Optical second-harmonic generation from niobium oxide dihalides
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Sähkötekniikan korkeakoulu |
Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Authors
Date
2023-10-20
Department
Major/Subject
Photonics and Nanotechnology
Mcode
ELEC3052
Degree programme
Master’s Programme in Electronics and Nanotechnology (TS2013)
Language
en
Pages
53 + 7
Series
Abstract
Two-dimensional (2D) materials show extraordinary nonlinear optical properties with higher nonlinear susceptibilities than those found in bulk materials. To fully utilize the nonlinear optical properties of 2D materials, further characterization and understanding of the phenomena are needed, in addition to new 2D materials with high optical nonlinear susceptibilities. Recently, niobium oxide dihalides (NbOX2) are an emerging group of 2D materials with unique physical properties, such as high second-order optical nonlinearities and ferroelectricity at high curie temperatures. The materials provide a possible platform for novel applications, such as non-volatile optically active memory devices and light sources for quantum technologies. This thesis examines the nonlinear optical properties of NbOX2 materials via second harmonic generation (SHG) by investigating power and polarization dependencies together with anisotropic properties at different wavelength regions. In addition, strain effects on the SHG are investigated by introducing variable uniaxial tensile strain to the samples. To examine the SHG properties, samples of NbOCl2 and NbOI2 are fabricated via mechanical exfoliation and transferred to silicon and flexible polydimethylsiloxane substrates. The SHG is investigated using a home-built multiphoton microscope that uses a wavelength-tunable femtosecond excitation laser together with a galvanometer to create micrographs of the samples. The results obtained in this thesis show a quadratic power dependency of SHG with a high degree of anisotropy that has a unique dependency on the incident wavelength. In addition, the results indicate crystal orientation-dependent strain modulation of SHG from NbOCl2. This thesis suggests NbOX2 materials provide high optical second-order nonlinearities with a high degree of tunability, allowing for more extensive studies in strain tuning of nonlinear optical properties.Kaksiulotteiset (2D) materiaalit ilmentävät erityisiä epälineaarisia optisia ominaisuuksia joiden hyödyntämiseen tarvitaan kattavampaa tutkimusta materiaalien ominaisuuksista, sekä u,usien korkean epälineaarisen optisen muunnostehokkuuden omaavien materiaalien hyödyntämistä. Niobium oksidi dihalogenidit (NbOX2) ovat viime aikoina kiinnostusta herättänyt ryhmä 2D materiaaleja, jotka osoittavat erityisiä fysikaalisia ominaisuuksia, kuten korkeaa muunnostehokkuutta optisissa toisen asteen epälineaarisissa prosesseissa, sekä ferrosähköisyyttä korkeissa lämpötiloissa. Nämä ominaisuudet tekevät NbOX2 materiaaleista kiinnostavia mahdollisiin sovelluksiin kuten optisesti muokattaviin muistiyksikköihin, sekä kvanttiteknologioissa hyödynnettäviin valonlähteisiin. Tässä opinnäytetyössä tutkitaan optista toista harmonista generaatiota (SHG) NbOX2 materiaaleissa mittaamalla teho ja polarisaatio riippuvuuksia sekä harmonisen generaation anisotrooppisia ominaisuuksia eri aallonpituus alueilla. Myös vetorasituksen vaikutusta SHG:n ominaisuuksiin tutkitaan tuottamalla yksiakselista vetojännitystä näytteelle. SHG:n tutkimista varten valmistetaan NbOCl2 ja NbOI2 näytteitä mekaanisella kuorimismenetelmällä pii sekä polydimetyylisiloksaani substraateille. SHG:n tutkimiseen käytetään monifotoni mikroskooppia, joka tuottaa mikrokuvan näytteen SHG:stä femtosekuntilaseria hyödyntäen. Tulokset näyttävät neliöllisen tehoriippuvuuden SHG signaalin ja näytteelle tuotavan optisen kentän välillä. Myös merkittävää anisotropiaa havaitaan SHG signaalissa. Anisotropialla näytetään myös olevan erityispiirteistä aallonpituusriippuvuutta. Tämän lisäksi, tulokset osoittavat, että näytteen orientaatio riippuvaisella vetojännityksellä kyetään moduloimaan SHG signaalin voimakkuutta. Tämä opinnäytetyö todentaa NbOX2 materiaalien omaavan korkeita ja muokattavia toisen asteen optisia epälineaarisuuksia, tarjoten mahdollisuuksia laajemmille tutkimuksille optisten epälineaarisuuksien muokkauksesta vetojännitystä käyttäenDescription
Supervisor
Sun, ZhipeiThesis advisor
Arias Muñoz, Juan CamiloKeywords
optical second-harmonic generation, niobium oxide dihalides, multiphoton microscopy, strain engineering