Брэгговское отражение высококонтрастных фотонных кристаллов на основе композитов опал-полупроводник (GaP, GaN, GaPN)

Гаджиев, Гаджи Магомедрасулович

Брэгговское отражение высококонтрастных фотонных кристаллов на основе композитов опал-полупроводник (GaP, GaN, GaPN) тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

Гаджиев, Гаджи Магомедрасулович АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Санкт-Петербург МЕСТО ЗАЩИТЫ

2007 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.10 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Брэгговское отражение высококонтрастных фотонных кристаллов на основе композитов опал-полупроводник (GaP, GaN, GaPN)»

Автореферат диссертации на тему "Брэгговское отражение высококонтрастных фотонных кристаллов на основе композитов опал-полупроводник (GaP, GaN, GaPN)"

российская академия наук

ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ им. А. Ф. ИОФФЕ

На правах рукописи

ГАДЖИЕВ Гаджи Магомедрасулович '

БРЭГГОВСКОЕ ОТРАЖЕНИЕ ВЫСОКОКОНТРАСТНЫХ ФОТОННЫХ КРИСТАЛЛОВ НА ОСНОВЕ КОМПОЗИТОВ ОПАЛ-ПОЛУПРОВОДНИК

(ваР, ваИ, ваРЫ)

(специальность 01.04.10 - физика полупроводников)

ООЗ1Б1 ги 1

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Санкт-Петербург 2007

003161701

Работа выполнена в Физико-техническом институте им. А. Ф. Иоффе РАН

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук, В. В. Травников

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, А. В. Ильинский

доктор физико-математических наук, С. Ю. Вербин

Ведущая организация:

Балтийский государственный технический университет «ВОЕНМЕХ» имени Д.Ф. Устинова.

Защита состоится 08 ноября 2007 г. в И00 часов на заседании диссертационного совета К 002.205.02 при Физико-техническом институте им. А. Ф. Иоффе РАН по адресу: 194021, Санкт-Петербург, Политехническая ул., д. 26.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Физико-технического института им. А. Ф. Иоффе РАН.

Автореферат разослан 08 октября 2007 г.

Ученый секретарь диссертационного совета К 002.205.02

кандидат физико-математических наук ) Г. С. Куликов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. После опубликования экспериментальной работы Е. Яблоновнча в 1987 году [1] и теоретической С. Джона [2] появился новый класс оптических материалов под названием фотонные кристаллы. Фотонные кристаллы (ФК) представляют собой объемные пространственно-периодические структуры, диэлектрическая

проницаемость которых модулируется с периодом, сравнимым с длиной волны света. Взаимодействие фотонов с такими структурами приводит к существенной модификации пространственного распределения и энергетического спектра электромагнитного поля. В частности, возникают фотонные запрещенные зоны (ФЗЗ) - энергетические области, в пределах которых распространение света невозможно в определенных (неполная ФЗЗ) или во всех (полная ФЗЗ) направлениях внутри ФК. Предметом особого интереса являются ФК, обладающие трехмерной (ЗО) трансляционной симметрией, поскольку именно в таких кристаллах возможна реализация полной ФЗЗ [3]. Наличие запрещенных зон для фотонов создает предпосылки для управления вероятностью спонтанного излучения источника, помещенного внутрь ФК. Именно это уникальное свойство ФК определяет перспективы практического применения ФК в качестве элементов светодиодов и лазеров с низкопороговой накачкой.

Одним из наиболее часто используемых материалов для создания 30 ФК являются синтетические опалы, представляющие собой трехмерную решетку плотноупакованных шаров аморфного кремнезема. Пространство между шарами образует подрешетку взаимопроникающих пор. Возможность внедрения в эти поры различных материалов создает предпосылки для создания композитных материалов, на основе которых могут быть созданы различные ЗЭ ФК. Весьма перспективными являются ФК на основе композитов опал-полупроводник [4]. Такие композиты совмещают в себе уникальные свойства ЗЭ периодической структуры опала с характерными оптическими и электрическими свойствами полупроводника. Использование полупроводников с разными значениями ширины запрещенной зоны и изменение степени заполнения пор материалом полупроводника позволяют целенаправленно менять свойства фотонных кристаллов.

В представляемой работе исследуются спектры брэгговского отражения опалов, в поры которых вводились соединения ваР, СаЫ и твердые растворы на их основе. Такие композиты являются весьма перспективными кандидатами для создания трехмерных ФК в видимом оптическом диапазоне, поскольку указанные полупроводники прозрачны в видимой области спектра и характеризуются большими значениями диэлектрической проницаемости. Кроме того, эти материалы интересны с

точки зрения их люминесцентных свойств, которые широко используются в современной полупроводниковой оптоэлектронике [5].

Внедрение в поры полупроводников с высоким показателем преломления приводит к увеличению модуляции диэлектрической проницаемости, особенно для инвертированных опалов, которые также исследуются в представляемой работе. Увеличение модуляции диэлектрической проницаемости должно оказывать существенное влияние на форму спектров брэгговского отражения. Вместе с тем, к моменту начала исследования было мало работ посвященных исследованию и анализу формы спектров брэгговского отражения в опалоподобных структурах. В частности, не уделялось достаточного внимания влиянию эффекта многоволновой брэгговской дифракции (МБД), возникающей при одновременном выполнении условия дифракции для лучей, отраженных от разных кристаллографических плоскостей и оказывающей определяющее влияние на форму спектров брэгговского отражения при больших углах падения света на ФК. Вместе с тем, такие исследования весьма актуальны, поскольку могут быть источником информации о структурных и диэлектрических параметрах опалоподобных композитов.

Цель работы. Основной целью настоящей работы являлось детальное экспериментальное исследование спектров брэгговского отражения высококонтрастных композитов опал-полупроводник и использование анализа формы и особенностей наблюдаемых спектров для количественной оценки структурных и диэлектрических параметров опалоподобных фотонных кристаллов. Целью работы являлось также исследование воздействия ФЗЗ на спектры люминесценции созданных композитов.

Научная новизна работы. Впервые в рамках представляемой диссертации продемонстрирована возможность создания трехмерных высококонтрастных фотонных кристаллов на основе композитов опал-полупроводник с использованием перспективных полупроводников СаЫ, СаР и твердого раствора СаРМ. Для композита опал-ОаРН обнаружено подавление спонтанного излучения за счет влияния фотонной запрещенной зоны этого ФК.

Впервые с использованием модели, основанной на приближении планарной слоисто-периодической среды и учитывающей эффекты спекания опаловых сфер 8Ю2 и их одноосную деформацию, выполнен количественный анализ формы наблюдаемых спектров композитов опал-полупроводник. Для оценки деформации ГЦК решетки опалов предложено использовать структурные инварианты, устанавливающие связь между параметрами решетки ФК и положениями особенностей в спектрах многоволновой брэгговской дифракции.

Обнаружены ранее не наблюдавшиеся различия воздействия МБД для 8- и р-поляризованных спектров.

Впервые выполнено исследование воздействия температурного отжига на параметры синтетических опалов.

Научная и практическая значимость работы. В работе продемонстрирована возможность создания трехмерных ФК путем внедрения в поры опалов полупроводников группы А3В5. При этом удалось обнаружить влияние ФЗЗ на спектры люминесценции полупроводника синтезированного в порах опала. Это создает предпосылки для возможного использования таких ФК для изготовления приборов, основанных на возможностях управления световыми потоками (брэгговские выключатели, оптические фильтры, низкопороговые лазеры и т.д.). Созданные высококонтрастные ФК могут быть и модельными объектами для фундаментальных исследований особенностей взаимодействия поля с веществом. При исследовании созданных композитов удалось обнаружить новые особенности взаимодействия дифрагированных волн. Предлагаемая в работе методика определения параметров опалоподобных структур может быть использована для отработки технологии изготовления различных опалоподобных ФК. Обнаруженная зависимость параметров опалов от отжига показывает принципиальную возможность использования отжига для целенаправленного изменения параметров опалоподобных ФК.

Достоверность и научная обоснованность полученных результатов обеспечивается комплексным характером проводимых исследований на базе современного экспериментального оборудования, последовательным использованием хорошо проверенных экспериментальных методик и теоретических методов анализа, тщательным тестированием разработанных программ расчета и подтверждается согласованностью количественных расчетов с полученными экспериментальными данными, а также хорошей воспроизводимостью результатов при многократных повторах экспериментов.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на следующих российских и международных конференциях: международной конференции "Аморфные и микрокристаллические полупроводники" (Санкт-Петербург, Россия, 2002); International symposium "Nanostructures: Physics and Technology" (Санкт-Петербург, Россия, 2001, 2003); Международной конференции «Фазовые переходы и критические явления в конденсированных средах» (Махачкала, 2002, 2004гг.); XI Международной научно-технической конференции (Москва, МГТУ им. П.Э.Баумана, 2005г.), а также на семинарах Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе РАН.

Публикации. Основные результаты работы опубликованы в 12 работах. Список публикаций приведен в конце автореферата.

Выносимые на защиту основные положения:

1. Наблюдаемая в широком диапазоне углов падающего света дублетная структура спектров брэгговского отражения исследованных композитов опал-полупроводник возникает в результате взаимодействия основной волны, дифрагированной на плоскостях (111) параллельных поверхности образца, с дифрагированной волной, в формирование которой дают вклад процессы двойной дифракции на наклонных к поверхности плоскостях (111) и (200).

2. Геометрические и оптические параметры опалоподобных структур могут быть определены с помощью предложенной методики анализа спектров брэгговского отражения. При этом структурные параметры, ответственные за деформацию ГЦК решетки опалоподобных композитов, оцениваются в результате анализа особенностей, обусловленных многоволновой брэгговской дифракцией.

3. Температурный отжиг приводит к взаимопроникновению друг в друга структурных элементов опалов. Максимальная температура отжига более чем в десять раз увеличивает степень спекания сфероидов. Как следствие уменьшается расстояние между ними, увеличиваются коэффициент заполнения структуры сфероидами и эффективная диэлектрическая проницаемость опала в целом. Спекание происходит не только между сфероидами, но и внутри самих сфероидов между наночастицами а-БЮг, из которых они состоят. Это спекание увеличивает диэлектрическую проницаемость сфероидов.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа изложена на 130 страницах, содержит 70 рисунка(ов), 3 таблицы и 111 библиографических ссылок. Работа состоит из введения, шести глав, выводов и списка цитируемой литературы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулирована цель работы, приводятся основные положения, выносимые на защиту, дается краткая аннотация по главам.

Первая глава диссертации носит обзорный характер и включает в себя анализ литературы в области создания и исследования 3D ФК. Обсуждаются структурные особенности 3D ФК, проявление ФЗЗ в оптических свойствах ФК (спектры отражения и пропускания), способы характеризации ФК. Приводится краткая характеристика работ, посвященных исследованию оптических свойств синтетических опалов и композитов на их основе. Обсуждаются результаты немногочисленных работ, в которых обнаружено проявление МБД света в ФК. В конце главы формулирована постановка задачи на основе анализа литературных данных.

Во второй главе приводится описание технологии изготовления композитов опал-ваР, СаМ, ОаРМ. Указываются основные характеристики приборов, использованных для исследования структуры образцов, и подробно описывается установка, на которой регистрировались оптические спектры отражения и излучения фотонно-кристаллических композитов.

В третьей главе приведены результаты исследования структурных и оптических свойств композитов опал-полупроводник. Представлены данные электронно-микроскопического анализа синтетического опала, композита опал-СаР и инвертированного опал-Са1Ч. Обсуждаются результаты рентгено-структурного анализа композитов опал-Са1Ч, СаР, ОаРхЫ].х. Показано, что вещество, синтезированное в порах композитов опал-СаР и опала-СаИ является кристаллическим, а в порах композита опал- ОаРхМ|_х вещество синтезируется в аморфном состоянии. Анна-лизируются спектры рама-новского рассеяния полученных композитов. Сделан вывод о том, что полупроводники СаЫ и СаР в порах опала формируются в виде нанокристаллитов.

Приводится общая характеристика исследованных спектров брэгговского отражения (БО) исходных опалов и композитов опал-полупроводник, измеренных при нормальном падении света на образец. Эти спектры представлены на рис.1. Обсуждается корреляция полуширины наблюдаемых максимумов БО с величиной диэлектрического контраста созданных композитов. Рис.1 наглядно демонстрирует, что максимумы БО созданных образцов практически перекрывают всю видимую область оптического спектра. Это обстоятельство имеет важное значение для возможного практического применения исследованных в данной работе опалоподобных ФК.

В четвертой главе излагаются результаты исследования угловых зависимостей спектров БО и люминесценции композитов опал-СаРК На рис. 2 представлены спектры люминесценции композита опал-СаРЫ при

Рис.1. Спектры отражения я-поляризованного

света исходного опала и композитов опал-

полупроводник, измеренные при угле падения 0=10".

разных углах выхода излучения относительно нормали к поверхности. Стрелками на рисунке указано положение максимумов отражения для соответствующих углов отражения света, также отсчитываемых от нормали к поверхности. Из рис.2 видно, что смещение обнаруженного в спектрах люминесценции провала с изменением угла выхода излучения из образца коррелирует со смещением максимумов в спектрах БО. Поскольку максимумы в спектрах БО являются проявлением ФЗЗ, возникновение провала в спектрах люминесценции является следствием воздействия ФЗЗ на спектры спонтанного излучения.

В случае опалов, заполненных полупроводниками, вклад в ФЛ может давать как электронно-дырочная излу-чательная рекомбинация в самих полупроводниках, так и излучение опаловой матрицы. Форма, полуширина и положение полосы ФЛ в композите опал-СаРЫ заметно отличается от полос ФЛ, связанных с опаловой матрицей. Это указывает на то, что эта полоса обусловлена фотолюминесценцией рентгеноаморфного вещества, синтезированного в порах опала. На основании анализа и сопоставления энергетического положения полосы ФЛ с известными из литературы данными делается вывод о том, что основной вклад в наблюдаемую люминесценцию в исследованном образце дает излучательная рекомбинация неравновесных носителей в аморфной фазе полупроводника ОаР1Ч.

Таким образом, выполненные в работе исследования продемонстрировали возможность синтеза в порах опала полупроводников Са1\1, СаР и СаРМ, излучательная рекомбинация которых может управляться фотонно-кристаллическими свойствами опаловой матрицы. Это создает предпосылки практического применения таких ФК.

Ша'^ек^йц шп

Рис.2. Спектры фотолюминесценции композита опал-ваРК при разных углах выхода излучения относительно нормали к поверхности образца. Стрелками указаны положения соответствующих максимумов БО.

Пятая глава посвящена результатам исследования проявления многоволновой брэгговской дифракции (МБД) в спектрах отражения света высококонтрастных композитов опал-полупроводник. В работе детально исследована зависимость спектров БО от угла падающего на образцы поляризованного света. В качестве примера на рис.3 представлены спектры композита опал-СаЫ, измеренные при разных углах падения в, отсчитыва-

450 500 550 600 650 700 \Vavclcngth, пш

500 550 600 \Vavelength, пт

0 10 20 30 40 50 60 70 Ап^е (с^)

Рис. 3. Спектры отражения композита опал-СаГ1), измеренные при разных углах падающего на образец 5-поляризованного (а) и р-поляризованного (Ь) света. Справа (с) представлены зависимости положения наблюдаемых максимумов спектров отражения от угла падения света на образец.

емых от нормали к поверхности. Спектры, соответствующие б-поляризации, представлены на рис.З(а), а р-поляризации на - рис.З(Ь). Угловые зависимости положения максимумов БО представлены на рис.З(с) (кружки для Б-поляризации и треугольники для р-поляризации). В области малых углов, в соответствии с законом Брэгга, увеличение угла падения приводит к коротковолновому сдвигу максимумов БО. При этом положения максимумов БО для обеих поляризаций практически совпадают друг с другом. С ростом угла падения характер поведения спектров БО для двух поляризаций начинает отличаться. В области углов 0-30" в я-поляризованных спектрах отражения появляются дополнительные, более коротковолновые максимумы (рис.З(а)). Интенсивность этих максимумов постепенно нарастает, и в диапазоне в-35° -?-500 спектры приобретают ярко выраженный дублетный характер. При углах падения вблизи в,-52° длинноволновый максимум исчезает, и в спектре остается лишь коротковолновый максимум, сдвигающийся в сторону больших энергий при дальнейшем увеличении углов падения. Таким образом, возникающая при относительно малых углах падения дублетная форма спектров БО резко пропадает в области углов (),. В р-поляризации ситуация обратная. В области углов падения, для которых в в-поляризации дублетная структура исчезает, в р-поляризации она наоборот появляется - то есть, в в-поляризации дублетная структура проявляется в области углов меньших (),,

а в р-поляризации - в области углов больших 0*. Следует отметить, что при больших углах падения (> ~60°) в s-поляризованных спектрах БО вновь появляется длинноволновый максимум. Относительная интенсивность этого максимума мала, он расположен на сплошном фоне рассеянного света, а его полуширина заметно превышает полуширину максимумов отражения, соответствующих малым углам падения. Предполагается, что этот максимум связан с вкладом в регистрируемый в направлении зеркального отражения сигнал волн, дифрагированных в других направлениях и упруго рассеянных на дефектах ФК.

Представленные на рис.З(с) зависимости спектрального положения максимумов БО от угла падения света позволяют выделить две ветви, которые отделены друг от друга областями "антипересечения" (avoiding crossing area [6]). При этом протяженность области антипересечения для р-поляризации (-50 meV) более чем в два раза меньше протяженности этой области для s-поляризованного света (-120 meV). Характер угловых зависимостей для инвертированного опала-GuN полностью идентичен характеру зависимостей, представленных на рис.З(с). Единственное отличие заключается в большей протяженности областей антипересечения для инвертированного onana-GaN (-90 meV и -260 meV). Для кристаллов GaP характер угловых зависимостей поведения наблюдаемых максимумов БО во всем диапазоне углов анналогичен поведению, представленному на рис.3, для области углов меньших 0*.

При изменении азимутального положения исследуемых образцов обнаружено изменение формы и соотношения интенсивностей компонент в дублетных спектрах БО. Азимутальное положение характеризуется величиной азимутального угла ф, который при фиксированном угле падения света на образец изменяется за счет вращении образца вокруг нормали к его поверхности. На рис.4 представлена зависимость от угла ф величины В, измеренной при угле падения 0 = 35° для s-поляризованных спектров инвертированного опала-GaN. Величина В измерялась как отношение интенсивности коротковолнового максимума к интенсивности длинноволнового

0,8

0,7

5 а

о X н О

4 0,6 «

§.0,5

1 0,4 S

0,3

60 120 180 240 Азимутальный угол

300 360

Рис.4. Зависимость отношения В от азимутального угла для спектров БО фотонного кристалла ваМ, измеренных при фиксированном угле (0 = 35°) падающего на образец в-поляризованиого света.

максимума. Рис.4 показывает, что величина отношения В изменяется периодическим образом с периодом равным 60°. Следует отметить, что спектры, приведенные на рис. 1-3, измерялись при азимутальных углах, соответствующих максимальному проявлению дублетных структур (максимальное значение величины В в области антипересечения).

Для качественного объяснения полученных результатов используются схемы, представленные на рис.5. Эти схемы соответствуют сечению первой зоны Бриллюэна для Г ЦК структуры, проходящему через высокоснмметричные точки Г, L, U, К. Поскольку поверхность образца совпадает с ростовой плоскостью (111), зона Бриллюэна на схеме ориентирована так, чтобы плоскость, содержащая точки U,Lg,K,W, была параллельна поверхности образца. Волновой вектор кт соответствует волновому вектору падающей на образец электромагнитной волны внутри кристалла. Вектор к,, является волновым вектором основной волны, дифрагированной на ростовых плоскостях (111). Переход от схемы, представленной на рис.5а, к схеме рис.5(Ь) соответствует азимутальному повороту кристалла на 60°. При малых углах падения, когда конец волнового вектора к„, смещается от точки -L в направлении точек -U (а) или -К(Ь), возникает основная брэгговская волна, соответствующая дифракции на плоскостях (111). Когда вектор Ау„ попадает в точку -U (-К), создается ситуация, при которой условие брэгговской дифракции выполняется не только для волн, отраженных от плоскостей (111), но одновременно, и для волн, отраженных от плоскостей (200) для азимутальной ориентации представленной на рис. 5(a), а в случае ориентации, представленной на рис.5(Ь), одновременно и для волн, отраженных от наклонных к поверхности образца плоскостей (111). То есть, возникает ситуация, соответствующая МБД.

Волны, дифрагированные на плоскостях (111) и (200), распространяются в направлении волновых векторов kr'. Эти направления существенно отличаются от направления зеркального отражения -направления, в котором осуществляется регистрация спектров БО. В этой связи появление дополнительных максимумов в спектрах БО вряд ли можно рассматривать как проявление волн, дифрагированных на

плоскостях (200) или (111) [6]. Вместе с тем, в направлении зеркального отражения могут распространяться волны, испытавшие двойную дифракцию. Волна, дифрагированная на плоскостях (200), может повторно

дифрагировать на наклонных плоскостях (111) (рис.5(a)), а волна, дифрагированная на плоскостях (111), может повторно дифрагировать на плоскостях (200) (рис.5(6)). Как показывает рис.5 волновой вектор kr" таких дважды дифрагированных волн совпадает с волновым вектором kr' основного луча, дифрагированного на ростовых плоскостях (111). Такое

совпадение, по-видимому, должно приводить к максимальной степени взаимодействия волн и появлению дополнительных максимумов БО в направлении зеркального отражения.

Основное отличие процесса двойной дифракции для двух геометрий, представленных на рис.5(а) и рис.5(Ь), связано с последовательностью процессов отражения. Представление двойной дифракции в виде последовательности одиночных процессов используется, в основном, в целях наглядной иллюстрации [7]. На самом деле процесс двойной дифракции является единым динамическим процессом, в котором одновре-

&) 1?)

Рис. 5. Схема геометрии многоволновой Брэгговской дифракции.

менно участвуют обе рассматриваемые системы кристаллографических плоскостей. В результате получается, что обе ориентации, представленные на рис.5 для процессов двойной дифракции, являются фактически эквивалентными. Если это так, то становится понятным факт максимального проявления дублетной структуры при изменении азимутального угла с периодом 60° (рис.4). Этот период соответствует переходу от геометрии, представленной на рис.5(а), к геометрии, соответствующей рис.5(Ь). В этих геометриях волновой вектор основной волны, лежащий в плоскости падения компланарен с волновыми векторами обратной решетки, а, соответственно, и с волновыми векторами волн, дифрагированных на плоскостях (200) и (111). При промежуточных азимутальных углах компланарность нарушается, что уменьшает силу взаимодействия между дифрагированными волнами и, как следствие, приводит к уменьшению интенсивности дополнительных максимумов (рис.4).

Обнаруженные отличия проявления МВД для е- и р- поляризаций объясняются с одной стороны зависимостью амплитуды р-поляризованной волны от угла рассеяния, а с другой стороны разницей в изменении

соотношения фаз взаимодействующих волн при прохождении области антипересечения.

Глава 6 посвящена характеризации ФК на основе композитов опал-полупроводник по спектрам брэгговского отражения.

С целью получения предварительной информации о геометрических и диэлектрических параметрах исходных опаловых матриц, были измерены спектры БО света от исходных, незаполненных опалов и от опалов, поры которых заполнялись водой или глицерином (жидкостями с хорошо известными значениями диэлектрических постоянных). Такое заполнение существенно снижает диэлектрический контраст пространственно-периодической среды, в результате пики брэгговского отражения становятся значительно более узкими по сравнению с пиками отражения от исходного опала. Это обстоятельство позволяет, с одной стороны, с хорошей точностью находить спектральные положения центров ФЗЗ, а с другой стороны, обоснованно пользоваться при анализе экспериментальных данных законом Брэгга для дифракции электромагнитных волн. С помощью этого закона из анализа зависимостей положения наблюдаемых максимумов от угла падения света определены основные параметры исходных опалов: ¿/щ - период кристаллической решетки вдоль направления [111]; /о - фактор заполнения структуры материалом шаров; еи - диэлектрическая проницаемость материала шаров.

При анализе формы наблюдаемых спектров БО за основу была принята модель кристалла в виде ГЦК решетки, в узлах которой размещены шары из диэлектрического материала. В модели учитывались эффекты, связанные со спеканием (взаимопроникновением) структурных элементов -шаров (сфер SiOi) - и их возможной одноосной деформацией вдоль направления [111] роста структуры, превращающей шары в эллипсоиды. Количественный расчет спектральных контуров БО проводился в рамках приближения слоисто-периодической среды с усреднением диэлектрической проницаемости в направлениях, параллельных поверхности. Расчеты проводились при варьировании значений основных параметров теории: с/(ю - расстояние между центрами сфер Si02, т\ -коэффициент сжатия сфер, % - коэффициент спекания сфер, fm -коэффициент заполнения пор опала веществом, е" - мнимая часть диэлектрической проницаемости, учитывающая потери света. На рис.6 пунктиром представлены теоретические спектры для малых (6=10°) углов падения s-поляризованного света. В процессе подгонки удается получить единственный оптимальный набор численных значений приведенных параметров, поскольку при анализе экспериментальных кривых приходится согласовывать в рамках единой модели довольно широкий круг

400 500 600 700 \л/ауе1епдШ,пт

800

количественных и качественных характеристик спектров. Полученные значения параметров исследованных образцов представлены в таблице 1.

Использованное планарное приближение фактически соответствует модели одномерного ФК. В рамках такого приближения невозможно определить значения параметров а00 и Т] по отдельности. Находится лишь пространственный период с}П|= а0077V273 , в который входит произведение атЦ. Учет трехмерности структуры ФК и её связи с возможной деформацией сфер вЮг выполнен с использованием длины волны X* и угла падения света 0», которые соответствуют геометрии выполнения условий многоволновой брэгговской дифракции света (рис.5). Как показано в [8] величины А,« и ()• однозначным образом связаны с величинами а(т и ц через соотношение, являющееся структурным инвариантом для опалоподобного ФК:

X* = 4доол/з 8т9*/(4 - г|~2) (1).

Представленные в таблице 1 значения параметров а00 и г/ получены с использованием соотношения (1) и экспериментально измеренных величин X* и 9*. Таким образом, исследование многоволновой брэгговской дифракции дает уникальную возможность для характеризации реальной трехмерной структуры фотонных кристаллов.

Полученные значения г| указывают на довольно заметное анизотропное сжатие шаров а-8Ю2. Учет такого сжатия имеет принципиальное значение, поскольку сжатие приводит к изменению симметрии ГЦК решетки опалоподобных ФК, а это, в принципе, может заметным образом изменить установленные к настоящему моменту особенности зонной структуры таких ФК.

Рис.6. Спектры брэгговского отражения э-поляризованного света от композитов опал-полупроводник, полученные при угле падения 0 = 10°. Пунктиром представлены теоретически рассчитанные спектры БО света для данного угла.

Коэффициенты спекания % для опалов, заполненных полупроводниками, превышают соответствующие величины для исходных опалов. Как видно из таблицы 1, для композита опал- СаЫ получилось максимальное значение коэффициента спекания Поскольку температура синтеза для этого композита также была максимальной, сделан вывод о влиянии температурного воздействия на величину коэффициента %. Для ко-

Таблица 1. Экспериментальные и рассчитанные параметры исследованных фотонных

кристаллов

Sample Experimental parameters Theoretical (Fitting) parameters

X., mn O-, deg aoo, nm X 4 í„ с

Bare opal 443 45 257 0.02 0.93 1 0.048

Opal-GaN 530 47 277. 0.05 0.90 0.67 0.092

Inverted opal-GaN 413 38 271. 0.05 0.91 0.7 0.090

Opal-GaP --- — 271 0.03 0.92 0.87 0.24

-личественной оценки влияния температуры отжига как на коэффициенты спекания, так и на другие параметры опалов, было проведено специальное исследование воздействия температурного отжига на спектры БО синтетических опалов. Исследовались спектры исходных образцов и образцов, подверженных температурному отжигу.

Количественная оценка параметров выполнена с помощью анализа угловых зависимостей положения максимумов брэгговского отражения незаполненных образцов и образцов, заполненных глицерином. Обнаружено, что максимальная температура отжига (1050°С) приводит к десятикратному увеличению степени спекания сфероидов. Как следствие, уменьшается (более чем на 10%) расстояние между ними, увеличивается (от 0.75 до 0.96) коэффициент заполнения структуры сфероидами, а также увеличивается эффективная диэлектрическая проницаемость опала в целом (от 1.74 до 2.08). Обнаружено также, что спекание происходит не только между сфероидами, но и внутри самих сфероидов между наночастицами ос-8Ю?, из которых они состоят. Это спекание заметно (на ~7%) увеличивает диэлектрическую проницаемость сфероидов.

Основные результаты и выводы.

1. Продемонстрирована возможность создания высококонтрастных трехмерных фотонных кристаллов на основе композитов опал-полупроводник с использованием перспективных полупроводников GaN, GaP и твердого раствора GaPN.

2. В спектрах люминесценции композитов опал-GaPN обнаружено уменьшение интенсивности электронно-дырочной рекомбинации за счет влияния фотонной запрещенной зоны, что указывает на принципиальную возможность использования структур опал-GaPN для управления характеристиками спонтанного излучения.

3. Выполнено детальное исследование спектров брэгговского отражения (БО) света от фотонных кристаллов, изготовленных на основе синтетических опалов: композитов опал-полупроводник (поры опала заполнены полупроводниками GaN и GaP) и GaN- инвертированных структур (опаловая матрица удалена из композита onan-GaN). Продемонстрированы новые возможности использования спектроскопии БО для характеризации опалоподобных структур. Развит метод количественного анализа формы спектров, основанный на приближении планарной слоисто-периодической среды, учитывающий эффекты спекания опаловых сфер S1O2 и их одноосную деформацию. Для дополнительной характеризации исследованных образцов использованы структурные инварианты, устанавливающие связь между параметрами решетки ФК и положениями особенностей в спектрах многоволновой брэгговской дифракции.

4. В широком диапазоне углов падения как для s-, так и для р-поляризованного света, в спектрах брэгговского отражения высоконтрастного композита onan-GaN и соответствующего ему инвертированного опала обнаружена дублетная структура. В угловой зависимости положения максимумов компоненты дублета образуют области антипересечения, энергетическая протяженность которых для s-поляризации более чем в два раза превышает протяженность аналогичных областей для р-поляризации. Анализ полученных угловых зависимостей, а также анализ зависимости наблюдаемых спектров от азимутального положения образцов, позволил объяснить появление дублетной структуры как результат взаимодействия основной волны, дифрагированной на плоскостях (111) параллельных поверхности, с дифрагированной волной, соответствующей двойному отражению от наклонных к поверхности ■плоскостей (111) и (200).

друг в друга структурных элементов опалов. Максимальная температура отжига более чем в десять раз увеличивает степень спекания сфероидов. Как следствие, уменьшается расстояние между ними, увеличивается коэффициент заполнения структуры сфероидами и эффективная диэлектрическая проницаемость опала в целом. Спекание происходит не только между сфероидами, но и внутри самих сфероидов между наночастицами a-Si02, из которых они состоят. Это спекание увеличивает диэлектрическую проницаемость сфероидов.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. G. Gajiev, V. G. Golubev, D. A. Kurdyukov, А. В. Pevtsov, А. V. Selkin, and V. V. Travnikov. "Three-Dimensional GaN Photonic Crystals". Phys. Stat. Sol., (b) 231, R7 (2002).

2. Г.М. Гаджиев, В.Г. Голубев, М.В. Заморянская, Д.А. Курдюков, А.В. Медведев, J. Merz, A. Mintairov, А.Б. Певцов, А.В. Селькин, В.В. Травников, Н.В. Шаренкова. "Фотонные кристаллы на основе композитов огал-GaP и опал-GaPN: получение и оптические свойства". ФТП, 37, 1449 (2003).

3. Г.М. Гаджиев, В.Г. Голубев, Д.А. Курдюков, А.Б. Певцов, А.В. Селькин, В.В. Травников, "Характеризация фотонных кристаллов на основе композитов опал-полупроводник по спектрам брэгговского отражения света". ФТП, 39, 1423 (2005).

4. G. Gajiev, V. G. Golubev, D. A. Kurdyukov, А. В. Pevtsov, А. V. Selkin, and V. V. Travnikov. "Bragg reflection spectroscopy of opal-like photonic crystals". Phys. Rev. В., 72, 205115 (2005).

5. G.M. Gajiev, D.A. Kurdyukov and V.V. Travnikov. "Effect of annealing on parameters of synthetic opal." Nanotechnology, 17, 5349 (2006).

6. G.Gadjiev, V.G.Golubev, D.A.Kurdyukov, A.B.Pevtsov, V.V.Travnikov. "Three-dimensional GaN photonic crystals for visible spectral range". Abstracts 10th Int.Symp. "Nanostructures: Physics and Technology", St. Petersburg, June, 2002, p. 134.

7. Г.М. Гаджиев, А.Б. Батдалов, В.Г. Голубев, Д.А. Курдюков, В.В. Травников, А.Б. Певцов. "Фотонные кристаллы на основе композитов опал-GaN(P): получение и фотонно-кристаллические свойства". Сб. трудов международной конференции. "Фазовые переходы, критические явления в конденсированных средах". Махачкала, 11-14 сентября 2002, стр.175.

8. G.M.Gajiev,V.G.Golubev, D.A.Kurdyukov, A.V.Medvedev, A.B.Pevtsov, A.V.Sel'kin, V.V.Travnikov, J.Merz, A.Mintairov. "Opal-GaP(N) based photonic crystals: fabrication and optical properties". MRS Fall Meeting, Boston, USA, 2002, p.361.

9. Г.М. Гаджиев, В.Г. Голубев, В.Ю. Давыдов, Д.А. Курдюков, А.В. Медведев, А.Б. Певцов, В.В. Травников. "Фотонные кристаллы на основе

нанокомпозитов onan-GaP(N): получение, структурные и фотонно-кристаллические свойства". Сборник трудов III Международной конференции, "Аморфные и микрокристаллические полупроводники". С.Петербург, 2002, стр.9.

10. Г.М. Гаджиев, В.Г. Голубев, М.В. Заморянская, Д.А. Курдюков, А.В. Медведев, J. Merz, Ф. Минтаиров, А.Б. Певцов, А.В. Селькин, В.В. Травников, Н.В. Шаренкова. "Влияние фотонной запрещенной зоны на фотолюминесценцию и отражение композитов опал-GaP и опал-GaPN". VI Всероссийская конференция по физике полупроводников. С.-Петербург, 26-31 октябрь, 2003, стр. 451.

11. Gajiev G.M., Golubev V.G., Kurdyukov D.A., Medvedev A.V., Pevtsov A.B., Sel'kin A.V., Travnikov V.V. "Bragg reflection spectra of opal-based semiconductor photonic crystals: experiment and numerical simulation". 12th International Symposium "NANOSTRUCTURES: Physics and Technology" St. Petersburg, 21-25 June, 2004, p. 107.

12. Г.М. Гаджиев, В.Г. Голубев, Д.А. Курдюков, А.В. Медведев, А.Б. Певцов, А.С. Селькин, В.В. Травников. "Спектроскопия брэгговского отражения света фотонных кристаллов на основе композитов опал-полупроводник". Материалы XI Международной научно-технической конференции, Москва, МГТУ им. П.Э.Баумана, 2005, 8-10 сентября, Стр.81.

Цитированная литература.

1. Е. Yablonovitch. Phys. Rev. Lett., 58, 2059 (1987).

2. S. John. Phys. Rev. Lett., 58, 2486 (1987).

3. E.Yablonovich, T.J.Gmitter. Phys.Rev.Lett., 63, 1950 (1989).

4. V.N.Astratov, V.N.Bogomolov, A.A.Kaplyanskii, A.V.Prokofiev, L.A.Samoilovich, S.M.Samoilovich, Yu.A.Vlasov. Nuovo Gimento 17D, 1349(1995).

5. S. Nakamura and G. Fasol. The blue Laser Diode: GaN based Light Emitters and Lasers (Berlin, Springer, 1997).

6. H.M. Van Driel, W.L. Vos. Phys. Rev. В 62, 9872 (2000).

7. D.A. Kottwitz. Phys. Rev., 175,1056 (1968).

8. A.V. Sel'kin. Proc. of 12th Int. Symp. "Nanostructures: Physics and Technology", St. Petersburg, Russia, June 21-25,2004, 111-112 (2004).

Лицензия ЛР №020593 от 07.08.97

Подписано в печать 04.10.2007. Формат 60x84/16. Печать цифровая. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100. Заказ 205 8Ь.

Отпечатано с готового оригинал-макета, предоставленного автором, в Цифровом типографском центре Издательства Политехнического университета. 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29. Тел.: 550-40-14 Тел./факс: 297-57-76

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата физико-математических наук, Гаджиев, Гаджи Магомедрасулович

Введение.

Глава 1 Обзор литературы.

1.1. Формирование фотонной запрещенной зоны.

1.2. Типы фотонных кристаллов.

1.3. Общая характеристика синтетических опалов.

1.4. Исследование синтетических опалов.

1.5 Исследование композитных материалов и инвертированных структурных на основе опалов.

1.6. Многоволновая брэгговская дифракция.

1.6.1. Многоволновая дифракция рентгеновских волн в обычных кристаллах.

1.6.2. Геометрия многоволновой дифракции.

1.6.3. Многоволновая дифракция света в фотонных кристаллах.

1.7. Постановка задачи.

Глава 2. Образцы и методика экспериментов.

2.1. Особенности синтеза композитов опал-полупроводник.

2.2. Методика исследования структурных свойств композитов опал-полупроводник

2.3. Методика исследования оптических свойств.

Глава 3. Общая характеристика структурных и оптических свойств исследованных композитов опал-полупроводник.

3.1. Электронно-микроскопические исследования.

3.2. Результаты рентгеноструктурного анализа.

3.3. Спектры рамановского рассеяния полученных композитов.

3.4. Общая характеристика спектров брэгговского отражения исходных опалов и композитов опал-полупроводник.

Глава 4. Подавление люминесценции в композитах опал-GaPN.

Глава 5. Проявление многоволновой брэгговской дифракции в спектрах отражения света высококонтрастных композитов опал-полупроводник.

5.1. Зависимость спектров брэгговского отражения от поляризации и угла падения света.

5.2. Влияние азимутального положения образца на спектры брэгговского отражения.

5.3. Обсуждение основных особенностей проявления многоволновой дифракции в спектрах брэгговского отражения исследованных композитов.

Введение диссертация по физике, на тему "Брэгговское отражение высококонтрастных фотонных кристаллов на основе композитов опал-полупроводник (GaP, GaN, GaPN)"

После опубликования экспериментальной работы Е. Яблоновича в 1987 году [1] и теоретической С. Джона [2] появился новый класс оптических материалов под названием фотонные кристаллы. Фотонные кристаллы (ФК) представляют собой объемные пространственно-периодические структуры, диэлектрическая проницаемость которых модулируется с периодом, сравнимым с длиной волны света. Взаимодействие фотонов с такими структурами приводит к существенной модификации пространственного распределения и энергетического спектра электромагнитного (ЭМ) поля. В частности, возникают фотонные запрещенные зоны (ФЗЗ) - энергетические области, в пределах которых распространение света невозможно в определенных (неполная ФЗЗ) или во всех (полная ФЗЗ) направлениях внутри ФК. Предметом особого интереса являются ФК, обладающие трехмерной (ЗЭ) трансляционной симметрией, поскольку именно в таких кристаллах возможна реализация полной ФЗЗ [3-5]. Наличие запрещенных зон для фотонов создает предпосылки для управления вероятностью спонтанного излучения источника, помещенного внутрь ФК. Именно это уникальное свойство ФК определяет перспективы практического применения ФК в качестве элементов светодиодов и лазеров с низкопороговой накачкой.

Одним из наиболее часто используемых материалов для создания трехмерных ФК являются синтетические опалы, представляющие собой трехмерную решетку плотноупаковаппых шаров аморфного кремнезема. Пространство между шарами образует подрешетку взаимопроникающих пор. Возможность внедрения в эти поры различных материалов создает предпосылки для создания композитных материалов, на основе которых могут быть созданы различные трехмерные ФК. Весьма перспективными являются ФК на основе композитов опал-полупроводник [6-8]. Такие композиты совмещают в себе уникальные свойства ЗЭ периодической структуры опала с характерными оптическими и электрическими свойствами полупроводника. Использование полупроводников с разными значениями ширины запрещенной зоны и изменение степени заполнения пор материалом полупроводника позволяют целенаправленно менять фундаментальные свойства ФК.

В представляемой работе исследуются спектры брэгговского отражения опалов, в поры которых вводились соединения ваР, ваК и твердые растворы на их основе. Такие композиты являются весьма перспективными кандидатами для создания трехмерных ФК для видимого оптического диапазона, поскольку указанные полупроводники прозрачны в видимой области спектра и характеризуются большими значениями диэлектрической проницаемости. Кроме того, эти материалы интересны с точки зрения их люминесцентных свойств, которые широко используются в современной полупроводниковой оптоэлектронике [9,10].

Внедрение в поры между шарами полупроводников с высоким показателем преломления приводит к увеличению модуляции диэлектрической проницаемости, особенно для инвертированных опалов, которые также исследуются в представляемой работе. Увеличение модуляции диэлектрической проницаемости должно оказывать существенное влияние на форму спектров брэгговского отражения. Вместе с тем к моменту начала исследования было мало работ посвященных исследованию и анализу формы спектров брэгговского отражения в опалоподобных структурах. В частности, не уделялось достаточного внимания и влиянию эффекта многоволновой брэгговской дифракции (МБД), возникающей при одновременном выполнении условия дифракции для лучей, отраженных от разных кристаллографических плоскостей и оказывающей определяющее влияние на форму спектров брэгговского отражения при больших углах падения света на ФК. Вместе с тем такие исследования весьма актуальны, поскольку могут быть источником информации о структурных и диэлектрических параметрах опалоподобных композитов.

Цель работы.

Основной целью настоящей работы является детальное экспериментальное исследование спектров брэгговского отражения высококонтрастных композитов опал-полупроводник и использование анализа формы и особенностей наблюдаемых спектров для количественной оценки структурных и диэлектрических параметров опалоподобных фотонных кристаллов. Одной из целей работы является также и исследование эффекта подавления спонтанного излучения в спектрах излучения созданных образцов.

Публикации. Основные результаты работы опубликованы в 12 работах (5 статей в научных журналах и 7 публикаций в материалах конференций). Список публикаций приведен в конце введения.

Выносимые па защиту основные положения.

1. Наблюдаемая в широком диапазоне углов падающего света дублетная структура спектров брэгговского отражения исследованных композитов опал-полупроводник возникает в результате взаимодействия основной волны, дифрагированной на плоскостях (111) параллельных поверхности образца, с дифрагированной волной, в формирование которой дают вклад процессы двойного отражения от плоскостей (111) и (200) - плоскостей, которые наклонены к поверхности.

3. Температурный отжиг приводит к взаимопроникновению друг в друга структурных элементов опалов. Максимальная температура отжига более чем в десять раз увеличивает степень спекания сфероидов. Как следствие уменьшается расстояние между ними, увеличиваются коэффициент заполнения структуры сфероидами и эффективная диэлектрическая проницаемость опала в целом. Спекание происходит не только между сфероидами, по и внутри самих сфероидов между наночастицами a-SiC^, из которых они состоят. Это спекание увеличивает диэлектрическую проницаемость сфероидов.

Структура и объем диссертации.

Диссертационная работа изложена на 130 страницах, иллюстрирована 70 рисунками и 3 таблицами. Работа состоит из введения, шести глав, выводов и списка цитируемой литературы, содержащего 111 ссылок.

Заключение диссертации по теме "Физика полупроводников"

Основные результаты и выводы:

2. В спектрах люминесценции композитов onan-GaPN обнаружено уменьшение интенсивности электронно-дырочной рекомбинации за счет влияния фотонной запрещенной зоны, что указывает на принципиальную возможность использования структур onan-GaPN для управления характеристиками спонтанного излучения.

3. Выполнено детальное исследование спектров брэгговского отражения (БО) света от фотонных кристаллов, изготовленных на основе синтетических опалов: композитов опал-полупроводник (поры опала заполнены полупроводниками GaN и GaP) и GaN-инвертированных структур (опаловая матрица удалена из композита опэл-GaN). Продемонстрированы новые возможности использования спектроскопии БО для характеризации опалоподобных структур. Развит метод количественного анализа формы спектров, основанный на приближении планарной слоисто-периодической среды, учитывающий эффекты спекания опаловых сфер S1O2 и их одноосную деформацию. Для дополнительной характеризации исследованных образцов использованы структурные инварианты, устанавливающие связь между параметрами решетки ФК и положениями особенностей в спектрах многоволповой брэгговской дифракции.

5. Исследовано влияние температурного отжига на спектры БО синтетических опалов. На основании анализа измеренных спектров определена зависимость параметров опалов от температуры отжига. Установлено, что температурный отжиг приводит к взаимопроникновению друг в друга структурных элементов опалов. Максимальная температура отжига более чем в десять раз увеличивает степень спекания сфероидов. Как следствие, уменьшается расстояние между ними, увеличивается коэффициент заполнения структуры сфероидами и эффективная диэлектрическая проницаемость опала в целом. Спекание происходит не только между сфероидами, но и внутри самих сфероидов между наночастицами а-БЮг, из которых они состоят. Это спекание увеличивает диэлектрическую проницаемость сфероидов.

Автор выражает благодарность своему научному руководителю В.В. Травникову за общее руководство работой и многогранную помощь в выполненных исследованиях, заведующим лабораторией Р.ГТ. Сейсяну и В.Г. Голубеву за поддержку и внимание к проводимым исследованиям, A.B. Селькину за помощь в теоретической части исследований, А.Б. Певцову за плодотворные дискуссии и помощь в эксперименте. Автор признателен также В. Ю Давыдову за помощь в измерении рамановских спектров, В.М. Бусову за электронно-микроскопическую характеризацию образцов и Д.А. Курдюкову за приготовление образцов.

Автор признателен всем сотрудникам лаборатории физики аморфных полупроводников и физической функциональной микроэлектроники за благожелательное отношение и помощь в работе.

Заключение.

Представленные в данной главе результаты показывают возможности использования спектров брэгговского отражения света для количественной характеризации фотонных кристаллов, изготовленных на основе синтетических опалов. В качестве объектов исследования использовались фотонно-кристаллические композиты опэл-GaN и опал-GaP, а также GaN- инвертированные структуры (опаловая матрица удалена из композита опал-GaN). Предварительная характеризация опаловых матриц осуществлялась с использованием уравнения Брэгга по угловым зависимостям спектров отражения света чистых опалов и опалов, поры которых заполнялись иммерсионными жидкостями (вода, глицерин).

Для анализа формы спектров БО использовалась модель опалоподобного ФК, учитывающая эффекты спекания и одноосной деформации его структурных элементов (опаловых Si02 сфер), а также дисперсию оптических констант полупроводниковых материалов, входящих в композиты и инвертированные структуры. В рамках этой модели, в приближении планарной слоисто-периодической среды, выполнен расчет спектров БО света. В результате подгонки расчетных спектров к спектрам соответствующих композитов установлены численные значения геометрических и оптических параметров исследованных фотонно-кристаллических структур, в том числе параметров, характеризующих эффекты спекания и деформации кристаллической решетки ФК. На основании детального изучения спектров и их зависимостей от углов падения света показано, что исследованные ФК структуры деформированы (сжаты) вдоль направления [111] оси роста (оси седиментации) и характеризуются заметным спеканием структурных элементов. Пренебрежение при анализе спектров такого рода эффектами может приводить

Список источников диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Гаджиев, Гаджи Магомедрасулович, Санкт-Петербург

1. Е. Yablonovitch. Inhibited Spontaneous Emission in Solid-State Physics and Electronics. Phys. Rev. Lett., 58,2059 (1987).

2. S. John. Strong Localization of Photons in Certain Disordered Dielectric Superlattices. Phys. Rev. Lett., 58,2486 (1987).

3. E.Yablonovich, T.J.Gmitter, Photonic band gap: the face-centered-cubic-case, Phys.Rev.Lett. 63(8), 1950 (1989).

4. K.M.Ho, C.T.Chan, C.M.Soukoulis, Existence of a Photonic Gap in periodic dielectric structures, Phys.Rev.Lett. 65,3152 (1990).

5. E.Yablonovich, T.J.Gmitter, K.MLeung. Photonic band gap structure: the face-centered-cubic-case employing nonspherical atoms. Phys.Rev.Lett. 67,2295 (1991).

6. D.J.Norris, Yu.A.Vlasov. Chemical Approaches to three-dimensional semiconductor photonic crystals, Adv.Mater 13,371 (2001)

7. C.Lopez, Adv.Mater. Materials Aspects of Photonic Crystals. 15,1679 (2003).

8. S. Nakamura and G. Fasol. The blue Laser Diode: GaN based Light Emitters and Lasers (Berlin, Springer, 1997).

9. C.W. Tu. III-N-V low-bandgap nitrides and their device applications. J. Phys. Condens. Matter, 13,7169 (2001).

10. R.W. James, The Optical Principles of the Diffraction of X-rays (G. Bell @ Sons, London 1954).

11. H. Ашкрофт, H. Мермин. Физика твердого тела. "Мир". Москва. 1979.

12. Ч. Киттель. Введение в физику твердого тела. "Наука". Москва. 1978.

13. Кособукин В.А. Фотонные кристаллы. Обзорная лекция. ФТИ им. А.Ф. Иоффе 2000г.

14. B.C. Горелик, Л.И. Злобина, П.П. Свербиль, А.Б. Фадюшин, А.В. Червяков Комбинированное рассеяние света в трехмерных фотонных кристаллах. Препринт. ФИАН им. П.Н. Лебедева. Москва 2005г.

15. J.D. Joannopoulos, P.R. Villeneuve, S. Fan. Photonic crystals: putting a new twist on light. Nature 386, 143(1997).

16. S John. In: NATO ASI Series. Confined Electrons and Photons. New Physics and Applications. Eds. E. Burstein, C. Weisbuch. Plenum Press, N.Y. p.535 (1995).

17. T.Quang, M. Woldeyohannes, S. John, and G.S. Agarvval. Coherent Control of Spontaneous Emission near a Photonic Band Edge: A Single-Atom Optical Memory Device. Phys. Rev. Lett. 79,5238 (1997).

18. S. Fan, P.R. Villeneuve, J.D. Joannopoulos, and E.F. Shubert. High Extraction Efficiency of Spontaneous Emission from Slabs of Photonic Crystals, Phys. Rev. Lett. 78 3294 (1992).

19. E. Yablonovitch. Photonic band-gap structures. JOSA B 10,283 (1993).

20. E. Yablonovitch, T.J. Gmitter, R.D. Meade, A.M. Rappe, K.D. Brommer, J.A. Joannopoulos. Donor and Acceptor Modes in Photonic Band Structures. Phys. Rev. Lett. 67,3380(1991).

21. J.D. Joannopoulos, R.D. Meade, J.N. Winn, Photonic Crystals: Molding the Flow of Light, Princeton University Press, Princeton, NJ, 1995.

22. T. Krauss, R. De Le Rue, and S. Two-dimensional photonic-band-gap structures operating at near-infrared wavelength ban, Nature 383,699 (1996).

23. J.R. Wendt, G.A. Vawter, P.L. Gourley, T.M. Brennan, and B.E. Hammons. J. Vac. Sci. and Tech. B 11,2637(1993).

24. U. Gruning, V. Lehmann, S. Ottow, and K. Busch. Macroporous silicon with a complete two-dimensional photonic band gap centered at 5 //m, Appl. Phys. Lett. 68, 747 (1996).

25. H.B. Lin, R.J. Tonucci, and A.J. Campillo. Observation of two-dimensional photonic band behavior in the visible, Appl. Phys, Lett. 68,2927 (1996).

26. A. Rosenberg, R.J. Tonucci, and A. Bolden. Photonic band-structure effects in the visible and near ultraviolet observed in solid-state dielectric arrays, Appl. Phys. Lett. 69,2638. (1996).

27. K. Inoue, M. Wada, K. Sakoda, M. Hayashi, T. Fukushima, and A. Yamanaka. Near-infrared photonic band gap of two-dimensional triangular air-rod lattices as revealed by transmittance measurement. Phys. Rev. B, 53, 1010 (1996).

28. H.S. S OzHer, J.W. Haus and R. Inguva, Photonic bands: Convergence problems with the plane-wave method. Phys. Rev. B 45 13962 (1992).

29. T. Suzuki and P.K. Yu, J. Opt. Soc. Am. B 12, 804 (1995).

30. R. Biswas, M. Sigalas, G. Subramania and Ho K M, Photonic band gaps in colloidal systems. Phys. Rev. B 57 3701 (1998).

31. A. Moroz and Ch. Sommers. Photonic band gaps of three-dimensional face-centred cubic lattices. J. Condens. Matter 11,997 (1999).

32. К. Bush, S. John. Photonic band gap formation in certain self-organizing systems. Phys. Rev. E 58,3896 (1998).

33. G.J. Wijnhoven, W.L. Vos. Preparation of photonic crystals made of air spheres in titania. Science 281,802(1998).

34. A. Blanco, et al. Large-scale synthesis of a silicon photonic crystal with a complete three-dimensional band gap near 1.5 micrometres. Nature 405,437 (2000).

35. N.D. Deniskina, D.V. Kalinin, and L.V. Kazantseva. Precious Opals, Their Synthesis and Natural Genesis. Novosibirsk, Nauka, P.353 (1988).

36. L.V. Woodcock. Entropy difference between the face-centered cubic and hexagonal clouse-packed crystal structures. Nature 385,141 (1997).

37. A.D. Bruee, N.B. Wilding, G, J. Ackland. Free Energy of Crystalline Solids: A LatticeSwitch Monte Carlo Method. Phys. Rev. Lett. 79,3002 (1997).

38. S.C. Mau, D.A. Huse. Stacking entropy of hard-sphere crystals. Phys. Rev. E 59, 4396 (1999).

39. B.H. Богомолов, JI.C. Парфеньева, A.B. Прокофьев, И.А. Смирнов, C.M. Самойлович, А. Жезовский, Ж. Муха, Г. Миссиорек. Влияние периодической кластерной сверхрешетки на теплопроводность аморфного кремнезема (опала). ФТТ37, 3411 (1995).

40. Таблицы физических величин. Справочник под ред. И.К. Кикоина. Москва, Атомиздат, 1976. Х.Кухлинг, Справочник по Физике, Москва, Мир 1982, с.519; H.Kuchling, Physik, 15 Auflage, VEB Fachbuchverlag Leipzig 1980, P.520.

41. V.N. Astratov, et. al. Photonic band gaps in 3D ordered fee silica matrices. Phys. Letters 222F, 349(1996).

42. Yu. Vlasov, et al. Existence of a photonic pseudogap for visible light in synthetic opals Phys.Rev.B55, R 13357 (1997).

43. В.Н.Богомолов и др. Эффект фотонной запрещенной зоны в оптическом диапазоне на твердотельных SiC>2 кластерных решетках опалах. Письма в ЖЭТФ,63,496 (1996).

44. В.Н. Богомолов, А.В. Прокофьев, А.И. Шелых. Оптико-структурный анализ фотонных кристаллов на основе опалов ФТТ 40, 648 (1998).

45. L.M. Sorokin, V.N. Bogomolov, J.L. Hutchison, D.A. Kurdyukov, A.V. Chernyaev, T.N. Zaslavskaya. NanoStructured Materials, Acta Mettalurgica Inc. 12,1081 (1999).

46. Yu.A. Vlasov, X.Z. Bo, J.C.Sturn, D.J. Norris. On-chip natural assembly of silicon photonic bandgap crystals. Nature 414,289 (2001).

47. Yu.A. Vlasov, M.A. Kaliteevski, V.V. Nikolaev. Different regimes of localization in a disordered photonic crystal. Phys. Rev. B60,1515 (1999).

48. Yu.A. Vlasov, V.N. Astratov, A.V. Baryshev, A.A. Kaplyanskii, O.Z. Karimov, M.F. Limonov. Manifestation of intrinsic defects in optical properties of self-organized opal photonic crystals. Phys. Rev. E 61,5784 (2000).

49. A.B. Барышев, A.B. Анкудинов, A.A. Каплянский, В.А. Кособукин, М.Ф. Лимонов, К.Б. Самусев, Д.Е. Усвят. Оптическая характеризация синтетических опалов. ФТТ, 44, 1573(2002)

50. А.В. Барышев, А.А. Каплянский, В.А. Кособукин, М.Ф. Лимонов, К.Б. Самусев, Д.Е. Усвят. Брэгговская дифракция света в искусственных опалах. ФТТ, 45, 434 (2003).

51. А.В. Барышев, А.А. Каплянский, В.А. Кособукин, М.Ф. Лимонов, К.Б. А.П. Скворцов. Спектроскопия запрещенной фотонной зоны в синтетических опалах. ФТТ, 46, 1291 (2004).

52. N. Garcia and A.Z. Genack, Anomalous photon diffusion at the threshold of the Anderson localization transition Phys. Rev. Lett. 66, 1850 (1991).

53. D.S. Wiersma, P. Bartolini, A. Lagenijk, R. Righini. Localization of light in a disordered medium. Nature (London) 390,671 (1997).

54. J.M. Frigerio, J. Rivory, P. Sheng, Opt. Commun. 98,231 (1993).

55. A.R. McGurn, K.T. Christensen, F.M. Mueller, A.A. Maradudin, Anderson localization in one-dimensional randomly disordered optical systems that are periodic on average Phys. Rev. В 47, 13120(1993).

56. V.D. Freilikher, B.A. Liansky, I.V. Yurkevich, A.A. Maradudin, A.R. McGurn, Enhanced transmission due to disorder. Phys. Rev. E 51,6301 (1995).

57. A. Reynolds, L. Lopez-Tejeira, D. Cassane, F. J. Garcia-Vidal, J. Sanches-Dehesa. Spectral properties of opal-based photonic crystals having a Si02 matrix. Phys. Rev. В 60, 11422,(1999).

58. H. Miguez, A. Blanco, F. Meseguer, C. Lopez, H.M. et. al. Control of the photonic crystal properties of fee packed submicrometer Si02 spheres by sintering. Adv. Mater. 10, 480, (1999).

59. В.Н. Богомолов и др. Фосфоресценция ароматических соединений в порах матрицы Na-B-стекла и их взаимодействие со стенками пор. ФТТ 37,2979 (1995).

60. Yu.A. Vlasov, К. Luterova, I. Pelant, В. Honerlage. Enhancement of optical gain of semiconductors embedded in three-dimensional photonic crystals. Appl. Phys. Lett. 71, 1616(1997).

61. S.G. Romanov, N.P. Johnson, A.V. Fokin, V.Y. Butco, C.M. Sotomayor Torres. Enhancement of the photonic gap of opal-based three-dimensional gratings Appl. Phys. Lett. 70,2091 (1997).

62. Yu. Vlasov, M. Deutsch, D.J. Norris. Single-domain spectroscopy of self-assembled photonic crystals. Appl. Phys. Lett. 76,1627 (2000).

63. H. Miguez, A. Blanco, F. Meseguer, C. Lopez, H.M. Yates, M.E. Pemble, V.Fornes, A. Mifsud. Bragg diffraction from indium phosphide infilled fee silica colloidal crystals. Phys. Rev. B. 59,1999.

64. В.Г. Голубев, В.А. Кособукин, Д.А. Курдюков, А.В. Медведев, А.Б. Певцов. Фотонные кристаллы с перестраиваемой запрещенной зоной на основе заполненных и инвертированных композитов опал-кремний. ФТП 35, 710 (2001).

65. В.Г. Голубев, В.А. Кособукин, Д.А. Курдюков, А.В. Медведев, А.Б. Певцов, JI.M. Сорокин, Дж. Хатчисон. Структурные и фотонные свойства нанокомпозитов опал-GaN. ФТП 35, 1376(2001).

66. А.А. Zakhidov, R.H. Baughman, Z. Iqbal, С. Cui, I. Khairulin, S.O. Dantas, J. Marti, and V.G. Ralchenko. Carbon Structures with Three-Dimensional Periodicity at Optical Wavelengths. Science 282, 897 (1998).

67. T.-B. Xu, Z.-Y. Cheng, Q.M. Zang, R.H. Baugman, C. Cui, A.A. Zakhidov, J. Su. Fabrication and characterization of three-dimensional periodic ferroelectric polymer-silica opal composites and inverse opals. J. Appl. Phys. 88,405 (2000).

68. B.T. Holand, C.F. Blanford, A. Stein. Synthesis of macroporous minerals with highly ordered three-dimensional arrays of spheroidal voids. Science 281, 538 (1998).

69. Yu.A. Vlasov, N. Yao, and D.J. Norris, Synthesis of Photonic Crystals for Optical Wavelengths from Semiconductor Quantum Dots. Adv. Mater. 11, 165 (1999).

70. P.V. Braun, P. Wiltzius. Microporous materials: Electrochemically grown photonic crystals. Nature 402,603 (1999).

71. В.Г. Голубев, Д.А. Курдюков, А.Б. Певцов, А.В. Селькин, А.В. Ильинский, Р. Боейинк. Гистерезис фотонной запрещенной зоны в фотонном кристалле VO2 при фазовом переходе полупроводник-металл. ФТП 36,1122 (2002).

72. J. Martorell, N.M. Lawandy, Observation of inhibited spontaneous emission in a periodic dielectric structure. Phys. Rev. Lett. 65,1877 (1990).

73. T. Yamasaki, T. Tutsui, Spontaneous emission from fluorescent molecules embedded in photonic crystals consisting of polystyrene microspheres. Appl. Phys. Lett. 72, 1957 (1998).

74. K. Yoshino, S.B. Lee, S. Tatsuhara, Y. Kawagishi, M. Osaki, A.A. Zakhidov. Observation of inhibited spontaneus emission and stimulated emission of rhodamine 6G in polymer replica of synthetic opal. Appl. Phys. Lett. 73,3506 (1998).

75. A. Femius Koenderink, L. Bechger, H.P. Shriemer, Ad Lagendijk, W. Voss. Broadband Fivefold Reduction of Vacuum Fluctuations Probed by Dyes in Photonic Crystals. Phys. Rev. Lett. 88, 14393 (2002).

76. S.V.Gaponenko, A.M.Kapitonov, V.N.Bogomolov, A.V.Prokofiev, A.Eychmuller, A.L.Rogach. Electrons and photons in mesoscopic structures: quantum dots in a photonic crystal. JETF Letters, 68,142(1998).

77. A.Blanco, C.Lopez, R.Mayoral, H.Miguez, F.Meseguer, A.Mifsud, J.Herrero. CdS photoluminescence inhibition by a photonic structure. Appl. Phys.Letters 73, 1781(1998).

78. G. Subramania, R. Bisvas, K. Constant, M.M. Sigalas, K.M. Ho. Structural characterization of thin film photonic crystals. Phys. Rev. В 63,235111, (2001).

79. Shih-Lin Chan. Multiple Diffraction of X-rays in Crystals. Springer-Verlag, Berlin Heidelbrg New York. 1984.

80. E. Wagner, Phys. Zs„ 21,94 (1923).

81. O. Berg, Wiss. Veroff. 5, 89 (1926).

82. G. Mayer, Z. Kristallogr., 66,585 (1928).

83. M. Renninger, Z. Kristallogr., 106,141 (1937).

84. Pabst, Am. Mineral., 24,566 (1939).

85. G. Bormann, W. Hartwig. Z. Krystallogr. 121,401 (1965).

86. H.M. Van Driel, W.L. Vos. Multiple Bragg wave coupling in photonic band gap crystals. Phys. Rev. B62, 9872 (2000).

87. S.G. Romanov, Т. Мака, C.M. Sotomayor Torres. Diffraction of light from thin-film polymethylmethacrylate opaline photonic crystals. Phys. Rev E63, 56603 (2001).

88. Madelung O., 1996 Semiconductors, Basic date 2nd edh (Berlin: Springer).

89. П. Ю. M. Кардона. Основы физики полупроводников. Физматлит. Москва. 2002.

90. W.G. Bi, C.W. Tu. N incorporation in GaP and band gap bowing of GaNxPi.x. Appl. Phys. Lett., 69,3710 (1996).

91. M.S.Thijssen, R.Sprik, J.E.G.Wijnhoven, M.Megens, T.Narayanan, A.Lagendijk, W.Vos, Inhibited light propogation and broadband reflection in photonic Air-sphere crystals, Phys.Rev.Lett. 83,2730 (1999).

92. D.E.Aspnes and A.A.Studna. Dielectric functions and optical parameters of Si, Ge, GaP, GaAs, GaSb, InP, InAs, and InSb from 1.5 to 6.0 eV Phys.Rev.B 27,985 (1983).

93. S.G. Romanov, R.M. De La Rue, H. M. Yates, M.E. Pemble. Impact of GaP layer deposition upon photonic bandgap behaviour of opal. J. Phys.: Condens. Matter, 12, 339 (2000).

94. R.C. Schroden, M. Al-Daous, A. Stein. Self-Modification of Spontaneous Emission by Inverse Opal Silica Photonic Crystals. Chem. Mater., 13,2945 (2001).

95. S.G. Romanov, A.V. Fokin, R.M. De La Rue. Anisotropic photoluminescence in incomplete three-dimensional photonic band-gap environments. Appl. Phys. Lett., 74, 1821 (1999).

96. M.A. Stevens Kalceff. Cathodoluminescence microcharacterization of the defect structure of irradiated hydrated and anhydrous fused silicon dioxide. Phys. Rev. В 57,5674 (1998).

97. А.А. Андреев. Собственная и активированная примесями Zn, Се, Tb, Er, Sm, и Eu фотолюминесценция аморфных пленок нитрида галлия. ФТТ, 45,395 (2003).

98. S. Miyoshi, К. Onabe. Band Structure of GaPi.xNx (x=0.25, 0.5 and 0.75) Ordered Alloys: Semiempirical Tight-Binding Calculation. Jpn. J. Appl. Phys., 37, Part 1,4680 (1998).

99. З.Г. Пинскер. Динамическое рассеяние рентгеновских лучей в идеальных кристаллах. М.: "Наука", 1974.

100. Ю.С. Терминасов, Л.В. Тузов. Двойные отражения рентгеновских лучей в кристаллах. УФН 83,223 (1964).

101. D.A. Kottwitz. Intensity of Forbidden Neutron Reflections Simulated by Multiple Bragg Reflection. Phys. Rev., 175,1056 (1968).

102. P.Velikov, T.van Dillen, A.Polman, A.van Blaaderen. Photonic crystals of shape-anisotropic colloidal particles. Appl.Phys.Lett., 81, 838 (2002).

103. A.V. Sel'kin. Structural characterization of photonic crystals by Bragg reflection spectroscopy. Proc. of 12th Int. Symp. "Nanostructures: Physics and Technology", St. Petersburg, Russia, June 21-25,2004, 111-112 (2004).

104. J.S. Maxwell Garnett. Philos. Trans. R. Soc. London, 203,385 (1904).

105. P. Yeh, Optical waves in layered media. New-York, Wiley, 1988.

106. J.F.Galisteo-Lopez, F.Garsia-Santamaria, D.Golmayo, B.H.Juarez, C.Lopez, E.Palacios-Lidon, Design of photonic bands for opal-based photonic crystals, Photonics and Nanostructures-Fundamental and Aplications. 2, 117 (2004).

107. F.Garcia-Santamaria, M.Ibisate, I.Rodriguez, F.Meseguer,C.Lopez. Photonic Band Engineering in Opals by Crowth of Si/Ge Multilayer Shells. Adv.Mater. 15, (10) 788 (2003).

108. T.van Dillen, A.van Blaaderen, A.Polman. Shaping colloidal assemblies. Materials today, July/August 2004.