Введение к работе
Актуальность темы.
В настоящее время одним из наиболее бурно развивающихся направлений в электродинамике является исследование оптических и магнитных характе-
ристик так называемых «низкоразмерных» (величиной порядка 1-10 нанометров) объектов, а также образованных из них структур. Это следует связать, прежде всего, с уникальными оптическими свойствами подобных систем, а также - с появившейся экспериментальной возможностью создавать и целенаправленно распределять наночастицы в пространстве, осуществляя с достаточно высокой точностью контроль соответствующих параметров, таких как форма, материал, характерные размеры нанокластеров и пр. Действительно, начало теоретическим изысканиям в указанной области было положено еще в конце 19-го начале 20-го веков такими известными учеными как Рэлей, Мандельштам, Планк и Лорентц в работах [1-4], посвященных объяснению цвета неба и влиянию на него флуктуации и взвесей в воздухе. В тот же промежуток времени в работах Лоренца, Ми и Дебая [5-7] было исследовано рассеяние света на однородном шаре произвольного размера и давление, оказываемое на него излучением [7]. Максвелл-Гарнетт разработал подход к описанию сред, которые сейчас принято называть «нанокомпозитами», содержащих хаотически распределенные микро- и нановкрапления инородных веществ [8]. Ряд необычных оптических свойств подобных объектов и систем был предсказан ими еще тогда, однако воплощение идеи экспериментального исследования наноструктурных систем и широкого использования их для решения задач прикладного характера было произведено лишь во второй половине 20 века с появлением достаточно мощных компьютеров, позволяющих проводить численное моделирование, изобретением электронного и туннельного микроскопов и развитием химических методов получения наночастиц и структур из них, например, при помощи самоорганизации.
Развитие методов создания и исследования наносистем привело, в свою очередь, к возникновению обширного направления в области нанооптики, посвященного регулированию отражательной и пропускательной способностей наноматериалов, а также направления и скорости распространения в них электромагнитных волн. Это позволило выявить ряд неизвестных ранее эффектов и получить необычные результаты. К примеру, множество работ посвящено изучению эффекта снижения групповой скорости света на несколько порядков по величине в метаматериалах [9], отрицательной рефракции в так называемых «левосторонних» средах [10,11], а также разработке материалов и покрытий, обладающих близким к полному пропусканием излучения в широком диапазоне частот [12,13]. Известно, что подобным эффектом варьирования прозрачности (просветления либо зеркальности) обладают и обычные гомогенные покрытия, наносимые на поверхность линз, зеркал и прочих оптических элементов, однако область их применимости и достижимые характеристики ограничены существующими «природными» материалами, а также необходимостью использования большого количества слоев со строго контролируемыми параметрами для регулирования отражения в ши-
роком интервале длин волн. Более того, при помощи данного подхода возможно просветление не каждой среды [14], а использование слоистых покрытий, например, для повышения эффективности тонкопленочных солнечных элементов приводит к увеличению прохождения света сквозь фотоволь-таический слой в подложку и возрастанию потерь на нагревание. С другой стороны, использование наноструктурных систем позволяет значительно улучшить характеристики подобных покрытий как за счет более точного подбора показателя преломления пленки, так и благодаря специфическим эффектам, имеющим место только в наноструктурах и отсутствующим в гомогенных материалах [15]. В частности, нами показано, что упорядоченный слой нанообъектов может изменять собственную эффективную оптическую толщину в зависимости от длины волны света, удовлетворяя таким образом известным условиям интерференционного погашения либо усиления отражения в значительно более широком диапазоне длин волн, нежели это имеет место в обычных пленках. Это, в свою очередь, позволяет использовать единственный наноструктурный слой (вместо множества гомогенных пленок) для просветления подложки в широком диапазоне длин волн и легко подстраивать систему под заданную подстилающую среду, варьируя, например, размер либо форму нанообъектов.
Системы, обладающие внутренней микро- и наноструктурой, широко применяются для конструирования оптических фильтров, узкополосных мо-нохроматоров, оптических диодов и иных структур, требующих наличия узко- либо широкополосных зон прозрачности. В частности, для достижения близких к 100% значений пропускания излучения в заранее заданном спектральном интервале используются слоистые и глобулярные фотонно-кристаллические структуры [16]. При этом одной из основных задач является контролируемое уширение зоны пропускания и запрещенной зоны подобных систем, а также варьирования их спектрального положения. Отметим, что данные исследования обладают существенной значимостью для разработки прозрачных композитов и материалов, устойчивых, например, к тепловому либо ультрафиолетовому излучению. С другой стороны, наиболее простыми в изготовлении являются коллоидные системы с нерегулярным распределением наночастиц. При этом существующие методы теоретического исследования данных структур сводятся, в основном, к использованию классических теорий Максвелла-Гарнетта, Бруггемана и пр. [17], которые характеризуются существенными ограничениями применимости. Точный численный расчет для коллоидных взвесей крайне сложен и занимает огромное количество времени, в связи с чем активно ведется разработка более быстрых методов, обладающих в то же время большей точностью и областью применимости, нежели указанные теории гомогенизации. В настоящей диссертации большое внимание уделено разработке подобного метода, а также его апробации и исследованию области его применимости.
Несмотря на наличие множества методов транспортировки и перемещения наночастиц, методы манипулирования низкоразмерными объектами посто-
янно развиваются. Начиная с пионерской работы Ашкина в 1970 г. [18], для этих целей используются оптические пучки. Радиационное давление перемещает частицу вдоль направления распространения волны, в то время как градиентная оптическая сила удерживает нанообъект в области максимальной интенсивности луча. В настоящее время предложены различные методы, реализующие данный принцип управления движением нано- и микрочастиц и различающиеся пространственной точностью, областью применимости, скоростью и рядом других параметров. Также предложено транспортировать объекты вдоль подложки при помощи плазмонных волн, затухающих полей над поверхностью волноводов, ускорять частицы опто-реактивным методом в эмульсии [19]. Совсем недавно разработана новая концепция перемещения нанообъектов против направления распространения пучка за счет создания пространственных областей отрицательного радиационного давления в бездифракционных лучах (например, пучках Бесселя) [20]. При этом, также как и в оригинальной концепции Ашкина, для транспортировки используется радиационное давление. Несколько работ посвящены применению для этих целей градиентной оптической силы [21], причем основной проблемой является необходимость достижения высоких значений градиента интенсивности поля, что возможно либо при использовании мощных пучков, либо при субволновой фокусировке излучения. Четвертая глава настоящей диссертационной работы посвящена исследованию электромагнитных сил в различных системах и, в частности, разработке нового типа оптического манипулятора, использующего плазмонные концентраторы излучения, фокусирующие свет в области с линейными размерами много меньшими длины волны излучения. При этом достигаются высокие значения интенсивности локального поля (при малой интенсивности падающего пучка), и, соответственно, градиентная оптическая сила доминирует над радиационным давлением, что позволяет расширить область применимости оптических манипуляторов, а также использовать указанные системы для разработки наноразмерных оптомехани-ческих устройств.
Цель диссертационной работы.
Целью настоящей диссертационной работы является создание теоретических моделей для последующего конструирования наноструктурных широкополосных просветляющих и светоулавливающих покрытий и оптомехани-ческих наноманипуляторов на основе систем с плазмонной субволновой фокусировкой излучения. Для достижения указанной цели решались следующие задачи:
Разработка теории, позволяющей исследовать электродинамические свойства систем из наночастиц различной пространственной организации; апробация предложенных методов путем сравнения полученных результатов с теоретическими и экспериментальными исследованиями других авторов, а также изучение возможных предельных переходов к существующим численным либо аналитическим подходам.
Изучение оптических характеристик, в частности - спектров отражения и пропускания, одиночных бесконечно протяженных слоев из нанообъектов, исследование эффективных параметров наночастиц в слое. Определение условия полного просветления подложки монослоем нанообъектов; поиск параметров, при которых наносистема является «четвертьволновым» просветляющим покрытием в конечном спектральном диапазоне.
Разработка аппроксимационной модели наноструктурного просветляющего покрытия, позволяющей рассчитывать параметры слоя, необходимые для просветления заданной среды, без использования длительного численного анализа.
Исследование эффекта «световой ловушки» и коллимации излучения нано- и микроразмерными частицами, расположенными в виде упорядоченного слоя на поверхности тонкопленочного фотовольтаического элемента. Определение параметров слоя, при которых имеет место оптимальный баланс просветляющих и коллимирующих свойств системы наночастиц, и обеспечивается максимальное поглощение излучения в слое полупроводника.
Исследование трехмерных упорядоченных и неупорядоченных нано-композитов в различных диапазонах длин волн; изучение эффективных параметров наночастиц в подобных системах, а также распределений электромагнитного поля внутри них.
Исследование систем с плазмонной субволновой фокусировкой излучения, а также оптических и оптомеханических взаимодействий в них с целью оптимизации последних для управления движением нанообъектов.
Разработка на основе полученных результатов моделей оптического наноманипулятора и оптомеханического модулятора плазмонных волн, использующих градиентную электромагнитную силу; исследование зависимости оптических сил, действующих на наночастицу, от ее положения внутри системы с плазмонной фокусировкой излучения, а также траектории ее движения; расчет зависимости коэффициента пропускания плазмонного волновода от положения наночастицы.
Научная новизна.
Оригинальными и обладающими научной новизной результатами, представленными в данной диссертационной работе, являются:
-
Показано, что монослой упорядоченно расположенных наночастиц может изменять свою эффективную оптическую толщину в зависимости от длины волны падающего излучения и удовлетворять условию интерференционного погашения либо усиления отражения в некотором спектральном интервале, а не на единственной длине волны, как это имеет место в случае гомогенных пленок.
-
Получено и исследовано условие полного просветления слабопрово-дящей, слабопоглощающей среды монослоем нанообъектов, и предложена модель широкополосного однослойного просветляющего покрытия на основе нанополостей в приповерхностном слое просветляемой среды. Также показа-
но, что слой нанополостей является универсальной просветляющей структурой, которая может быть использована для повышения пропускания излучения практически любой непоглощающей, непроводящей средой, при этом подстройка структуры под ту или иную подложку происходит путем варьирования размера полостей и их расположения.
-
Исследована возможность нерезонансной широкополосной коллимации излучения наночастицами структурированного слоя, размещенного на поверхности тонкопленочной солнечной батареи. Определены характеристики наносистемы, при которых достигается наилучший баланс просветляющих и коллимирующих свойств. Показано, что использование данной структуры позволяет существенно повысить поглощение излучения в фотоволь-таическом слое без увеличения пропускания света в подложку.
-
Дано качественное объяснение эффекта ослабления оптических сил при приближении наночастицы к подложке, который ранее обнаруживался в эксперименте и численных расчетах.
-
Исследованы оптические силы, действующие на наночастицу, помещенную в V-образную плазмонную систему с концентрацией излучения. Определены условия, при выполнении которых система удерживает наночастицу либо выталкивает ее.
-
Предложен новый тип наноманипулятора (ускорителя) нанообъектов, использующий градиентную оптическую силу вместо радиационного давления, которое обычно применяется в оптических пинцетах.
-
Разработана модель оптомеханического модулятора интенсивности волны, распространяющейся в плазмоном V-образном волноводе, который обладает временем срабатывания в десятки наносекунд. При этом энергия, необходимая для одного шага модуляции (энергия на бит), мала и составляет величину порядка 10" Дж.
Достоверность полученных результатов обеспечивается использованием комплекса многократно апробированных теоретических методов, проведением предельных переходов разработанных подходов к ранее существовавшим теориям, сравнением полученных результатов с экспериментальными и теоретическими результатами других авторов.
Теоретическая и практическая значимость работы.
В работе получен ряд фундаментальных теоретических результатов, которые отражены в защищаемых положениях и имеют большое значение для развития оптики наноструктур, нанофотоники и плазмоники. Обнаруженные эффекты и предложенные модели являются полностью оригинальными либо представляют собой существенное развитие исследований других авторов. С практической точки зрения, данные результаты могут быть использованы для разработки и создания различных оптических и оптомеханических нанораз-мерных приборов и устройств, в частности, для:
создания универсальных однослойных просветляющих покрытий на основе наноструктур, а также просветляющих покрытий для сред, просветление которых обычными методами затруднено либо невозможно;
создания покрытий, увеличивающих поглощение света в фотовольтаи-ческих элементах, а также наноструктур, повышающих эффективность све-тоизлучающих элементов;
конструирования высокопрозрачных материалов в различных диапазонах длин волн;
конструирования новых типов оптических манипуляторов для нано-объектов, позволяющих произвольное перемещение последних по отношению к направлению падающего поля;
создания различных наноразмерных оптомеханических приборов, например, микро- и нановискозиметров, нанодвигателей, нанороторов и т.д.;
развития методов нанолитографии и создания принтеров с нанораз-мерным разрешением печати;
создания новых типов наноразмерных оптических модуляторов электромагнитных и плазмонных волн, позволяющих регулировать интенсивность последних при помощи контрольного светового пучка; это позволит расширить элементную базу полностью оптических цепей.
Основные положения, выносимые на защиту.
-
Разработан аналитический метод «мнимой границы» для исследования оптических свойств двух- и трехмерных разреженных наноструктурных систем без применения гомогенизации. При этом нанокомпозит представляется в виде плоскости с нефренелевскими коэффициентами отражения и пропускания, что позволяет, определив последние при заданной среде-матрице, рассчитывать оптические характеристики структуры в произвольном окружении.
-
Эффективная оптическая толщина упорядоченного монослоя нанообъ-ектов из недиспергирующего материала обладает частотной дисперсией, что позволяет погасить отражение от среды, покрытой таким монослоем, в конечном диапазоне частот.
-
Упорядоченный слой нанополостей в приповерхностном слое подложки является просветляющей структурой, подходящей для просветления широкого ряда непоглощающих, непроводящих материалов. Подстройка наноструктуры под заданную среду производится изменением размера полостей.
-
Наноструктурное покрытие из упорядоченно расположенных сферических частиц позволяет одновременно снизить отражение от тонкопленочного кремниевого фотовольтаического элемента и трансформировать падающую плоскую волну в набор сколлимированных пучков, что приводит к существенному приросту поглощения излучения в слое полупроводника без увеличения прохождения света в подложку.
-
Оптические силы, действующие на плазмонную наночастицу, расположенную вблизи подложки, могут ослабевать при уменьшении расстояния
от нее до поверхности при частоте внешнего поля выше частоты плазменного резонанса.
-
Плазмонный субволновой концентратор излучения, представляющий собой V-образную канавку в металле, позволяет ускорять и направленно перемещать наночастицы за счет использования градиентной оптической силы. При этом реализуется отталкивание нанообъекта от области максимальной интенсивности локального сфокусированного поля, которая существенно превышает значения интенсивности падающей волны.
-
Модель наноразмерного оптомеханического модулятора интенсивности, представляющая собой V-образный волновод (канавку) в металле, позволяет реализовать 10%-ю модуляцию интенсивности прошедшего оптического сигнала при помощи единственной наночастицы, выступающей в роли затвора и приводимой в движение контрольным лучом. При этом частота модуляции находится в диапазоне 10-50 МГц.
Апробация работы.
Основные результаты работы неоднократно докладывались на заседаниях и семинарах Ульяновского государственного университета, Института радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН (Московского и Ульяновского отделений), Санкт-Петербургского национального исследовательского университета ИТМО, Национального исследовательского ядерного университета МИФИ, Саратовского государственного технического университета, Физического института им. П.Н. Лебедева РАН и Aalto University of Finland. Также результаты обсуждались на 36 всероссийских и международных конференциях: «Опто-, наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы» (Ульяновск, 2005-2013); «Ломоносов-2006» (Москва, 2006); X Международная Молодежная Научная Школа «Когерентная оптика и оптическая спектроскопия» (Казань, 2006); «ВНКСФ-12» (Новосибирск, 2006); Конференция студентов, аспирантов и молодых ученых по физике (Владивосток, 2006); «Актуальные проблемы физической и функциональной электроники» (Ульяновск, 2007, 2008); Всероссийская школа-семинар студентов, аспирантов и молодых учёных по направлению «Наноматериалы» FTANMS (Рязань, 2008-2010); Конкурс молодых ученых им. И.В. Анисимкина (Москва, 2008-2012); VII Международная конференция «Математическое моделирование физических, технических, экономических, социальных систем и процессов» (Ульяновск, 2009); «Nanotechnology international forum» (Москва, 2009, 2010); «Наноэлектроника, нанофотоника и нелинейная физика» (Саратов, 2009,
-
2012); Всероссийская школа молодых ученых «Современные проблемы наноэлектроники, нанотехнологии, микро- и наносистем», приглашенный доклад (Абрау-Дюрсо, 2010); «Days on Diffraction» (Санкт-Петербург, 2011,
-
2013); Всероссийская научная конференция «Необратимые процессы в природе и технике» (Москва, 2011); «Функциональные наноматериалы и высокочистые вещества» (Москва, 2012); Всероссийская школа-семинар студентов, аспирантов и молодых ученых по направлению «Диагностика Нано-
материалов и Наноструктур» (Рязань, 2012); «Физико-химия и технология неорганических материалов» (Москва, 2012); «Metamaterials - 2013» (Bordeaux, 2013).
Апробация работы производилась также в рамках стажировок в Саратовском государственном техническом университете (2009 г.), Национальном исследовательском ядерном университете МИФИ (2009 г.), Санкт-Петербургском национальном исследовательском университете ИТМО (2012, 2013 гг.) и Aalto University of Finland (2013 г.)
По результатам работы получено 7 наград на конференциях-конкурсах для молодых ученых («Ломоносов-2006» (Москва, 2006); Конкурс молодых ученых им. И.В. Анисимкина (Москва, 2008-2010); «Когерентная оптика и оптическая спектроскопия» (Казань, 2006); «Опто-, наноэлектроника, нанотехно-логии и микросистемы» (Ульяновск 2008, 2010)).
Личный вклад автора.
Основные результаты диссертационной работы получены автором самостоятельно. В постановке ряда задач и обсуждении результатов принимали участие научный консультант Никитов С.А., а также коллеги и соавторы. В коллективных работах автору принадлежит основной вклад. Самостоятельность в выполнении работ и значительность личного вклада Шалина А.С. подтверждается тем, что из 37 опубликованных статей в журналах из списка ВАК и иностранных журналах в 17-и соавторы отсутствуют.
Публикации.
Основные результаты работы представлены в 109 научных публикациях, из них: 37 статей в журналах из списка ВАК и иностранных журналах, 10 статей в периодических рецензируемых российских изданиях и 62 труда в материалах конференций и симпозиумов.
Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, 4 приложений, списка литературы и содержит 376 листов текста, включая 79 рисунков и 3 таблицы. Список литературы состоит из 411 наименований.
