Generation and detection of gigahertz acoustic phonons and their interactions with charge carriers in nanomembranes
| datacite.contributor.Supervisor | Ανδρικόπουλος, Κωνσταντίνος | |
| dc.contributor.author | Σύμπουρα, Κλεονίκη | |
| dc.contributor.other | Sympoura, Kleoniki | |
| dc.date.accessioned | 2024-12-19T12:15:01Z | |
| dc.date.available | 2024-12-19T12:15:01Z | |
| dc.date.issued | 2024-07-17 | |
| dc.degree | graduateThesis | |
| dc.description.abstract | The mechanical and thermal properties of materials are strongly connected with the properties of hypersonic, gigahertz (GHz) acoustic phonons, which are the carriers of heat and sound. Thus, multiple applications, such as wireless communication devices, ultrasonic sensors and heat management in electronic devices, require an in-depth knowledge of the mechanisms for generation, propagation, and attenuation of hypersonic phonons. One of the central properties related to propagation is the phonon group velocity, which can be controlled by tuning the phonon dispersion relation. The ability to tune the phonon dispersion relationships (band structure) is the main goal of Phononics. This objective is fulfilled with the development of phononic crystals (PnCs). PnCs are elastic metamaterials with phononic band gaps that are used to control the propagation of acoustic waves. In this way, PnCs can be used to control the transport of infrasound, sound, hypersound, or heat depending on their operational frequency range (Hz to kHz, GHz and THz, respectively). In the context of hypersound management, PnCs are used to mediate signal processing with microwaves for wireless communications and various nanomechanical sensors. These applications take advantage of the unique properties of hypersonic phonons, such as their ability to propagate through solids with low attenuation and their high spatial resolution. Most importantly, it is possible to convert electromagnetic radiation (microwaves) to acoustic phonons in the GHz range using piezoelectrics, meaning materials that convert electric fields into pressure. PnCs with band gaps can then be used to guide the acoustic signals or block out external noise. Then, these acoustic signals can be filtered or measured, which is how multiple operations are executed on smartphones. In the context of heat management, PnCs can be used for heat removal, energy harvesting and controlled transport of heat, for example, one-way heat transport.3 Hence, by manipulating the propagation of phonons with PnCs, it is possible to modify the thermal conductivity of materials and other thermal properties, e.g., thermoelectric efficiency. In more detail, selectively blocking certain phonon frequencies can reduce thermal conductivity and develop better insulating materials to reduce heat transfer in specific components of electronic devices. Usually, the PnCs used for controlling heat transport must operate in the terahertz (THz) range. All of the above make clear the need to develop nanophononics and PnCs that operate in the GHz to THz range. One of the most important tools for the characterization of nanophononic materials and PnCs is Brillouin Light Scattering (BLS). This technique is particularly useful for studying phonons because it allows for the measurement of both the frequency and the wavevector (or momentum) of phonons, which are then giving the phonon band structure. Moreover, it is possible to extract the phonon lifetime from the width of the spectroscopic peaks or with direct time-resolved BLS measurements. However, as described above, most applications require PnCs that operate above 10 GHz (post 5G networks) and even in the THz range for thermal management. These higher frequencies are achieved with the use of sub-micrometer feature size PnCs. However, the small mass of the samples can lead to poor signal-to-noise ratio for BLS characterization. Moreover, the higher phonon frequencies translate into low phonon occupation and poor BLS signal. In addition, the used materials are often semiconducting, meaning that they appear semi-opaque and absorb light. This leads to an additional decrease in the BLS signal-to-noise ratio. Finally, the acoustic phonons can interact with various other microscopic excitations like electric charges, excitons, and plasmons (charge oscillations). To overcome all these obstacles, we need to develop methods to enhance the BLS signal. A recently developed method for enhancing the BLS signal is called pumped-Brillouin Light Scattering (pumped-BLS). While conventional BLS is based on spontaneous light scattering by thermal phonons, pumped-BLS is carried out in non-thermal conditions. In pumped-BLS, the GHz phonons are pumped with femtosecond laser pulses and probed with inelastic light scattering. The photoexcited GHz acoustic phonons population displays a hundredfold enhancement compared to thermal equilibrium for pure silicon nanomembranes. For gold- silicon nanomembranes, the enhancement of BLS can be four orders-of-magnitude larger than in thermal equilibrium. During this work, we have advanced the pumped-BLS setup to demonstrate interference between phonons. The femtosecond laser pulses are split into two beams, and one of them is delayed in time using a 50/50 beamsplitter and a delay stage. Depending on their relative phase, these two beams excite coherent, GHz acoustic phonons that show constructive or destructive interference. These results pave the way for studying interesting phenomena like time- refraction and time-diffraction for acoustic signals in the GHz range. Finally, we could observe a new, exotic phenomenon called light diffraction in the time domain. In this phenomenon, electromagnetic waves are scattered by two-time perturbations (as happens in space with two slits) and show maxima and minima in the frequency domain. | |
| dc.description.translatedabstract | Οι μηχανικές και θερμικές ιδιότητες των υλικών συνδέονται στενά με τις ιδιότητες των υπερηχητικών, ακουστικών φωνονίων στην κλίμακα gigahertz (GHz). Τα GHz ακουστικά φωνόνια είναι οι φορείς του ήχου και οι βασικοί φορείς της θερμότητας. Επίσης, η συχνότητα των GHz ακουστικών φωνονίων είναι ιδιαίτερης σημασίας τεχνολογικά, εφόσον χρησιμοποιείται στις τηλεπικοινωνίες. Συνεπώς, πλειάδα εφαρμογών, όπως οι συσκευές ασύρματης επικοινωνίας, οι υπερηχητικοί αισθητήρες και η διαχείριση θερμότητας σε ηλεκτρονικές συσκευές, απαιτούν μια εις βάθος γνώση των μηχανισμών παραγωγής, διάδοσης και εξασθένισης των υπερηχητικών φωνονίων. Μια σημαντική ιδιότητα που σχετίζεται με την διάδοση των φωνονίων είναι η ταχύτητα ομάδας τους, η οποία μπορεί να μεταβληθεί ρυθμίζοντας τη σχέση διασποράς των φωνονίων. Η ικανότητα ρύθμισης των σχέσεων διασποράς των φωνονίων (ενεργειακών ζωνών) είναι ο κύριος στόχος της επιστήμης της Φωνονικής. Αυτός ο στόχος επιτυγχάνεται με την δημιουργία τεχνητών υλικών που ονομάζονται φωνονικοί κρυστάλλοι. Οι φωνονικοί κρύσταλλοι είναι ελαστικά μεταϋλικά με φωνονικά ενεργειακά χάσματα που χρησιμοποιούνται για τον έλεγχο της διάδοσης των ακουστικών κυμάτων. Με αυτόν τον τρόπο, μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τον έλεγχο της διάδοσης ήχου, υπερήχου ή θερμότητας αναλόγως με το εύρος συχνότητας λειτουργίας τους (Hz - kHz, GHz - THz, αντίστοιχα). Στο πλαίσιο της διαχείρισης υπερήχων, οι ακουστικές μικροσυσκευές και οι φωνονικοί κρύσταλλοι χρησιμεύουν στην επεξεργασία σήματος σε συχνότητες μικροκυμάτων, για ασύρματες επικοινωνίες και για διάφορους νανομηχανικούς αισθητήρες. Αυτές οι εφαρμογές εκμεταλλεύονται τις μοναδικές ιδιότητες των υπερηχητικών φωνονίων, όπως η ικανότητά τους να διαδίδονται στα στερεά με χαμηλή εξασθένηση και την υψηλή χωρική ανάλυσή τους. Για παράδειγμα, ενώ ένα ηλεκτρομαγνητικό κύμα με συχνότητα 10 GHz έχει μήκος κύματος 30 cm στον αέρα, ένα ακουστικό φωνόνιο στο πυρίτιο με την ίδια συχνότητα έχει μήκος κύματος ~0.8 μm. Για τον λόγο αυτό, οι μικροσυσκευές ακουστικών φωνονίων είναι ήδη σημαντικό μέρος των “έξυπνων” φορητών συσκευών. Για τον σκοπό αυτό, είναι εξαιρετικά σημαντικό να διαθέτουμε αποτελεσματικούς μηχανισμούς σύζευξης της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας με τα ακουστικά φωνόνια. Στην περιοχή GHz χρησιμοποιούμε πιεζοηλεκτρικούς κρυστάλλους, όπως το Τελλουρίδιο του Ψευδαργύρου (Zinc Telluride, ZnTe) και το Νιοβικό Λίθιο (Lithium Niobate, LiNbO3), δηλαδή υλικά που μετατρέπουν τα ηλεκτρικά πεδία σε πίεση. Ωστόσο, πολλές νέες εφαρμογές, που έχουν κυρίως να κάνουν με τα κλασσικά, κβαντικά και υβριδικά δίκτυα τηλεπικοινωνιών, χρειάζονται αποτελεσματική σύζευξη του οπτικού φωτός με ακουστικά φωνόνια ή ταλαντωτές στη νανοκλίμακα. Επιπλέον, οι φωνονικοί κρύσταλλοι με ενεργειακά χάσματα μπορούν έπειτα να χρησιμοποιηθούν για να καθοδηγήσουν τα ηχητικά σήματα ή να αποκλείσουν τον εξωτερικό θόρυβο. Στη συνέχεια, αυτά τα ηχητικά σήματα μπορούν να φιλτραριστούν ή να μετρηθούν και με αυτόν τον τρόπο εκτελούνται πολλές λειτουργίες των smartphones. Στο πλαίσιο της διαχείρισης της θερμότητας, οι φωνονικοί κρύσταλλοι μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την απομάκρυνση της θερμότητας, για “συγκομιδή ενέργειας” (energy harvesting) και για την ελεγχόμενη μεταφορά ενέργειας, για παράδειγμα τη προσανατολισμένη μεταφορά θερμότητας προς μια κατεύθυνση. Ως εκ τούτου, με τον χειρισμό της διάδοσης των φωνονίων με φωνονικούς κρυστάλλους, είναι δυνατόν να τροποποιηθεί ακόμη και η θερμική αγωγιμότητα των υλικών και κατ’επέκταση άλλες θερμικές ιδιότητες π.χ., η θερμοηλεκτρική απόδοση. Πιο συγκεκριμένα, με τον επιλεκτικό αποκλεισμό ορισμένων φωνονικών συχνοτήτων είναι δυνατόν να μειωθεί η θερμική αγωγιμότητα και να αναπτυχθούν καλύτερα μονωτικά υλικά για τη μείωση της μεταφοράς θερμότητας σε ορισμένα στοιχεία των ηλεκτρονικών συσκευών. Συνήθως, οι διάφορες ακουστικές τεχνολογίες και οι φωνονικοί κρύσταλλοι που χρησιμοποιούνται για τον έλεγχο της μεταφοράς θερμότητας πρέπει να λειτουργούν στην περιοχή των terahertz (THz). Όλα τα παραπάνω, καθιστούν σαφή την ανάγκη για την ανάπτυξη νανοφωνονικών και φωνονικών κρυστάλλων που λειτουργούν στην περιοχή GHz - THz. Ένα από τα πιο σημαντικά εργαλεία για τον χαρακτηρισμό των νανοφωνονικών υλικών και των φωνονικών κρυστάλλων είναι η φασματοσκοπία σκέδασης Brillouin. Αυτή η τεχνική είναι ιδιαίτερα χρήσιμη για τη μελέτη των φωνονίων επειδή επιτρέπει τη μέτρηση τόσο της συχνότητας f όσο και του κυματάριθμου ή κυματανύσματος k (ή της ορμής p=ħk) των φωνονίων, από τα οποία εξάγουμε τη δομή των ενεργειακών ζωνών. Επιπλέον, είναι δυνατή η εξαγωγή του χρόνου ζωής των φωνονίων από το πλάτος των φασματοσκοπικών κορυφών ή άμεσα με στροβοσκοπικές μετρήσεις (pump-probe spectroscopy) ή φασματοσκοπίας Brillouin συναρτήσει του χρόνου. Ωστόσο, όπως περιγράφηκε παραπάνω, οι περισσότερες σύγχρονες εφαρμογές απαιτούν φωνονικούς κρύσταλλους που λειτουργούν πάνω από 10 GHz (post 5G networks) και ακόμη και στην περιοχή THz για τη διαχείριση της θερμότητας. Αυτές οι υψηλές συχνότητες επιτυγχάνονται με τη χρήση φωνονικών κρυστάλλων της τάξεως των νανομέτρων. Η πολύ μικρή ποσότητα υλικού οδηγεί σε πολύ χαμηλό σήμα για τη φασματοσκοπία Brillouin. Επιπλέον, οι υψηλές συχνότητες φωνονίων μεταφράζονται σε χαμηλή θερμική κατάληψη των φωνονικών καταστάσεων και κακό σήμα Brillouin. Επιπρόσθετα, τα χρησιμοποιούμενα υλικά είναι συχνά ημιαγώγιμα, γεγονός που τα καθιστά ημιδιαφανή και απορροφούν το φως. Αυτό οδηγεί σε περαιτέρω μείωση της αναλογίας σήματος - θορύβου της φασματοσκοπίας Brillouin. Τέλος, τα ακουστικά φωνόνια μπορούν να αλληλεπιδρούν με διάφορες άλλες μικροσκοπικές διεγέρσεις όπως ηλεκτρικά φορτία και ρεύματα, εξιτόνια (ζεύγη ηλεκτρονίων-οπών σε ημιαγωγούς) και πλασμόνια (ταλαντώσεις φορτίου σε μέταλλα). Συνεπώς, πρέπει να αναπτύξουμε μεθόδους για την ενίσχυση του σήματος της σκέδασης Brillouin. Μια νέα μέθοδος για την ενίσχυση του σήματος της σκέδασης Brillouin ονομάζεται pumped-Brillouin Light Scattering (pumped-BLS). Ενώ η συμβατική φασματοσκοπία Brillouin βασίζεται στην αυθόρμητη σκέδαση του φωτός από θερμικά φωνόνια, η pumped-BLS πραγματοποιείται σε μη θερμικές συνθήκες. Στην pumped-BLS, τα φωνόνια GHz “αντλούνται” (pumped) από την κατάσταση θερμικής ισορροπίας σε μία διεγερμένη μη θερμική κατάσταση με παλμούς femtosecond λέιζερ, και ανιχνεύονται με ανελαστική σκέδαση φωτός. Ο πληθυσμός των φωτοδιεγερμένων ακουστικών φωνονίων GHz παρουσιάζει εκατονταπλάσια ενίσχυση σε σύγκριση με τη θερμική ισορροπία για νανομεμβράνες πυριτίου. Για νανομεμβράνες με ετεροεπαφές χρυσού και πυριτίου, το σήμα της σκέδασης Brillouin μπορεί να ενισχυθεί κατά τέσσερις τάξεις μεγέθους σε σχέση με την θερμική ισορροπία. Κατά τη διάρκεια αυτής της εργασίας, βελτιστοποιήσαμε την pumped-BLS διάταξη προκειμένου να μπορεί να ανιχνεύσει την συμβολή μεταξύ φωνονίων. Αυτή η δυνατότητα είναι απαραίτητη προκειμένου να μελετήσουμε στο μέλλον αναρμονικές αλληλεπιδράσεις φωνονίων-φωνονίων, που παίζουν καθοριστικό ρόλο στην θερμική αγωγιμότητα των υλικών. Οι παλμοί femtosecond λέιζερ χωρίζονται σε δύο ακτίνες και μία από αυτές καθυστερεί στο χρόνο, χρησιμοποιώντας ένα 50/50 διαχωριστή δέσμης (beam splitter) και ένα μηχανικό delay stage. Οι δύο ακτίνες διεγείρουν σύμφωνα, ακουστικά φωνόνια GHz που παρουσιάζουν ενισχυτική ή καταστροφική συμβολή, ανάλογα με τη διαφορά φάσης τους. Αυτά τα αποτελέσματα ανοίγουν το δρόμο για τη μελέτη ενδιαφερόντων φαινομένων, όπως η περίθλαση και διάθλαση χρόνου για ακουστικά σήματα στην περιοχή των GHz. Τέλος, μπορέσαμε να παρατηρήσουμε ένα νέο, εξωτικό φαινόμενο, που ονομάζεται περίθλαση φωτός στο πεδίο του χρόνου. Στο φαινόμενο αυτό τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα σκεδάζονται από δύο χρονικές διαταραχές (όπως συμβαίνει στον χώρο με δύο σχισμές) και εμφανίζουν μέγιστα και ελάχιστα στο πεδίο των συχνοτήτων. | |
| dc.identifier.uri | https://hdl.handle.net/10889/28705 | |
| dc.language.iso | en | |
| dc.rights | Attribution-NoDerivatives 4.0 International | en |
| dc.rights.uri | http://creativecommons.org/licenses/by-nd/4.0/ | |
| dc.subject | Phonons | |
| dc.subject | Nanomembranes | |
| dc.subject | Acoustics | |
| dc.subject.alternative | Φωνόνια | |
| dc.subject.alternative | Νανομεμβράνες | |
| dc.subject.alternative | Ακουστικά | |
| dc.title | Generation and detection of gigahertz acoustic phonons and their interactions with charge carriers in nanomembranes | |
| dc.title.alternative | Γέννηση και ανίχνευση gigahertz ακουστικών φωνονίων και οι αλληλεπιδράσεις τους με φορείς φορτίου σε νανομεμβράνες |