Метаматериалы и оптические свойства наноструктур

Особым направлением нанотехнологического развития являются исследования синтеза регулярных и фрактальных наноразмерных структур методами коллоидной самосборки и фотоэлектронного синтеза в высокоразрешающих регистрирующих полимерных средах. Эти методы можно назвать параллельными в отличие от ставшего традиционным последовательного метода формирования наноструктур – «атом за атомом». Научными обоснованиями актуальности этих технологических разработок являются как эволюционные исследования: запись компьютерно (графически)- синтезированных голограмм (CGH), создание фотонных кристаллов, так и революционные – создание метаматериалов, обоснование которых идет от пионерских исследований советского физика В.Г. Веселаго. Метаматериалы выделены в отдельный класс материалов, так как их свойства зависят не от их химического состава, а от микроструктуры, упорядоченной особым образом. В частности, такими свойствами могут быть отрицательная диэлектрическая и магнитная проницаемость и, как следствие, отрицательный (или левосторонний) коэффициент преломления.

В.Г. Веселаго указал на весьма необычные электродинамические свойства сред, которые характеризуются одновременно отрицательными значениями электрической и магнитной проницаемостей. Эти свойства могут быть полностью объяснены и описаны, если принять, что такие вещества обладают отрицательным значением коэффициента преломления n. В своих первых работах В.Г. Веселаго особо подчеркнул, что электродинамика веществ с отрицательным значением n представляет несомненный общефизический интерес и очень логично дополняет привычную нам электродинамику веществ с положительными величинами n.

Лишь через 35 лет эти научные предположения были развиты английским физиком Дж. Пендри (J.B. Pendry). В 2000 г. физиками Университета Калифорнии (Сан-Диего) Дэвидом Р. Смитом (David R. Smith) и Ричардом А. Шелби (Richard A. Shelby) был синтезирован новый класс композитных материалов, обладающий отрицательными электрической и магнитной проницаемостями в микроволновом диапазоне. Новый материал представляет собой массив медных микроскопических стержней и колец, помещенных в основу из стекловолокна. Необходимая конфигурация массива была специально рассчитана для получения отрицательного n.

Уже в первых экспериментах группы американских ученых были подтверждены основные свойства этих материалов, указанные В.Г. Веселаго в его работах. Эксперименты, проведенные в этой области, подтвердили предсказания В.Г. Веселаго о том, что плоскопараллельная пластина, выполненная из материала n = – 1, обладает фокусирующими свойствами, подобно обычной выпуклой линзе. В настоящее время В.Г. Веселаго продолжает развивать данное направление. Им, в частности, обобщен принцип Ферма на случай распространения электромагнитной волны сквозь среду с отрицательным значением n. В.Г. Веселаго предсказал создание метаматериалов с «левосторонними» свойствами, в отличие от привычных нам материалов с правосторонним расположением тройки векторов H, E, k, характеризующих распространение магнитной, электрической составляющих и вектора k электромагнитной волны в материалах с положительными значениями показателя преломления. В метаматериалах с отрицательными значениями показателя преломления многие процессы и оптические свойства распространения электромагнитных волн имеют существенные отличия от традиционных материалов. К основным отличиям относятся следующие необычные свойства:

· вектор Пойнтинга S и вектор k электромагнитной волны направлены в противоположные стороны, при сохранении правосторонней ориентации S относительно векторов Е и Н (волна распространяется на источник излучения). Так как вектор k совпадает по направлению с фазовой скоростью, то ясно, что левые вещества являются веществами с так называемой отрицательной групповой скоростью, которая осуществляется, в частности в анизотропных веществах или при наличии пространственной дисперсии;

· в «левосторонних» веществах будет наблюдаться обращенный Доплер-эффект;

· методами геометрической интерпретации отрицательного показателя преломления можно показать, что традиционные оптические элементы: – двояко выпуклая линза работает как рассеивающая линза, а двояко вогнутая, как собирающая. Обычная плоскопараллельная пластина с n = –1 в гомоцентрическом потоке выступает в роли собирающей линзы, при выполнении условия l < d (где l расстояние источника от пластины, d – толщина пластины);

· как показано в работах английского физика Дж. Пендри разрешающая способность линз из материалов с отрицательным показателем преломления существенно преодолевает дифракционный предел Аббе.

Отметим, что попытки ограничить нанотехнологии размерностными определениями (1÷100 нм) являются непродуктивными и ведут к ряду недоразумений. Простое размельчение многих природных продуктов до указанных размеров не всегда приводят к существенному скачку развития при их применении. По мнению многих исследователей нанотехнологии начинаются там, где естественными или искусственными способами собираются регулярные 2 D и 3 D массивы с управляемой самосборкой их внутренней структуры из объединения от нескольких единиц до многих сотен молекул и атомов химических элементов по принципу синтеза «снизу вверх». Нанонаука начинается там, где на созданных наномассивах и структурах исследуется их взаимодействие с электромагнитными и гравитационными полями и излучениями различной природы. В силу того, что составляющими элементами наноструктур выступают конгломераты из сравнительно небольшого количества молекул и атомов, их коллективное взаимодействие с полями и излучениями отлично от известных и установленных законов макро- и микромиров. Вот почему для объяснения явлений взаимодействия с излучениями и, в частности, при микроскопическом анализе наноструктур, необходимо учитывать, что нанотехнологии оперируют переходными уравнениями от уравнений классической электродинамики сплошных сред к уравнениям квантовой механики. И здесь на переходном барьере многое еще не изучено и сулит нам неожиданные открытия и прорывные решения.

Требует еще детального анализа и теоретического описания явление сверхразрешения, экспериментально подтвержденное работами группы исследователей лаборатории проф. Сяг Жанга (Xiag Zhang). При оптической микроскопии наноразмерных структур, образованных чередующимися слоями диэлектрика и металла, получено разрешение в дальнем поле приблизительно λ/3 (125 нм на рабочей длине волны 365 нм). При объяснении результатов исследований Сяг Жанг ссылается на публикации Дж. Пендри, а также работу группы исследователей Е. Бетцига (E. Betzig), Дж. К. Траутмэна (J.K. Trautman), Т.Д. Харриса (T.D. Harris) и др., получивших еще в 1991 году разрешение 12 нм (приблизительно λ/43) на ближнепольном сканирующем оптическом микроскопе. В этой же работе для объяснения результатов было введено понятие слабых затухающих волн(так называемых «эванесцентных» волн), (evanescent wave).

В вышеуказанной работе коллектива авторов под руководством Сяг Жанга со ссылкой на статью Дж Пендри указывается, что новая концепция формирования изображений, названная ими «гиперлинзовое восприятие» (superlensing received) должна обратить внимание исследователей на то, что восстановление с помощью эванесцентных волн обеспечивает создание субдифракционного формирования изображений в дальней зоне без специально производимого сканирования. Многократное сканирование исходного изображения осуществляется волнами, порождаемыми в диэлектрических слоях при многократных отражениях от наноразмерных слоев металла (35 нм). Считывание исходного изображения проводится обратными дифракционными потоками от каждого слоя диэлектрика.

В завершение отметим, какие новые результаты по изучению композитных метаматериалов получены в последние годы:

· подтверждена гипотеза В.Г. Веселаго о фокусирующих свойствах плоскопараллельной пластины из левосторонних композитных материалов;

· доказана возможность имитации невидимости с использованием композитных метаматериалов в микроволновом и акустическом полях;

· созданы макеты линзовых элементов с суб-дифракционным разрешением из однослойных и многослойных наноразмерных структур;

· созданы образцы пленочных фотоэлементов, вырабатывающих электроэнергию в ИК и терагерцовом диапазонах спектра электромагнитных колебаний.

Контрольные вопросы

1. Каков принцип работы сканирующего туннельного микроскопа (СТМ)? Как проявляется взаимодействие зонда СТМ и сканируемой поверхности? Что является зондом СТМ?

2. Укажите условия, при которых проявляются характерные свойства наноструктур. Каковы, на ваш взгляд, основные отличия наноматериалов от обычных материалов?

3. В каких случаях проявляются квантовые размерные эффекты? Что такое квантовые точки? Нанопроволоки?

4. Укажите основные подходы к формированию наноструктур. В чем их принципиальные различия?

5. Перечислите атомные манипуляции, осуществляемые с помощью сканирующего туннельного микроскопа. Объясните, каким образом СТМ позволяет совершать манипуляции с атомами.

6. Что такое адатомы? Что такое монослой?

7. Укажите методы переноса атомов с поверхности образца при помощи СТМ. Каковы преимущества и недостатки каждого метода?

8. Выполнение каких условий требуется для того, чтобы перемещение атома вдоль поверхности под действием межатомных сил, существующих между зондом СТМ и поверхностью, было воспроизводимым и надежным?

9. В чем проявляется эффект самоорганизации при формировании поверхностных наноструктур?

10. Перечислите типы кластеров, которые образуют атомы Ge на поверхности Si

11. В каком случае на поверхности полупроводника могут формироваться нанопроволоки?

12. Укажите, какие имеются возможности увеличения эффективности светоизлучения в полупроводниковых структурах на основе кремния.

13. Каковы области практического применения полупроводниковых наноструктур (на примере массивов квантовых точек на кремнии)

14. Что такое фуллерены? Какие имеются типы углеродных нанотрубок?

15. Укажите главную особенность, выделяющую метаматериалы в особый класс веществ?

16. Перечислите, какими необычными оптическими свойствами обладают метаматериалы с отрицательным показателем преломления?

 

Рекомендуемая литература [25–65].