ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК, 2007, том 413, № 3, с. 329-331
== ФИЗИКА =
УДК 535.44:538.975
ФОТОННЫЕ ГЕТЕРОСТРУКТУРЫ НА ОСНОВЕ МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ПЛЕНОК ОПАЛА
© 2007 г. Д. В. Калинин, А. И. Плеханов, В. В. Сердобинцева, академик В. Ф. Шабанов
Поступило 23.10.2006 г.
Создание фотонных пленочных кристаллов на основе опаловых структур является очень актуальной проблемой, которой занимается несколько научных коллективов в России, Европе, США. Авторами последовательно разрабатывается свой оригинальный подход к решению этой задачи [1-3], основанный на закономерностях нано-кристаллизации в суспензиях монодисперсных сферических частиц кремнезема (МСЧК) [4-8]. Существует два варианта получения опаловых ге-тероструктур, различающихся в своей основе. Первый состоит в совместной нанокристаллиза-ции сферических частиц двух размеров, когда большие частицы оказываются закономерно распределенными среди мелких, также образующих сложный порядок. Одна регулярная структура, таким образом, оказывается вложенной в другую регулярную структуру. Принципиальная возможность такой нанокристаллизации доказана [9], но гетероструктуры такого типа еще не получены, поскольку для их получения требуется строгое соблюдение соотношений концентраций и размеров больших и маленьких частиц.
Второй вариант связан с успехами в получении пленок опаловой структуры на твердом субстрате, нанесением пленок с различной структурой друг на друга и реализаций, таким образом, гете-роструктур, состоящих из двух или трех пленок [10-12]. Основная проблема здесь заключается в создании качественных монокристаллических пленок, содержащих минимум дефектов: доменов с различно ориентированной структурой, двойников, послойного чередования кубической и гексагональной упаковки, вакансий частиц и дислокаций, трещин. Следует прямо сказать, что абсолютно бездефектные монокристаллические опаловые пленки получить невозможно. Но все же в этом направлении можно сделать достаточно много и получить образцы с приемлемым уровнем "шума" в конечном фотонно-кристаллическом устройстве. Так, в [3] изложен концептуальный подход к по-
Институт геологии и минералогии
Сибирского отделения Российской Академии наук,
Новосибирск
лучению монокристаллических пленок и ликвидации доменной структуры, которая является главным дефектом. Он заключается в рассмотрении и реализации процесса формирования пленки из суспензии частиц в области подвижного мениска как равновесной нанокристаллизации структурных единиц - заряженных МСЧК, окруженных противоионной атмосферой. Далее, поскольку в первичном нанокристалле в области мениска МСЧК разделены жидкими прослойками, равными примерно толщине двух ионных атмосфер (2т), становится ясно что, уменьшения количества и ширины трещин, возникающих при последующем удалении жидкости, можно достичь уменьшением т. Каким образом это можно сделать, дает ответ известная теория ДЛФО (Дерягин, Ландау, Фервей, Овербек) [3]. Отсюда также следует, что первичный нанокристалл это гель, и технологию получения сухих пленок следует строить с учетом всего арсенала химии лиофобных коллоидных систем. В [13] нами рассмотрены причины появления послойного чередования кубической и гексагональной упаковки, из которых вытекают приемы их недопущения.
Вопрос появления других дефектов, таких, как вакансии частиц, дислокации и двойники, не несет в себе серьезного научного содержания. Он относится больше к технологическим приемам и степени монодисперсности МСЧК.
Качественные монокристаллические (бездоменные) пленки с минимумом дефектов, не содержащие двойников, получены впервые. Научная основа реализованного процесса синтеза изложена в [1-3]. В работе, как и ранее, использовались спиртовые суспензии МСЧК при температуре 65°С. Следует отметить, что в [1] роль нанокристаллизации в области мениска не была оценена в полной мере. На рис. 1 приводится более точная схема процесса формирования пленки, демонстрирующая диффузионно-конвекционное питание растущего пленочного нанокристалла структурными единицами, нанокристаллизацию структурных единиц, последующую потерю жидкости и область действия капиллярных сил.
На рис. 2 приведены спектры пропускания и отражения пленки из частиц МСЧК диаметром
330
КАЛИНИН и др.
н
ей
а
Н О
ю О
О
\
\
Сухая структура (V) (ретроспективный нанокристалл)
Зона сушки нанокристалла (IV) (постепенного уменьшения
толщины пртивоионной атмосферы и капиллярного стягивания МСЧК)
Нанокристалл (III)
Зона нанокристаллизации структурных единиц (II)
Зона суспензии (I)
Коэффициент пропускания, % 100 г
80-
60
40
20-
450
500 550 600 650 700 Длина волны, нм
Рис. 2. Спектральная зависимость коэффициента отражения при угле падения света у = 5° для ^-поляризации (жирная линия) и коэффициента пропускания при у = 0°, 20°, 40° (^-поляризация; тонкие линии) монокристаллической пленки опала.
кристаллических слоев МСЧК. Число слоев МСЧК N можно найти из соотношения:
neff( N - 1) d [ 111 ] + 2 n 0 L 0
X1X 2
2 (XX 2)'
(1)
Противоионная ^Заряженные МСЧК атмосфера
Рис. 1. Схема нанокристаллизации монокристаллической пленки опала на твердом субстрате в области мениска суспензии МСЧК.
280 нм, снятые с помощью спектрофотометра Shimadzu-UV2501PC, при угле падения у = 5° для s-поляризации. Наличие высокой упорядоченности структуры обеспечивает коэффициент отражения ~90%, который еще никем не был достигнут, и низкий коэффициент пропускания ~10% в центре стоп-зоны с длиной волны Xb = 605 нм. Измеренная по спектру отражения относительная ширина стоп-зоны (полная ширина на полувысоте), как и в случае пленки, описанной в [3], составила ^ = 6.2%, что хорошо согласуется с величи-X b
ной 6.3%, рассчитанной для дифракции на плоскостях [111] ГЦК-решетки опала.
Кроме пика отражения, соответствующего центру стоп-зоны, в крыльях видны дополнительные пики с длиной волны X,, обусловленные интерференцией из-за конечной толщины пленки. Расстояние между этими пиками зависит от количества
где Ь0 - толщина граничного слоя (половина диаметра МСЧК), п0 - эффективный показатель преломления пограничного слоя. Расчет величины N по формуле (1) с использованием значений Хг для 7 пиков на рис. 2, расположенных с коротковолновой стороны от максимума стоп-зоны Хь, дает разброс в пределах 23-24 слоев.
При кристаллизации пленочных гетероструктур площадью 2-3 см2 рост первой пленки А = 18 слоев МСЧК, dA = 260 нм) осуществлялся на плоской стеклянной поверхности методом подвижного мениска в соответствии с подходом, изложенным выше. Следующая пленка В = 23 слоя МСЧК, dв = 235 нм) кристаллизовалась на поверхности первой. Здесь следует сказать, что термин гетероструктуры точно применим к чередующимся пленкам с толщиной в 1-2 слоя МСчК. К пленкам же толщиной в десятки слоев он применим весьма условно, поскольку здесь имеет место суперпозиция двух независимых фотонных кристаллов.
Ансамбль из двух фотонно-кристаллических пленок имеет не перекрывающиеся брэгговские резонансы, совпадающие с таковыми для отдельных пленок А и В, указывая на постоянство периодов монокристаллических пленок в гетерострук-туре. В спектре пропускания им соответствуют минимумы, которые в соответствии с брэгговским
ФОТОННЫЕ ГЕТЕРОСТРУКТУРЫ
331
Рис. 3. Спектр отражения от пленочной гетерострук-туры опала, состоящей из трех пленок ABA (жирная линия). Тонкие линии 1 и 2 отвечают спектрам отдельных пленок A и B соответственно. Угол падения света 5°.
законом смещаются в коротковолновую сторону при изменении угла падения. Эти минимумы не перекрываются даже для больших углов (45-50°), свидетельствуя о хорошей кристаллической структуре пленок.
Электронно-микроскопический анализ полученных слоистых гетероструктур опала показывает одинаково ориентированные (без доменов) гексагонально упакованные слои МСЧК с плоскостью [111], параллельной подложке как в первой, так и во второй пленках. Пленки в гетерострукту-ре однородны по толщине. Резкая граница между пленками демонстрирует, что формирование второй пленки происходит независимо от профиля нижней.
Кривые на рис. 3 представляют эволюцию спектров по мере увеличения числа фотонно- кристаллических пленок в гетероструктуре опала до трех (структура ABA). На рис. 3 спектр 1 отвечает положению стоп-зоны для пленки A, а спектр 2 - для пленки B. Здесь количество слоев частиц в пленках A и B такое же, как и в бинарной гетероструктуре. Жирная линия - спектр отражения гетерострук-туры ABA.
Из рис. 3 видно, что третья пленка приводит к модификации спектра отражения и стоп-зоны испытывают отчетливую модуляцию, т.е. появляется эффект разрешенных фотонных состояний. Интересно, что трансформация происходит уже при трех пленках опала, поскольку в противоположность другим оптическим сверхрешеткам [14]
в этом случае достигается высокий диэлектрический контраст. Однако этот эффект, который на 10-20% меньше соседних с ним максимумов, требует серьезных дальнейших исследований.
Расчет периода нашей пленочной гетерострук-
туры Л = NAd[4111 ] + NBdB1U] дает величину 8.2 мкм. Это должно обусловливать модуляцию коэффициента отражения с частотой ~ — [14]. Результат
фурье-преобразования спектра отражения от полученной гетерострукутуры ABA показывает наличие широкого максимума амплитуды в области пространственной координаты ~8.7 мкм, что согласуется с нашими оценками.
Как итог можно констатировать, что на данный момент создана основа для получения достаточно качественных фотонно-кристаллических пленок, открывающих широкие возможности создания функциональных материалов и композиций различного назначения.
Работа выполнена при финансовой поддержке Президиума СО РАН (интеграционный проект № 33).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Калинин Д.B., Cepдoбuнцeвa B.B., Плеханов A.M., Coболев H.B. // ДАН. 2005. Т. 402. < 2. С. 227-229.
2. Плеханов A.M., Калинин Д.B., Cepдoбuнцeвa B.B., Coболев H.B. // ДАН. 2006. Т. 409. < 4. С. 531-534.
3. Калинин Д.B., Cepдoбuнцeвa B.B., Плеханов A.M., Шабанов B.î. // ДАН. 2006. Т. 411. < 2. С. 178-181.
4. Serdobintseva V.V., Danilyuk A.F., Kalinin D.V. // React. Kinet. Catal. Lett. 2000. V. 71. < 1.
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.