Введение к работе
Диссертационная работа посвящена разработке методов формирования и исследованию зонной структуры двумерных и трехмерных фотонно-кристаллических решеток, а также одномерных нанокомпозитных фотонных кристаллов.
Актуальность темы. Впервые идея управления спонтанным излучением атомов, находящихся в среде с трехмерно-периодической модуляцией показателя преломления, была высказана в работе В.П. Быкова в 1972 г. Затем эта возможность была развита в работах Э. Яблоновича (1987 г.) и С. Джона (1987 г.), в которых предложен термин «фотонный кристалл». Под фотонными кристаллами принято называть среды, у которых диэлектрическая проницаемость периодически меняется в пространстве с периодом, допускающим брэгговскую дифракцию света. Фотонные кристаллы могут быть использованы для создания различных устройств прикладной оптики, таких как оптические фильтры, демультиплексоры, волноводы, лазеры и т. д.
Квазикристаллические структуры, обнаруженные в металлических
сплавах в начале восьмидесятых, имеют точечные группы симметрии,
несовместимые с периодичностью. По сравнению с кристаллами они
обладают более высокой вращательной симметрией, например
икосаэдрической, декагональной и т.п. Развитие теории
квазикристаллических решеток стимулировало изучение задачи
взаимодействия фотонов с апериодическими диэлектрическими структурами.
Фотонными квазикристаллами называют оптические структуры, решетка
которых имеет квазикристаллическую симметрию. В 1998 г. показано (Y.S.
Chan, СТ. Chan, Z.Y. Liu), что двумерные фотонные квазикристаллы могут
обладать фотонной запрещенной зоной (ФЗЗ). Квазикристаллы имеют
высокую вращательную симметрию, следовательно, их зонная структура
может быть почти изотропной, а следовательно, такие структуры более
предпочтительны для формирования полных ФЗЗ. Первый двумерный
фотонный квазикристалл, обладающий двухмерной полной ФЗЗ, предложен
в работе (М.Е. Zoorob, M.D.B. Charlton, G.J. Parker, J.J. Baumberg, M.C. Netti,
2000 г.). Фотонные квазикристаллы не имеют трансляционной симметрии,
поэтому надежных методов расчета их оптических свойств пока не
существует, и в любом случае они потребуют значительных вычислительных
ресурсов. Решением данной проблемы может стать исследование
аппроксимантов фотонных квазикристаллов. Аппроксимантами
квазикристаллов принято называть периодические решетки с большой примитивной ячейкой, которые имеют локальную квазикристаллическую симметрию. Таким образом, актуальными являются задачи исследования свойств аппроксимантов двумерных и трехмерных фотонных квазикристаллов.
Формирование трехмерных фотонных кристаллов представляет собой сложную технологическую задачу, из-за микронных или субмикронных размеров трехмерной структуры, а также ограниченности выбора материала.
На сегодняшний день известно множество способов решения данной задачи, каждый из которых обладает существенными недостатками. Один из способов - многократное повторение хорошо отработанных методов традиционной литографии (Дифракционная компьютерная оптика, под ред. Сойфера В.А., Физматлит, 2007 г.). Другим методом является использование двухфотонной стереолитографии (S. Магао, О. Nakamura, S. Kawata, 1997 г.). Наиболее перспективным в настоящее время является метод интерференционной литографии, состоящий в экспонировании фоторезиста трехмерной интерференционной картиной (М. Campbell, D.N Sharp, М.Т. Harrison, R.G. Denning, A.J. Turberfield, 2000 г.). Данный метод отличает высокая скорость изготовления и низкая стоимость. Полимерные матрицы фотонных кристаллов не могут иметь полные ФЗЗ, в силу недостаточного значения показателя преломления полимера. Для того чтобы обойти данную проблему, в ряде работ предложено наносить нанослой металла на полимерную матрицу, полученную двухфотонной стереолитографией. В работе (A. Tal, Y.-S. Chen, Н.Е. Williams, R.C. Rumpf, S.M. Kuebler, 2007 r.) был нанесен слой меди (толщина 50 нм) на полимерную матрицу фотонного кристалла, полученного двухфотонной стереолитографией. В исследовании (V. Mizeikis, S. Juodkazis, R. Tarozaite, J. Juodkazyte, K. Juodkazis, H. Misawa, 2007 г.) методом электроосаждения на полимерную матрицу, полученную двухфотонной стереолитографией, нанесли слой никеля. Однако двухфотонная стереолитография обладает низкой производительностью, вследствие чего актуальной является задача комбинации метода интерференционной литографии и нанесения слоя металла на поверхность полимерной матрицы.
Цель работы. Разработка методов формирования и исследование зонной структуры двумерных и трехмерных фотонно-кристаллических решеток, а также одномерных нанокомпозитных фотонных кристаллов.
Задачи диссертации:
1) Расчет методом разложения по плоским волнам и анализ зонной
структуры двумерных аппроксимантов квазикристаллов, полученных
методом интерференционной литографии.
Расчет методом разложения по плоским волнам и анализ зонной структуры трехмерных фотонных аппроксимантов квазикристалла.
Расчет методом конечных разностей и анализ коэффициентов пропускания для одномерного фотонного кристалла, состоящего из нанокомпозита, металлические наночастицы в котором распределены случайным образом в диэлектрической матрице.
Разработка и исследование способов формирования трехмерных металлодиэлектрических фотонных кристаллов на основе метода интерференционной литографии.
Научная новизна работы: 1) Исследована зависимость размера и порога запрещенной зоны двумерных аппроксимантов квазикристаллов, полученных методом интерференционной литографии, от порядка вращательной симметрии.
Показано, что фотонные аппроксиманты квазикристалла с шестимерной объемно-центрированной кубической решеткой различных порядков имеют большие, почти изотропные запрещенные зоны для широкого диапазона диэлектрической постоянной. Исследовано влияние координации узлов решетки на размер и порог фотонной запрещенной зоны.
Показано возникновение эффекта расщепления единой зоны у одномерного фотонного кристалла, состоящего из нанокомпозита, металлические наночастицы в котором распределены случайным образом, на поляритонную и структурную фотонную запрещенную зоны.
Разработан и исследован способ формирования трехмерных металлодиэлектрических фотонных кристаллов, основанный на применении метода интерференционной литографии слабопоглощаемым излучением с последующим нанесением нанослоя золота методом магнетронного напыления.
Сделан вывод о наличии фотонной запрещенной зоны с центром на длине волны, соответствующей периоду решетки, у металлодиэлектрического фотонного кристалла, полученного методом интерференционной литографии с последующим напылением слоя золота.
Экспериментально исследованы трехмерные металлодиэлектрические фотонно-кристаллические структуры, полученные методом химического осаждения золотых наночастиц на поверхность полимерной матрицы, изготовленной методом интерференционной литографии.
На защиту выносятся:
Результаты расчета зонной структуры двумерных аппроксимантов квазикристаллов, полученных методом интерференционной литографии, на основе которых проведен анализ зависимости размера и порога запрещенной зоны от порядка вращательной симметрии.
Результаты расчета зонной структуры трехмерных фотонных аппроксимантов квазикристалла, на основе которых исследовано влияние координации узлов решетки на размер и порог фотонной запрещенной зоны.
Результаты расчета коэффициентов пропускания для одномерного фотонного кристалла, состоящего из нанокомпозита, металлические наночастицы в котором распределены случайным образом, на основе которых сделан вывод о наличии эффекта расщепления единой фотонной зоны на поляритонную и структурную фотонную запрещенную зону.
Способ формирования трёхмерных металлодиэлектрических фотонных кристаллов на основе изготовления полимерных структур методом интерференционной литографии с последующим нанесением слоя золота методом магнетронного напыления.
Результаты спектрометрического исследования созданных образцов трехмерных металлодиэлектрических фотонных кристаллов, на основе которых сделан вывод о существовании фотонной запрещенной зоны с центром на длине волны, соответствующей периоду решетки (2,6-2,8 мкм).
Результаты экспериментального исследования трехмерных металлодиэлектрических фотонно-кристаллических структур, полученных
методом химического осаждения золотых наночастиц на поверхность полимерной матрицы.
Практическая ценность работы. Полученные в ходе выполнения диссертационной работы результаты представляют несомненную практическую значимость, поскольку позволяют синтезировать фотонные кристаллы с контролируемыми параметрами фотонного энергетического спектра, проводить исследование их оптических свойств, а также открывают пути к созданию новых фотонно-кристаллических устройств, таких как оптические фильтры, демультиплексоры и т.д.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были изложены в докладах, представленных на 5-ой международной конференции молодых ученых и специалистов «Оптика-2007» (Санкт-Петербург, октябрь 2007), на международной конференции Photonics Europe 2008 (Франция, г. Страсбург, апрель 2008), на третьем российском семинаре по волоконным лазерам, (г. Уфа, март - апрель 2009), на международной научно-технической конференции Металлдеформ-2009 (г. Самара, июнь 2009), на международной конференции Photonics Europe 2010 (Бельгия, г. Брюссель, апрель 2010), на международной конференции с элементами научной школы для молодежи «Перспективные информационные технологии для авиации и космоса» 2010 (г. Самара, октябрь 2010), на VIII Всероссийском молодежном Самарском конкурсе-конференции научных работ по оптике и лазерной физике (г. Самара, ноябрь 2010) и обсуждались на научных семинарах кафедры наноинженерии СГАУ и семинарах ИСОИ РАН.
Личный вклад. Результаты, изложенные в диссертации, получены лично соискателем или при его непосредственном участии. Результаты работ [3,4] получены во время обучения Дьяченко П.Н. на физическом факультете в магистратуре Южно-Уральского государственного университета под руководством к.ф.-м.н, доцента Микляева Ю. В.
Публикации. По результатам диссертационной работы опубликовано 12 печатных работ, из них 7 статей - в журналах рекомендуемых ВАК, 5 тезисов докладов конференций.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка цитируемой литературы (109 наименований), изложенных на 100 страницах, содержит 58 рисунков и 2 таблицы.
