу экспериментального исследования физических свойств двумерных структур, прежде доступных только для теоретического моделирования.

Двумерность графена проявляется в его уникальных оптических и электронных свойствах. Носители заряда в графене обладают очень высокой подвижностью, а их движение описывается двумерным уравнением Дирака, а не уравнением Шредингера, как в объемных полупроводниках. Нулевая запрещенная зона и линейный закон дисперсии энергии электронов в зависимости от волнового вектора обеспечивают плоский в широком диапазоне (от ультрафиолета (УФ) до инфракрасной (ИК) области) спектр оптического поглощения графена. При этом коэффициент поглощения монослоя графена определяется исключительно постоянной тонкой структуры и не зависит от материальных параметров. Такие электронно-оптические свойства открывают перспективу применения графена и наноструктур на его основе в оптоэлектронике, высокочастотной наноэлектронике и лазерной технике. В частности, одним из перспективных направлений является использование графена и нанотрубок в качестве пассивных затворов (насыщающихся поглотителей) для создания лазеров ультрокоротких импульсов.

Несмотря на интенсивные исследования оптических свойств графена и других материалов на его основе, многие вопросы до сих пор остаются открытыми. К числу таких не до конца выясненных проблем относятся механизмы взаимодействия материалов на основе графена с лазерным излучением. Указанные обстоятельства, а также широкий круг перспективных применений, делают актуальными исследования взаимодействия лазерного излучения с материалами на основе графена.

Целью диссертационной работы являлось экспериментальное исследование нелинейно-оптических процессов, происходящих при взаимодействии лазерного излучения с графеном и другими наноуглеродными материалами на его основе.

Для достижения сформулированной цели решались следующие задачи:

1. Исследовались фотоэлектрические эффекты, возникающие в графене и наноструктурах на его основе при их взаимодействии с наносекундными лазерными импульсами.

2. Изучались фотоэлектрические эффекты и генерация терагерцового (ТГц) излучения в графене и тонких графитных пленках при их взаимодействии с фемтосекундными лазерными импульсами.

3. Методом спектроскопии «возбуждения-зондирования» («pump-probe») с фемтосекундным временным разрешением исследовались нелинейно-оптические свойства полимерных пленок, содержащих одностенные углеродные нанотрубки.

4. Изучалась возможность реализации режима синхронизации мод в различных видах твердотельных лазеров с помощью полимерных пленок с внедренными в них одностенными углеродными нанотрубками.

5. Методом «pump-probe» спектроскопии исследовались нелинейно-оптические свойства графена в широком диапазоне длин волн накачки (1150-1700 нм) и зондирования (900-1700 нм). Определялись спектральные особенности и временная динамика фотовозбужденного состояния.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. В наноструктурах на основе графена (нанографит, углеродные волокна из нанотрубок) исследован нелинейно-оптический эффект возникновения направленного движения электронов в образце под воздействием импульсного лазерного излучения наносекундной длительности.

2. В многослойном графене и нанографите исследован нелинейнооптический эффект возникновения электромагнитного поля,

10 осциллирующего с терагерцовой (10 Гц) частотой под воздействием фемтосекундного импульсного лазерного излучения.

3. Методом фемтосекундной «pump-probe» спектроскопии измерены временные и нелинейно-оптические характеристики полимерных пленок, содержащих одностенные углеродные нанотрубки.

4. В твердотельных лазерах с неодим-содержащими активными средами, работающих на длинах волн 1320 нм и 1340 нм (Nd:Y0,9Gdo,iy04, Nd:GdV04 и Nd: YAG) с помощью пленочных нелинейных элементов на основе углеродных нанотрубок осуществлен режим пассивной синхронизации мод.

5. Методом фемтосекундной «pump-probe» спектроскопии в широком спектральном диапазоне измерены временные и нелинейно-оптические характеристики образцов графена различной толщины. Определены спектральные особенности и временная динамика фотовозбужденного состояния. Показано, что величина индуцированного изменения поглощения пропорциональна числу графеновых слоев, а временная динамика не зависит от числа слоев.

В заключение я хочу выразить глубокую благодарность своему научному руководителю Сергею Владимировичу Гарнову за выбор интересной и современной тематики исследований, помощь, чуткое руководство и, в то же время, предоставленную свободу в работе. Я очень признателен Юрию Петровичу Свирко за возможность проведения фемтосекундных «ритр-ргоЪе» измерений, а также за постоянный интерес к проводимым исследованиям и обсуждение их результатов.

Хочу отдельно поблагодарить Анатолия Андреевича Сироткина за обучение работе с лазерами, многочисленные ценные советы и постоянный интерес к проводимым исследованиям; Геннадия Михайловича Михеева - за совместные эксперименты по регистрации фотоэлектрического отклика в нанографите и обсуждение полученных результатов.

Я очень признателен Владимиру Букину и Сергею Солохину за помощь в экспериментах по реализации режима синхронизации мод с помощью углеродных нанотрубок, ценные советы и поддержку; Анастасии Тюрниной, Максиму Рыбину, Александру Чернову, Ринату Исмагилову и Алексею Золотухину - за подготовку образцов графена, нанографита и углеродных нанотрубок; Михаилу Петрову - за полезные обсуждения результатов «ритр-ргоЬе» экспериментов, а также Кувата-Макото Гоноками и Натсуки Канда - за предоставленную возможность и помощь в проведении экспериментов по генерации терагерцового излучения.

Я благодарен Елене Дмитриевне и Александру Николаевичу Образцовым за предоставленные образцы материалов на основе графена, а также за неоценимую помощь и поддержку в жизни и работе.

1. P.R. Wallace "The Band Theory of Graphite", Phys. Rev. 71, 622-634 (1947).

2. K.S.Novoselov, A.K.Geim, S.V.Morozov, D.Jiang, Y.Zhang, S.V.Dubonos, I. V.Grigorieva, A.A.Firsov, "Electric field effect in atomically thin carbon films", Science 306, 666-669 (2004).

3. K.S. Kim, Y. Zhao, H. Jang, S.Y. Lee, J.M. Kim, K.S. Kim, J.H. Ahn, P. Kim, J.Y. Choi, B.H. Hong "Large-scale Pattern Growth of Graphene Films for Stretchable Transparent Electrodes", Nature 457, 706-710 (2009).

4. A. Reina, X. Jia, J. Ho, D. Nezich, H. Son, V. Bulovic, M.S. Dresselhaus, J. Kong "Large Area, Few-Layer Graphene Films on Arbitrary Substrates by Chemical Vapor Deposition", Nano Lett. 9, 30-35 (2009).

5. C. Berger, Z. Song, X. Li, X. Wu, N. Brown, C. Naud, D. Mayou, T. Li, J. Hass, A.N. Marchenkov, E.H. Conrad, P.N. First, W.A. de Heer "Electronic Confinement and Coherence in Patterned Epitaxial Graphene", Science 312, 1 Will 96 (2006).

6. T.J. Booth, P. Blake, R.R. Nair, D. Jiang, E.W. Hill, U. Bangert, A. Bleloch, M. Gass, K.S. Novoselov, M.I. Katsnelson, A.K. Geim "Macroscopic Graphene Membranes and Their Extraordinary Stiffness", Nano Lett. 8, 2442-2446 (2008).

7. G.W. Semenoff, "Condensed-Matter Simulation of a Three-Dimensional Anomaly", Phys. Rev. Lett. 53, 2449-2452 (1984).

8. H.W. Kroto, J.R. Heath, S.C. O'Brien, R.F. Curl, R.E. Smalley "C60: Buckminsterfullerene", Nature 318, 162-163 (1985).

9. S. Iijima, T. Ichinashi "Single-shell carbon nanotubes of 1-nm diameter", Nature 363,603-605 (1993).

10. R.Saito, G.Dresselhaus, M.S.Dresselhaus, "Physical Properties of Carbon Nanotubes", Imperial College Press, London, 272 (1998).

11. M. S. Dresselhaus; G. Dresselhaus "Intercalation compounds of graphite", Advances in Physics, 51 1-186 (2002).

12. B. Partoens, F.M. Peeters "From Graphene to Graphite: Electronic Structure Around the K Point", Phys. Rev. B 74, 075404-075415 (2006).

13. A.V. Osadchy, E.D. Obraztsova "Modeling of Variation of Electronic Structure of Graphite Clusters Induced by Variation of Graphene Layer Number", J. of Nano. and Optoelectron. 4, 236-238 (2009).

14. R. Saito, G. Dresselhaus, M.S. Dresselhaus "Triogonal Warping Effect of Carbon Nanotubes", Phys. Rev. B 61, 2981-2990 (2000).

15. H. Kataura, Y. Kumazawa, Y. Maniwa, I. Umezu "Optical Properties of Single-Wall Carbon Nanotubes", Synthetic Metals 103, 2555-2558 (1999).

16. A.B. Kuzmenko, E. van Heumen, F. Carbone, D. van der Marel "Universal Optical Conductance of Graphite", Phys.Rev.Lett. 100, 117401-117405 (2008).

17. R.R. Nair, P. Blake, A.N. Grigorenko, K.S. Novoselov, T.J. Booth, T.Stauber, N.M.R. Peres, A.K. Geim "Fine Structure Constant Defines Visual Transparency of Graphene", Science 320, 1308 (2008).

18. S.M. Bachilo, M.S. Strano, C. Kittrell, R.H. Hauge, R.E. Smalley, R.B. Weisman "Structure-Assigned Optical Spectra of Single-Walled Carbon Nanotubes", Science 298, 2361-2366 (2002).

19. M.S. Strano "Probing Chiral Selective Reactions Using a Revised Kataura Plot for Interpretation of Single-Walled Carbon Nanolube Spectroscopy", J. Am. Chem. Soc. 125, 16148-16153 (2003).

20. V. A. Margulis, T. A. Sizikova, "Theoretical study of third-order nonlinear optical response of semiconductor carbon nanotubes", Physica B 245, 173-189 (1998).

21. S.A. Mikhailov "Non-linear Electromagnetic Response of Graphene", Europhys. Lett. 79, 27002 (2007).

22. J.J. Dean, H.M. van Driel "Second Harmonic Generation from Graphene and Graphitic Films", Appl.Phys.Lett 95, 261910-261913 (2009).

23. J.J. Dean, H.M. van Driel "Graphene and few-layer graphite probed by second-harmonic generation: Theory and experiment", Phys. Rev. В 82, 125411-125421 (2010).

24. M.M. Glazov "Second Harmonic Generation in graphene", arXiv:1101.2842vl (2011).

25. G.M. Mikheev, R.G. Zonov, A.N. Obraztsov,Yu.P. Svirko "Giant optical rectification effect in nanocarbon films", Appl.Phys.Lett. 84, 4854-4857 (2004).

26. Г.М. Михеев, P.Г. Зонов, A.H. Образцов, Ю.П. Свирко "Наблюдение эффекта оптического выпрямления в наноуглеродных пленках", Письма в ЖТФ 30, 88-94 (2004).

27. Г.М. Михеев, Р.Г. Зонов, А.Н. Образцов, Ю.П. Свирко "Оптическое выпрямление в углеродных нанопленках", ЖЭТФ 126, 1083-1088 (2004).

28. M.V. Entin, L.I. Magarill, D.L. Shepelyansky "Theory of Resonant Photon Drag in Monolayer Graphene", Phys. Rev.B 81, 165441-165446 (2010).

29. J. Karch, P. Olbrich, M. Schmalzbauer, C. Brinsteiner, U. Wurstbauer, M.M. Glazov, S.A. Tarasenko, E.L. Ivchenko, D. Weiss, J. Eroms, S.D. Ganichev "Photon helicity driven electric currents in graphene", arXiv: 1002.1047vl (2010).

30. G, Xing, H. Guo, X. Zhang, T.C. Sum, C.H.A. Huan "The Physcis of Ultrafast Saturable Absorption in Graphene", Opt. Express 18, 4564-4573 (2010).

31. E. Hendry, P.J. Hale, J.Morger, A.V. Savchenko, S.A. Mikhailov "Coherent Nonlinear Optical Response of Graphene", Phys. Rev. Lett. 105, 097401-097405 (2010).

32. J. J. Dean and H. M. van Driel, "Second Harmonic Generation from Exfoliated Graphitic Films," in Quantum Electronics and Laser Science Conference, OSA Technical Digest (CD), QTuA7.

33. Y. R. Shen "Principles of Nonlinear Optics", Wiley-Interscience, New York, (1984).

34. S. Luryi "Photon-Drag Effect in Intersubband Absorption by a Two-Dimensional Electron Gas", Phys.Rev.B 58, 2263-2266 (1987).

35. T. Holstein "Theory of Transport Phenomena in an Electron-Phonon Gas", Ann. Phys. 29, 410-535, (1964).

36. J.E. Goff, W.L. Schaich "Theory of Photon-Drag Effect in Simple Metals", Phys.Rev.B 61, 10471-10477 (2000).

37. V.L. Gurevich, R. Laiho "Photomagnetism of Metals. First Observation of Dependence of Polarization of Light", Phys. Sol.State 42, 1807-1812 (2000).

38. В.Л. Альперович, В.И. Белиничер, Б.Н. Новиков, A.C. Терехов "Поверхностный фотогальванический эффект в арсениде галлия", Письма в ЖЭТФ, 581-584 (1980).

39. G. Ramakrishnan, R. Chakkittakandy, Р.С.М. Planken "Terahertz Generation From Graphite", Opt. Express 17, 16092-16099 (2009).

40. M. Bass, P.A. Franken, J.F. Ward, G. Weinreich "Optical Rectification", Phys. Rev. Lett. 9, 446-448 (1962).

41. E. Garmie "Resonant Optical Nonlinearities in Semiconductors", IEEE J. Sei. Top Quantum Electron. 6, 1094-1110 (2000).

42. W.D. Tan, C.Y. Su, R.J. Knize, G.Q. Xie, L.J. Li, D.Y. Tang " Mode Locking of Ceramic Nd:Yttrium Aluminum Garnet With Graphene as a Saturable Absorber", Appl. Phys. Lett. 96, 031106-031110 (2010).

43. K. Siebert, G.C. Cho, W. Ktttt, H. Kurz, D.H. Reitze, J.I. Dadap, H. Ahn, M.C. Downer, A.M. Malvezzi "Femtosecond Carrier Dynamics in Graphite", Phys. Rev. B 42, 2842-2851 (1990).

44. S. Yamaguchi, H.O. Hamaguchi "Convenient Method of Measuring the Chirp Structure of Femtosecond White-Light Continuum Pulses", Appl. Sectroscopy 49, 1513-1515 (1995).

45. L. Huang, H.N. Pedrosa, T.D. Krauss "Ultrafast Ground-State Recovery of Single-Walled Carbon Nanotubes", Phys. Rev. Lett. 93, 017403-017407 (2004).

46. J.S. Lauret, C. Voisin, G. Gassobois, C. Delanade, Ph. Roussignol, O. Jost, L. Capes " Ultrafast Carrier Dynamics in Single-Wall Carbon Nanotubes", Phys. Rev. Lett. 90, 057404-057408 (2003).

47. O.J. Korovyanko, C.X. Sheng, Z.V. Vardeny, A.B. Dalton, R.H. Baughman "Ultrafast Spectroscopy of Excitons in Single-Walled Carbon Nanotubes", Phys. Rev. Lett 92, 017403-017407 (2004).

48. G.N. Ostojic, S. Zaric, J. Kono "Interband Recombination Dynamics in Resonantly Excited Single-Walled Carbon Nanotubes", Phys. Rev. Lett. 92, 117402-117406 (2004).

49. R.M. Russo, E.J. Mele, C.L. Kane, I. V. Rubtsov, M. J. Therien, D. E. Luzzi "One-dimensional diffusion-limited relaxation of photoexcitations in suspensions of single-walled carbon nanotubes ", Phys. Rev. B 74, 041405-041409 (2006).

50. L. Huang, T.D. Krauss, "Quantized Bimolecular Auger Recombination of Excitons in Single-Walled Carbon Nanotubes", Phys. Rev. Lett. 96, 057407057411 (2006).

51. Z. Zhu, J. Crochet, M.S. Arnold, M.C. Hersam, H. Ulbricht, D. Resaco, T. Hertel "Pump-probe Spectroscopy of Exciton Dynamics in (6,5) Carbon Nanotubes", J. Phys. Chem. C 111, 3831-3835 (2007).

52. A. Gambetta, G. Galzerano, A. G. Rozhin, A. C. Ferrari, R. Ramponi, P. Laporta, M. Marangoni "Sub-100 fs pump-probe spectroscopy of Single Wall Carbon Nanotubes with a 100 MHz Er-fiber laser system", Opt. Express 16,1172711734 (2008).

53. N. Kumaraju, S. Kumar, B. Karthikeyan, A. Moravsky, R. Loutfy, and A. Sood "Ultrafast electron dynamics and cubic optical nonlinearity of freestanding thin film of double-walled carbon nanotubes", Appl. Phys. Lett. 93, 091903-091906 (2008).

54. C. Manzoni, A. Gambetta, E. Menna, M. Meneghetti, G. Lanzani, G. Cerullo "Intersubband Exciton Relaxation Dynamics in Single-Walled Carbon Nanotubes", Phys. Rev. Lett. 94, 207401-207405 (2005).

55. E.A. Obraztsova, L. Luer, E.D. Obraztsova, A.I. Chernov, D. Brida, D. Polli, G. Lanzani "Effect of environment on ultrafast photoexcitation kinetics in singlewall carbon nanotubes", Phys. Stat. Sol. B 247, 2831-2834 (2010).

56. S.Y. Set, H. Yaguchi, Y. Tanaka, M. Jablonski "Laser Mode Locking Using a Saturable Absorber Incorporating Carbon Nanotubes", J. Lightwave Tech. 22, 5156 (2004).

57. B.Q. Bao, H.Zhang, Y. Wang, Z. Ni, Y. Yan, Z.X. Shen, K.P. Loh, D.Y. Tang "Atomic Layer Graphene as Saturable Absorber for Ultrafast Pulsed Lasers", Adv. Func. Mat 19, 3077-3083 (2009).

58. H. Zhang, D.Y. Tang, L.M. Zhao, Q.L. Bao, K.P. Loh, "Large Energy Mode Locking of an Erbium-Doped Fiber laser With Atomic Layer Graphene", Opt. Expr. 20, 17630-17635 (2009).

59. S. Butscher, F. Milde, m. Hirtschultz, E. Malic, A. Knorr "Hot Electron Relaxation and Phonon Dynamics in Graphene", Appl. Phys. Lett. 91, 203103203106 (2007).

60. J.M. Dawlaty, S. Shivaraman, M. Chandrashekhar,F. Rana, G. Spencer, G. "Measurement of Ultrafast Carrier Dynamics in Epitaxial Graphene", Appl. Phys. Lett. 92, 042116-042119 (2008).

61. D.Sun, Z.K. Wu, C. Divin, X. Li, C. Berger, W. de Heer, P.N. First, T.B. Norris "Ultrafast Relaxation of Excited Dirac Fermions in Epitaxial Graphene Using Optical Differential Transmission Spectroscopy", Phys. Rev. Lett. 101, 157402-157406 (2008).

62. M. Breusing, C. Ropers, T. Elsaesser "Ultrafast Carrier Dynamics in Graphite", Phys. Rev. Lett. 102, 086809-086815 (2009).

63. R.W. Newson, J. Dean, B. Schmidt, H.M. van Driel "Ultrafast Carrier Kinetics in Exfoliated Graphene and Thin Graphite Films", Opt. Express 17, 2326-2333 (2009).

64. P.A. Strait, J. Dawlaty, S. Shivaraman, M. Chandrashekhar, F.Rana, M.G. Spencer "Ultrafast Optical-Pump Terahertz-Probe Spectroscopy of the Carrier

65. Relaxation Recombination Dynamics in Epitaxial Graphene', Nano Lett. 8, 42484251 (2008).

66. Z. Sun, T. Hasan, F. Torrisi, D. Popa, G. Privitera, F. Wang, F.Bonaccorso, D.M. Basko, A.C. Ferrari, A. C. "Graphene Mode-Locked Ultrafast laser", ACS Nano 4, 803-810, (2010).

67. W.T. Liu, S.U. Wu, P.J.Schuck, M. Salmeron, Y.R. Shen, F. Wang "Nonlinear Broadband Photoluminescence of Graphene Induced by Femtosecond Laser Irradiation", Phys. Rev. B 82, 081408-081412 (2010).

68. R.J. Stohr, R. Kolesov, J. Pflaum, J. Wrachtrup "Fluorescence of laser-created electron-hole plasma in graphene", Phys. Rev. B 82, 121408-121412 (2010).

69. C.H. Lui, K.F. Mak, J. Shan, T.F. Heinz "Ultrafast Photoluminescence from Graphene", Phys. Rev. Lett. 105, 127404-127408, (2010).

70. P. Plochocka, P.Kossacki, A. Golnik, T. Kazimierczuk, C. Berger, W.A. de Heer, M. Potemski, M. "Slowing Hot-Carrier Relaxation in Graphene Using a Magnetic Field", Phys. Rev. B 80, 245415-245429 (2009).

71. U. Keller "Recent developments in compact ultrafast lasers", Nature 424 831838 (2003).

72. F. Bonaccorso, Z. Sun, T. Hasan, A. C. Ferrari " Graphene Photonics and Optoelectronics", Nature Photonics 4, 611-622 (2010).

73. T. Hasan, Z. Sun, F. Wang, F. Bonacrosso, P. H. Tan, A.G. Rozhin, A.C. Ferrari "Nanotube-Polymer Composites for Ultrafast Photonics", Adv. Mat. 21, 3874-3899 (2009).

74. Н. Zhang, D. Tang, R.J. Knize, L. Zhao, Q. Bao, K.P. Loh "Graphene Mode Locked, Wavelength-Tunable, Dissipative Soliton Fiber Laser", Appl. Phys. Lett. 96, 111112-111112-3 (2010).

75. C.C. Lee, G. Acosta, S. Bunch, T.R. Schibli "Mode-Locking of an Er:Yb:Glass Laser with Single Layer Graphene", in International Conference on Ultrafast Phenomena, OS A Technical Digest, TuE29 (2010).

76. H.H. Ильичев, Е.Д. Образцова, П.П. Пашинин, В.И. Конов, С.В. Гарнов "Самосинхронизация мод с помощью пассивного затвора на основе одностенных углеродных нанотрубок в лазере на кристалле LIF : Fi", Квант. Электрон. 34, 785-786 (2004).

77. M.A. Solodyankin, E.D. Obraztsova, A.S. Lobach, A.I. Chernov, A.V. Tausenev, V.I. Konov, E.M. Dianov "Mode-locked 1.93 ^m thulium fiber laser with a carbon nanotube absorber", Opt. Lett. 33, 1336-1338 (2008).

78. M.C. Travers, J. Morgenweg, E.D. Obraztsova, A.I. Chernov, E.J.R. Kelleher, S.V. Popov "Using the E22 Transition of Carbon Nanotubes for Fiber Laser Mode-Locking", Las. Phys.Lett. 8, 144-149 (2011).

79. P. Nikolaev, M.J. Bronkiowski, R.K. Bradley, F. Rohmund, D.T. Colbert, K.A. Smith, R.E. Smalley " Gas-phase Catalytic Growth of Single-Walled Carbon Nanotubes From Carbon Monoxide", Chem. Phys. Lett. 313, 91-95 (1999).

80. M.J. Bronkiowski, P.A. Willis, D.T. Colbert, K.A. Smith, R.E. Smalley "Gasphase Production of Carbon Single-Walled Nanotubes From Carbon Monoxide via the HiPco process: A Parametric Study", J. Vac. Sci. Technol A 19, 1800-1805 (2001).

81. A. I. Chernov, E. D. Obraztsova, A. S. Lobach "Optical properties of polymer films with embedded single-wall carbon nanotubes", Phys. Stat. Sol. B 244, 42314235 (2007).

82. M. Zhang, K. R. Atkinson, R. H. Baughman "Multifunctional Carbon Nanotube Yarns by Downsizing an Ancient Technology", Science 306, 1358 (2004).

83. M.G. Rybin, A.S. Pozharov, E.D. Obraztsova "Control of Number of Graphene Layers Grown by Chemical Vapor Deposition", Phys. Stat. Sol. С 7, 2785-2788 (2010).

84. A.V. Tyurnina, R.R. Ismagilov, A.V. Chuvilin, A. N. Obraztsov "Topology Peculiarities of Graphite Films of Nanometer Thickness", Phys. Status Solidi В 247, 3010-3013 (2010).

85. A.N. Obraztsov, E.A. Obraztsova, A.V. Tyurnina, A.A. Zolotukhin "Chemical vapor deposition of thin graphite films of nanometer thickness Carbon 45, 2017-2021(2007).

86. A.N. Obraztsov, I.Yu. Pavlovsky, A.P. Volkov, A.S. Petrov, V.I. Petrov, E.V. Rakova, V.V. Roddatis "Electron Field Emission and Structural Properties of Carbon Chemically Vapor-Deposited Films", Diamond and Rel. Materials 8, 814819 (1999).

87. A. Rice, Y. Jin, X. F. Ma, X.-C. Zhang, D. Bliss, J. Larkin, M. Alexander "Terahertz Optical Rectification From <110 Zinc-Blende Crystals", Appl. Phys. Lett. 64, 1324-1327 (1994).

88. K.R. Wilson, V.V. Yakovlev "Ultrafast Rainbow: Tunable Ultrashort Pulses From a Solid-State Kilohertz Systen", J. Opt. Soc. Am. В 14, 444-448 (1997).

89. А.И. Загуменный, В.Г. Остроумов, И.А. Щербаков, Т. Йесен, Д.П. Мейн, Г. Хубер "Кристаллы GdV04 : Nd новый материал для лазеров с диодной накачкой", Квант. Электрон. 19, 1149-1150, (1992).

90. C. Berger, Y. Yi, Z. I. Wang, and W. A. de Heer "Multi walled Carbon Nanotubes are Ballistic Conductors at Room Temperature", Appl. Phys. A: Mater. Sci. Process. 74, 363-365 (2002).

91. H. J. Li, W. G. Lu, J. J. Li, X. D. Bai, and C. Z. Gu "Multichannel Ballistic Transport in Multiwall Carbon Nanotubes", Phys. Rev. Lett. 95, 086601- 086605 (2005).

92. J. E. Sipe, A. I. Shkrebtii "Second-order optical response in semiconductors", Phys. Rev. B 61, 5337-5352 (2000).

93. S. Tatsuura, M. Furuki, Y. Sato, I. Iwasa, M. Tian, and H. Mitsu, "Semiconductor Carbon Nanotubes as Ultrafast Switching Materials for Optical Telecommunications", Adv. Mater. 15, 534-537 (2003).

94. R. W. Boyd "Nonlinear Optics", Academic Press, New York, 3rd ed. (2009).

95. V.A. Margulis, T.A. Sizikova "Theoretical study of third-order nonlinear optical response of semiconductor carbon nanotubes", Physica B 245, 173-189 (1998).

96. L.Y. Liu, J.M. Huxley, E.P. Ippen, H. A.Haus "Self-starting additive-pulse mode locking of a Nd: YAG laser", Optics Letters 15, 553-555 (1990).

97. L.Huang, G.V. Hartland, L.Q. Chu, Luxmi, R.M. Feenstra, C. Lian, K. Tahy, H. Xing "Ultrafast Transient Absorption Microscopy Studies of Carrier Dynamics in Epitaxial Graphene", Nano Lett. 10, 1308-1313 (2010).

98. T. Winzer, A. Knorr, E. Malic " Carrier Multiplication in Graphene", Nano Lett. 10, 4839-4843 (2010).

99. F.Rana "Electron-hole generation and recombination rates for Coulomb scattering in graphene", Phys. Rev. B 76, 155431 2007, 76, 155431.

100. AI. Obraztsov A.N., Lyashenko D.A., Fang S., Baughman R.H., Obraztsov P.A.,Garnov S.V., Svirko Y.P. "Photon drag effect in carbon nanotube yarns", Applied Physics Letters, 94, 23 (2009) 231112.

101. А2. Михеев Г.М., Стяпшин B.M., Образцов П.А., Хестанова Е.А., Гарнов C.B. "Зависимость оптоэлектрического выпрямленияв нанографитных пленках от поляризации лазерного излучения", Квантовая Электроника,40, 5 (2010) 425-430.

102. A3. Obraztsov P.A., Mikheev G.M., Garnov S.V., Obraztsov A.N., Svirko Y.P "Polarization-sensitive photoresponse of nanographite", Applied Physics Letters, 98, 9, (2011), 091903.

103. А6. Obraztsov P.A. Sirotkin A.A., Obraztsova E.D.,Svirko Y.P.,Garnov S.V. "Carbon-nanotube-based saturable absorbers for near infrared solid state lasers", Optical Review, 17,3 (2010) 290-293.

104. A7. Obraztsov P.A., Rybin M.G., Tyurnina A.V., Garnov S.V., Obraztsova E.D., Obraztsov A.N., Svirko Y.P "Broadband light-induced absorbance change in multilayer graphene", Nano Letters, 11, (2011) 1540-1545.