Объёмные наноструктурированные материалы для фотоники.

Фотонные кристаллы.

В середине 70 годов прошлого века была высказана идея о создании оптической зонной структуры, в которой существуют разрешенные и запрещенные состояния для фотонов. Среда, в которой роль периодического потенциала решетки выполняют периодические изменения диэлектрической проницаемости или показателя преломления в волноводной среде.

Фотонный кристалл является сверхрешеткой - средой, в которой искусственно создано дополнительное поле, с периодом превышающем на порядки период кристаллической решетки. Для фотонов такое поле получают периодическим изменением коэффициента преломления среды – в одном, двух и трех измерениях. Если период оптической сверхрешетки сравним с длиной электромагнитной волны, то поведение фотонов кардинально отличается от их поведения в обычной кристаллической решетки.

Фотонные кристаллы являются искусственно созданными структурами, состоящими из высокоупорядоченных, одно- двух или трехмерных пространственно выровненных объектов. Эти объекты характеризуются периодической модуляцией диэлектрической проницаемости по длине, сравнимой с длиной рабочих электромагнитных волн. Такие нано- и микро структурированные материалы имеют фотооптическую запрещенную зону, в пределах которой в кристаллах запрещено прохождение ряда длин волн. Фотонные кристаллы перспективны для управления спонтанной эмиссией в лазерах.

В фотонных кристаллах диэлектрические частицы образуют решетку с расстояниями между частицами, сравнимыми с длиной волны видимого света. В 1987 году Яблонович и Джон предложили создать решетку с такими расстояниями в ней, при которых свет претерпевал бы Брегговское отражение. Такое отражение возникает в рентгеновском диапазоне при падении рентгеновских лучей на кристаллическую решетку. Условие Вульфа- Брега для дифракционных максимумов: .

Если разность хода двух волн, отразившихся от соседних плоскостей, составляет половину длины волны: (это условие минимума), то в результате интерференции отраженных волн они гасятся, и не могут распространятся в решетке. Это приводит к возникновению фотооптической щели. Для видимого света расстояние между частицами должно быть около полмикрона 0.5 мкм=500 нм. на рис пул149+ показан пример двумерного кристалла образованного диэлектрическими стерженьками упорядоченными в двумерную решетку.

На рис пул149 631 показаны: область нулевой интенсивности света - щель (фотооптическая запрещенная зона); ниже щели интенсивность свет большая, и эта зона называется диэлектрической зоной (аналог валентная зона).; выше щели интенсивность света низкая, это волновая зона. Если теперь ввести линейный дефект-отсутствие одного ряда стержней. Эта область становится волноводным каналом, что приводит к появлению к разрешению частоты в щели (запрещенной зоне). Это аналогично, введению примесей в - - типа в полупроводниках. Физическая природа образования щели разная, для фотоники и электроники, а эффект тот же. Путем удаления одного стержня или изменения его радиуса также можно создать резонансную полость, что создает уровень в запрещенной зоне. Частота этого уровня зависит от радиуса. Такие структуры способны управлять плотностью доступных для излучаемого фотона мод электромагнитных колебаний и коэффициентом связи между атомом и фотоном. Такие кристаллы могут работать как фильтры и связующие устройства в лазерных системах.

Фотонные кристаллы образуются из нанокластеров с размерами сравнимыми с размером длиной волны света. Они имеют периодически меняющийся коэффициент отражения, что позволяет изменять оптические свойства материала. Одномерные наноструктуры используются как интерференционные фильтры. Трехмерные фотонные наноструктуры обладают фотонной щелью с диапазоном частот, в котором фотон не может распространятся внутрь кристалла. Он упруго отражается от нанокристаллического слоя и движется как в волноводе.

Создание фотонных кристаллов с фотооптической запрещенной зоной (фотонная щель)

Собирают сферы субмикронного размера в гранецентрированную решетку путем спекания. В результате получают наноматериал –синтетический опал, включающий монокристаллические сферы окиси кремния . Опал –смесь кристаллического и аморфного кремнезема . После выщелачивая сфер образуется пористая структура - нанокристаллический опал, в котором кремний включается в упорядоченную структуру пустот. риссуз496

Если полупроводник обладает коэффициентом отражения >2.85, то такая структура будет обладать фотонной щель. Возможно создание фотонных кристаллов на основе , способных к интенсивному испускания света.

Трехмерные голографические фотонные кристаллы, работающие в оптическом окне связи

Существует голографический метод в (кнРАхманНаноструктуры в электроникес269рис133) с изготовления шестислойных гранецентрированных кубических полимерных фотонных кристаллов субмикронного диапазона, основанный на использовании многоугольных призм и на применении обоих типов фоторезистов -негативного и позитивного.

Идея метода заключается в управлении направлением распространения фазой и поляризацией сразу нескольких лазерных лучей. Это формирует требуемое трехмерное лазерное интерференционное изображение, которое используется для облучения фоточувствительного материала. Таким образом, можно сконструировать все 14 типов решеток Браве. При использовании преломляющих линз получена полоса пропускания в диапазоне длин волн 1460-1565 нм в направлении [111] Применялся УФ лазер с длиной волны 325 нм и интенсивностью 5 мВт/см2.

Эффект «суперпризмы» –аномальное преломление излучения на границе раздела меду фотонным кристаллом и гомогенной средой. Угол преломления становится очень чувствителен, к изменению угла падения лучей и длины волны. Причина заключена в анизотропии зон в фотонном кристалле. дисперсия может быть в сотни раз сильнее, чем в случае обычной призмы.

 

Эффект гигантского магнетосопротивления состоит в значительном уменьшении сопротивления наноматериала при действии магнитного поля (до 1000%). Магнетосопротивление массивных материалов меняется незначительно. Сопротивление массивного пермаллоя (80% Ni -20% Fe) в магнитном поле меняется на 3%.

Нанокластерные металлические материалы ГМС получают растворением нанокластеров железа или кобальта в матрице другого металла с хорошей проводимостью медь или серебро , причем компоненты должны, плохо растворятся, друг в друге.

Эффект ГМС впервые наблюдался на пленках, в которых чередовались слои железа и хрома. рис пул166 а +

Материалы из однодоменных ферромагнитных частиц со случайной ориентировкой векторов намагниченности в немагнитной проводящей матрице обладают также ГМС.б

Эффект гигантского магнетосопротивления служит чувствительным детектором магнитного поля и является основой для создания высокочувствительных считывающих головок магнитных дисков.

Нанотехнологии – совокупности способов, методов, приемов и средств применяемых при изучении, проектировании, создании и использовании частиц, структур, систем, материалов, устройств и машин, включающие целенаправленный контроль и модификацию состояния, формы, размера, интеграции и взаимодействия составляющих их наномасштабных элементов (1-100 нм) для получения объектов с новыми функциональными физическими, химическими, биологическими и информационными свойствами.

Нанотехнология относится к технологиям организованным по принципу «снизу вверх». Сборка макроструктуры производится из элементарных «блоков»-атомов, молекул, кластеров, нанотрубок, нанокристаллов, наноструктур. Эти элементы в контролируемом процессе сборки или самосборки размещаются в требуемом порядке. Однако сборка макрообъекта последовательной укладкой атомов в условиях массового производства требует громадного времени. Реальным способом может являться только управляемая самосборка или самоорганизация макрообъектов, подобная существующей в биологических системах.

Принцип минимума энергии - всякая система стремиться перейти в состояние, когда её энергия минимальна. Если энергия атомов или молекул при объединении в систему при определенных положениях и ориентациях будет уменьшаться, под действием химических связей, то самосборка атомов в кластер произойдет автоматически. При создании сложных иерархических структур, подобных биологическим структурам, дополнительно требуется информационная программа.

К основным классам нанотехнологий относятся: эпитаксиальная технология, (эпитаксия - ориентрованный рост одного монокристалла на поверхности другого или подложки); нанолитография (литография – способ плоской печати, при котором печатной формой служит твердая печать, которая вдавливает рельеф в подложку), зондовые нанотехнологии.