https://doi.org/10.15407/iopt.2024.59.133
Optoelectron. Semicond. Tech. 59, 133-143 (2024)
I.Z. Indutnyi, V.I. Mynko, M.V. Sopinskyy, V.A. Dan’ko, A.A. Korchovyi
FEATURES OF PLASMON-STIMULATED SILVER PHOTODOPING OF THIN As10Ge30S60 LAYERS
The paper presents the results of studies of photostimulated diffusion of silver, enhanced by the surface plasmon-polariton (SPP) field, into thin films of As10Ge30S60 chalcogenide glass (ChG). To ensure the excitation of the SPP at the interface between Ag and ChG, substrates in the form of diffraction gratings with a period of 519 nm and a relief depth of 21 nm, formed on films of chalcogenide photoresist by the method of interference lithography, were used. An 85 nm thick Al layer, an opaque silver layer 80 nm thick and an As10Ge30S60 layer 13 nm thick were successively deposited onto these substrates using thermal deposition in a vacuum. The samples were irradiated with p-polarized He-Ne laser radiation (λ = 632.8 nm). The radiation of the same laser, attenuated by two orders of magnitude, was used to record the SPP resonance in the angular dependence of the specular reflection, which made it possible to study the kinetics of photostimulated processes in the Ag-As10Ge30S60 thin-layer structure. In particular, the kinetics of growth in the effective refractive index of the As10Ge30S60 layer as a result of photodoping with silver, the concentration of photodissolved silver, and the coefficients of photostimulated diffusion of silver in ChG were determined for exposure with SPP excitation and with and without plasmon-polariton excitation. It has been established that the excitation of SPP at the Ag/As10Ge30S60 interface during exposure leads to a threefold increase in the photostimulated flux of silver ions. A possible mechanism has been proposed to explain the acceleration of photostimulated metal diffusion in the structure under study due to the excitation of SPP: an increase in the intensity of generation of electron-hole pairs in the As10Ge30S60 layer under the influence of the plasmon field and/or plasmon-stimulated internal photoemission of electrons from the metal into the As10Ge30S60 layer with subsequent drift of silver ions into the chalcogenide under the influence of an additional electric field.
Keywords: surface plasmon polariton, photostimulated diffusion, chalcogenide glass, Ag.
References
1. I. Charnovych S., Dmitruk N., Voynarovych I., Yurkovich N., Kokenyesi S. Plasmon-assisted transformations in metal-amorphous chalcogenide light-sensitive nanostructures. Plasmonics. 2012. 7. P. 341–345. DOI 10.1007/s11468-011-9312-6.
2. Trunov M.L., Lytvyn P.M., Nagy P.M., Csik A., Rubish V. M., Kökényesi S. Light-induced mass transport in amorphous chalcogenides: Toward surface plasmon-assisted nanolithography and near-fieldnanoimaging, Phys. Status Solidi B. 2014. 251. P. 1354–1362. https://doi.org/10.1002/pssb.201350296.
3. Csarnovics I., Veres M., Nemec P., Molnar S., Kikinyesi S. Surface plasmon enhanced light-induced changes in Ge–Se amorphous chalcogenide – gold nanostructures. J. Non-Cryst. Solids. 2021. 553. 120491. https://doi.org/10.1016/j.jnoncrysol.2020.120491.
4. Alkhalil G., Burunkova J.A., Csík A., Donczo B., Szarka M., Petrik P, Kokenyesi S., Saadaldin N. Photoinduced structural transformations of Au-As2S3 nanocomposite impregnated in silica porous glass matrix. J. Non-Cryst. Solids. 2023. 610. 122324. https://doi.org/10.1016/j.jnoncrysol.2023.122324.
5. Indutnyi I.Z., Mynko V.I., Sopinskyy N.V., Lytvyn P.M. Plasmon-stimulated photodoping in the thin-layer As2S3–Ag structure. Opt. Spectrosc. 2019. 127. P. 938–942,
https://doi.org/10.1134/S0030400X19110109.
6. Indutnyi I.Z., Mynko V.I., Sopinskyy M.V., Lytvyn P.M. Impact of surface plasmonpolaritons on silver photodiffusion into As2S3 film. Plasmonics. 2021. 16. Р.181–188.
https://doi.org/10.1007/s11468-020-01275-8.
7. Indutnyi I.Z., Mynko V.I., Sopinskyy M.V., Dan’ko V.A., Lytvyn P.M. The effect of surface plasmon-polaritons on the photostimulated diffusion in light-sensitive Ag–As4Ge30S66 structures. Semicond. Phys. Quantum Electron. Optoelectron. 2021. 24. P. 436–443, https://doi.org/10.15407/spqeo24.04.436.
8. Indutnyi I., Mynko V., Sopinskyy M., Lytvyn P. Plasmon-enhanced photostimulated diffusion in a thin-layer Ag–GeSe2 structure. J. Non-Cryst. Solids. 2023. 618. 122513. https://doi.org/10.1016/j.jnoncrysol.2023.122513.
9. Kostyshin M.T., Michailovskaya E.V., Romanenko P.F. On the effect of photographic sensitivity of the thin semiconductor layers deposited on metal substrates. Sov. Phys. Solid State. 1966. 8, № 2. P. 451–452.
10. Indutnyi I.Z., Kostyshin M.T., Kasiarum O.P., Min’ko V.I., Mikhailovskaya E.V., Romanenko P.F. Photostimulated Interactions in Metal-Semiconductor Structures. Kiev: Naukova Dumka (in Russian), 1992. 240 р.
11. Kolobov A.V., Elliott S.R. Photodoping of amorphous chalcogenides by metals. Adv. Phys. 1991. 40. P. 625–684. https://doi.org/10.1080/00018739100101532.
12. Dan’ko V.A., Indutnyi I.Z., Min’ko V.I., Shepelyavyi P.E. Interference photolithography with the use of resists on the basis of chalcogenide glassy semiconductors. Optoelectron. Instrument. Proc. 2010. 46. P. 483–490. https://doi.org/10.3103/S8756699011050116.
13. Kandy A.K., Figueiredo C.S.M., Merino M.F. et al. Direct laser writing of computer-generated holograms by photodissolution of silver in arsenic trisulfide. Optics. 2023. 4. P. 138–145. https://doi.org/10.3390/opt4010010.
14. Sarwat S.G., Moraitis T., Wright C.D., Bhaskaran H. Chalcogenide optomemristors for multi-factor neuromorphic computation. Nat. Commun. 2022. 13. P. 2247. https://doi.org/10.1038/s41467-022-29870-9.
15. Sakaguchi Y., Hanashima T., Simon A.A.A., Mitkova M. Silver photodiffusion into amorphous Ge chalcogenides. Excitation photon energy dependence of the kinetics probed by neutron reflectivity. Eur. Phys. J. Appl. Phys. 2020. 90. P. 30101. https://doi.org/10.1051/epjap/2020190368.
16. Smiles M.J., Shalvey T.P., Thomas L. et al. GeSe photovoltaics: Doping, interfacial layer and devices. Faraday Discuss. 2022. 239. P. 250–262. https://doi.org/10.1039/D2FD00048B.
17. Liu Q.M., Zhao X.J., Tanaka K., Nazaraki A., Hirao K., Gan F.X. Second-harmonic generation in Ge–As–S glasses by electron beam irradiation and analysis of the poling mechanism. Opt. Commun. 2001. 198. P. 187192. https://doi.org/10.1016/S0030-4018(01)01483-3.
18. Harbold J.M., Ilday F.O., Wise F.W., Aitken B.G. Highly nonlinear Ge-As-Se and Ge-As-S-Se glasses for all-optical switching. IEEE Photon. Technol. Lett. 2002. 14. P. 822824.
doi: 10.1109/LPT.2002.1003105.
19. Dan’ko V., Dmitruk M., Indutnyi I., Mamykin S., Myn’ko V., Lukaniuk M., Shepeliavyi P., Lytvyn P. Fabrication of periodic plasmonic structures using interference lithography and chalcogenide photoresist. Nanoscale Res. Lett. 2015. 10. 497. https://doi.org/10.1186/s11671-015-1203-x.
20. Todorov R., Petkov K. Light induced changes in the optical properties of thin As–S–Ge(Bi, Tl) films. J.Optoelectron. Adv. Mater. 2001. 3. P. 311–317.
21. Ding S., Dai S., Cao Z., Liu C., Wu J. Composition dependence of the physical and acousto-optic properties of transparent Ge–As–S chalcogenide glasses. Opt. Mater. 2020. 108. 110175. https://doi.org/10.1016/j.optmat.2020.110175.
22. Indutnyi I.Z., Mamykin S.V., Mynko V.I., Sopinskyy M.V., Korchovyi A.A. Plasmon enhancement of photosensitivity of Ag–chalcogenide glass thin film structures. Semicond. Phys. Quantum. Electron. Optoelectron. 2023. 26. P. 432441. https://doi.org/10.15407/spqeo26.04.432.
23. Pockrand I. Surface plasma oscillations at silver surfaces with thin transparent and absorbing coatings. Surf. Sci. 1978. 72. P. 577–588. https://doi.org/10.1016/0039-6028(78)90371-0.
24. Raether H. Surface plasmons on smooth and rough surfaces and on gratings. Springer-Verlag Berlin, Heidelberg, 1988.
25. Homola J. Surface plasmon resonance sensors for detection of chemical and biological species. Chem. Rev. 2008. 108. P. 462−493. https://doi.org/10.1021/cr068107d.
26. Indutnyi I.Z., Stetsun A.I. Determination of the optical constants of thin absorbing films on a slightly absorbing substrate from photometric measurements. Proc. SPIE. 1994. 2113. P. 55–59. https://doi.org/10.1117/12.191967.
27. Zekak A. The Optical Characterization and Kinetics of Ag Photodissolution in Amorphous As-S Films. Ph.D. Thesis, University of Edinburgh, Scotland, UK, 1993.
28. Todorov R., Lalova A., Lozanova V. Optical properties of thin Ag/As-S-Ge films. Bulgarian Chemical Communications. 2015. 47. Special Issue B. P. 40–43.
29. Brongersma M., Halas N., Nordlander P. Plasmon-induced hot carrier science and technology. Nature Nanotech. 2015. 10. P. 25–34. https://doi.org/10.1038/nnano.2014.311.
30. Wu K., Chen J., McBride J.R, Lian T. Efficient hot-electrontransferby a plasmon-induced interfacial charge-transfer transition. Science. 2015. 349.6248. P. 632–635. DOI: 10.1126/science.aac5443.
І.З. Індутний, В.І. Минько, М.В. Сопінський, В.А. Данько, А.А.Корчовий
ОСОБЛИВОСТІ ПЛАЗМОН-СТИМУЛЬОВАНОГО ФОТОЛЕГУВАННЯ СРІБЛОМ ТОНКИХ ШАРІВ As10Ge30S60
У роботі наведено результати досліджень фотостимульованої дифузії срібла, підсиленої полем поверхневих плазмон-поляритонів (ППП), у тонкі плівки халькогенідних стекол (ХС) складу As10Ge30S60. Для забезпечення збудження ППП на межі розділу між Ag і ХС використовувалися підкладки у вигляді дифракційних ґраток з періодом 519 нм та глибиною рельєфу 21 нм, сформованих на плівках халькогенідного фоторезисту методом інтерференційної літографії. На отримані підкладки методом термічного осадження у вакуумі наносився шар Al товщиною 85 нм, на який осаджувався непрозорий шар срібла товщиною 80 нм та шар As10Ge30S60 товщиною 13 нм. Зразки опромінювали p-поляризованим випромінюванням He-Ne-лазера (λ = 632.8 нм). Випромінювання цього ж лазера, ослаблене на два порядки, було використано для реєстрації ППП-резонансу в кутовій залежності дзеркального відбивання, що дозволило дослідити кінетику фотостимульованих процесів у тонкошаровій структурі Ag–As10Ge30S60. Зокрема, визначена кінетика зростання ефективного показника заломлення шару As10Ge30S60 в результаті фотолегування сріблом, концентрація фоторозчиненого срібла та коефіцієнти фотостимульованої дифузії срібла в ХС при експонуванні зі збудженням ППП та без збудження плазмон-поляритона. Встановлено, що збудження ППП на межі поділу Ag/As10Ge30S60 під час експонування призводить до трикратного збільшення фотостимульованого потоку іонів срібла. Запропоновано можливий механізм для пояснення прискорення фотостимульованої дифузії металу в досліджуваній структурі за рахунок збудження ППП: підвищення інтенсивності генерації електронно-діркових пар у шарі As10Ge30S60 під впливом плазмонного поля та/або плазмон-стимульована внутрішня фотоемісія електронів від металу до шару As10Ge30S60 з подальшим дрейфом іонів срібла в халькогенід під дією додаткового електричного поля.
Ключові слова: поверхневий плазмон-поляритон, фотостимульована дифузія, халькогенідне скло, Ag.