Оптические исследования фотонных кристаллов на основе синтетических опалов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

Введение

Глава 1: Обзор литературы

1.1. Основные параметры фотонных кристаллов.

Образование фотонной зонной структуры

1.2. Фотонные кристаллы для видимой области спектра

1.2.1. Фотонные кристаллы на основе коллоидных систем

1.2.2. Оптические исследования природных опалов

1.2.3. Исследования синтетических опалов

1.2.4. Композитные материалы на основе опалов и инвертированные опалы

1.3. Постановка задачи

Глава 2: Экспериментальные методики

2.1. Особенности синтеза синтетических опалов. Подготовка образцов

2.2. Схемы регистрации оптических спектров

2.2.1. «Одномерная» схема регистрации

2.2.2. «Трехмерная» схема регистрации

2.3. Топографирование поверхности опалов

Глава 3Особенности структуры образцов синтетических опалов

3.1. Исследование структуры синтетических опалов с помощью электронной и атомно-силовой микроскопии

3.2. Анизотропия структуры опалов по оси роста

3.2.1. Предварительные исследования

3.2.2. Сравнительный анализ спектров пропускания и отражения синтетических опалов

3.3. Анализ одномерной запрещенной зоны

3.4. Неоднородное уширение спектров пропускания

3.5. Структура приповерхностной области синтетических опалов

3.5.1. Отражение света от ростовой поверхности опала (111)

3.5.2. Механизм спектрально-углового уширения дифракционного рефлекса

Выводы к главе

Глава 4: Дифракция света на синтетических опалах

4.1. Выводы теории дифракции света на опалах

4.1.1. Общие соотношения

4.1.2. Дифракция света на отдельном слое

4.1.3. Дифракция на случайной упаковке слоев

4.2. Дифракция света на системе ростовых плоскостей (111)

4.2.1. Дифракция монохроматического света

4.2.2. Дифракция белого света

4.3. Дифракция при распространении света вдоль системы ростовых плоскостей (111)

4.3.1. Трансформация дифракционной картины

4.3.2. Дифракция при падении света в геометрии [211]

4.4. Сопоставление экспериментальных данных с теоретическими результатами

4.4.1. Дифракция на системах плоскостей {111} двойникованной структуры

4.4.2. Одномерный беспорядок в структуре

4.4.3. Красная граница дифракции на двумерной гексагональной решетке

4.5. Аналогия с дифракцией рентгеновских лучей 127 Выводы к главе

Глава 5: Фотонная зонная структура синтетических опалов

5.1. Прямая и обратная решетка синтетических опалов

5.2. «Модельная» зона Бриллюэна

5.3. Спектры пропускания синтетических опалов (эксперимент)

5.4. Сравнение экспериментальных и теоретических данных

5.5. Визуализация фотонной зонной структуры 161 Выводы к главе

Исследование фотонных кристаллов - новое направление в физике твердого тела, возникновение которого принято связывать с экспериментальной работой Е. Яблоновича (Е. Yablonovitch) [1] и теоретической работой С. Джона (S. John) [2]. Е. Яблоновичем была создана и исследована структура (рис. 1), в которой диэлектрическая проницаемость модулирована с периодом «1 cm во всех трех измерениях. Основной задачей работы [1] было изучение спектров пропускания электромагнитного излучения через такую структуру при условии совпадения масштаба модуляции диэлектрической проницаемости и длины волны зондирующего излучения (сантиметровый диапазон, v~10GHz). Было обнаружено, что при выполнении условия такого «резонанса» спектры пропускания содержат характерные полосы, происхождение которых не тривиально. Эти полосы «непропускания» не связаны ни с поглощением в объеме структуры, ни с отражением от его поверхности образца, а обусловлены брэгговским рассеянием электромагнитных волн [3]. В работе [2] теоретически было показано, что в подобных материалах с периодической модуляцией диэлектрической проницаемости из-за брэгговского рассеяния возможно возникновение запрещенной зоны (щели) в плотности фотонных состояний. Новый класс структур, который впервые рассматривался в работах [1,2] в дальнейшем получил название фотонных кристаллов [4].

Фотонными кристаллами принято называть периодические структуры (как правило, слабопоглощающие), состоящие из различных диэлектрических материалов (обычно двух) и обнаруживающие запрещенные и разрешенные зоны в спектре собственных электромагнитных состояний. Возникновение фотонной зонной структуры является следствием брэгговского рассеяния электромагнитных волн на периодическом возмущении профиля диэлектрической проницаемости внутри кристалла.

Рис. 1. Искусственно приготовленная структура [1]. Для создания трехмернопериодиче-ской решетки в диэлектрическом материале (эбонит и др.) через маску высверливались цилиндрические отверстия. Эти отверстия высверливались таким образом, чтобы их сеть в объеме материала образовывала кубическую гранецентрированную решетку. В результате в диэлектрике формируется гранецентрированная кубическая решетка пустот.

Рис. 2. Типы фотонных кристаллов, образованные материалами с диэлектрическими постоянными ет и sv. а- одномерный, Ъ - двухмерный и с - трехмерный фотонный кристалл.

Периодичность профиля диэлектрической проницаемости обусловлена тем, что в узлах кристаллической решетки фотонного кристалла находятся частицы с диэлектрической проницаемостью ет, а пространство вокруг них имеет другую диэлектрическую проницаемость sv. Период модуляции е определяет энергетическое положение запрещенных зон. Принято различать следующие типы фотонных кристаллов (рис. 2) - одномерные, двухмерные и трехмерные, с одномерной, двухмерной или трехмерной модуляцией профиля диэлектрической проницаемости соответственно. Фотонные кристаллы могут обладать полной запрещенной зоной, псевдо-запрещенной зоной или стоп-зонами. Наличие полной запрещенной зоны означает, что в некотором спектральном диапазоне электромагнитные волны любой поляризации не могут войти в кристалл или выйти из него ни в каком кристаллографическом направлении. Псевдо-запрещенная зона характеризуется тем, что условие невозможности входа/выхода в кристалл электромагнитных волн определенного спектрального диапазона нарушается вдоль какого-либо одного направления (или нескольких направлений), т.е. вдоль этого направления (этих направлений) происходит схлопывание полной запрещенной зоны. Под термином стоп-зона понимается диапазон длин волн, запрещенный для распространения в каком-либо определенном кристаллографическом направлении. Трехмерные фотонные кристаллы могут иметь полную запрещенную зону, псевдо-запрещенную зону или несколько стоп-зон. Двухмерные и одномерные фотонные кристаллы характеризуются только наличием стоп-зон.

Тематика фотонных кристаллов привлекла большое внимание благодаря важным следствиям, вытекающих из наличия щели в спектре электромагнитных колебаний. Перечислим некоторые из них:

1) Фотонные кристаллы предоставляют качественно новые возможности управления световыми потоками благодаря наличию запрещенной зоны в плотности электромагнитных состояний в заданной области частот. Например, световые пучки с длинами волн из запрещенного спектрального диапазона, испытывая брэгговское отражение от различных систем плоскостей фотонных кристаллов, могут расщепляться на несколько пучков.

2) В области полной фотонной запрещенной зоны невозможно спонтанное излучение, для которого требуется наличие собственных состояний в спектре (плотности состояний) излучаемых фотонов. В частности, в композитах фотонный кристалл/лазерная структура подавление спонтанного излучения должно привести к росту коэффициента полезного действия.

3) Фотоны могут локализоваться на диэлектрических дефектах фотонного кристалла, приводя к образованию необычных фотонных состояний.

Из сказанного выше следует, что фотонные кристаллы интересны своими приложениями в области оптической связи, лазерных технологий, для создания принципиально новых устройств и приборов на их основе [3-5]. В этой связи большой интерес представляет создание и исследование фотонных кристаллов для видимой и инфракрасной областей электромагнитного спектра.

Одним из представителей фотонных кристаллов для видимой области спектра являются синтетические опалы. Данная диссертация посвящена исследованию фотонной зонной структуры синтетических опалов, изучению их оптических свойств и структурных особенностей.

Материал в диссертации изложен следующим образом. Глава 1 посвящена обзору литературы по теме диссертации. Рассмотрены физические принципы формирования фотонной зонной структуры. Приведены результаты экспериментальных исследований фотонных кристаллов, созданных различными методами из разных материалов. Особое внимание уделено работам, посвященным исследованию опалов и фотонных структур, синтезированных на их основе.

В главе 2 кратко излагаются особенности синтеза синтетических опалов, методика подготовки образцов для оптических экспериментов. Описаны экспериментальные методики, использованные в данной работе, а также способ исследования топографии поверхности опалов. Основное внимание уделено описанию оптических методик - как для исследования и обработки картин дифракции света на опалах, так и для измерения спектров пропускания.

Глава 3 посвящена исследованию структуры синтетических опалов. Структура исследовалась с помощью электронной и атомно-силовой микроскопии, а также различными оптическими методами. Показано, что наиболее характерной особенностью структуры синтетических опалов является анизотропия, которую определяет ось роста. Подробно обсуждаются различные типы дефектов, влияющие на оптические свойства синтетических опалов. В заключение главы сформулированы критерии, которые позволяют определять наиболее однородные области исходных образцов, пригодные для исследования фотонных стоп-зон.

В главе 4 излагаются основы теории дифракции света на структуре опалов. Далее приводятся результаты экспериментального исследования картин трехмерной дифракции света на кристаллической структуре синтетических опалов. Дифракционные картины исследовались при наклонном падении света на ростовую поверхность образца (111) и при распространении света в плоскости (111), в различных направлениях, перпендикулярных оси роста образца. Для обеих геометрий рассеяния детально изучены спектрально-угловые зависимости интенсивности дифрагированного света. Экспериментальные результаты сопоставляются с теоретическими выводами, отмечается их хорошее согласие. Глава заканчивается описанием аналогии между дифракцией света на фотонных кристаллах и дифракцией рентгеновских лучей на кристаллических решетках.

В главе 5 представлены результаты спектроскопического исследования дисперсии фотонной щели по всей поверхности зоны Бриллюэна гранецен-трированной кубической решетки опалов. Подробно обсуждаются спектры пропускания опалов, измеренные в различных геометриях опыта. В результате обработки этих спектров была определена фотонная зонная структура синтетических опалов. Отмечается хорошее совпадение результатов измерений спектров пропускания и дифракционных картин, представленных в главе 4.

В заключении перечислены основные результаты, полученные в данной работе.

Выводы к главе 5

1. В впервые измерены спектры оптического пропускания по всем основным направлениям на поверхности первой зоны Бриллюэна. Результаты измерения спектров пропускания хорошо согласуются с результатами дифракционных экспериментов.

2. Впервые исследована трансформация запрещенных стоп-зон и построена схема фотонной зонной структуры синтетических опалов.

3. Экспериментально изученная фотонная зонная структура описывается совокупностью дисперсионных зависимостей энергетического положения стоп-зон, соответствующих системам плоскостей типа {111} двойникован-ной ГЦК структуры синтетических опалов, от волнового вектора.

4. Дифракционные картины позволяют визуализировать фотонную зонную структуру синтетических опалов, т.е. наблюдать в пространстве проявление фотонной зонной структуры как дифракцию световых пучков падающих на кристалл в определенных кристаллографических направлениях.

Заключение

Перечислим основные выводы и результаты диссертационной работы:

1. Проведено комплексное исследование структуры синтетических опалов. Установлено, что ростовые гексагональные слои (111) имеют высокую степень упорядоченности расположения сферических частиц tf-SiC>2 на макроскопическом масштабе (сотни микрон). Структура опалов вдоль оси роста (направление [111]) неоднородна из-за случайного расположения ростовых слоев (111) относительно друг друга. Наиболее совершенные области исследованных образцов имеют двойникованную гранецентрированную кубическую структуру с коэффициентом корреляции упаковки р = 0.8.

2. Экспериментально показано, что фотонные кристаллы на основе синтетических опалов представляют собой трехмерную дифракционную решетку для видимого света. Рассеяние света на опалах наблюдается в виде характерных систем дифракционных рефлексов (пятен либо окрашенных полос) и является аналогом рассеяния рентгеновских лучей на кристаллических структурах.

3. Экспериментальные результаты хорошо описываются теорией дифракции света в опалах (В.А. Кособукин, Д.Е. Усвят). В картинах рассеяния света интенсивные рефлексы являются результатом брэгговской дифракции на плоскостях {111} двойникованной гранецентрированной кубической решетки. Спектрально-угловое уширение рефлексов обусловлено одномерным беспорядком в упаковке ростовых слоев вдоль оси роста образца.

4. Измерены спектры оптического пропускания при распространении света по всем основным кристаллографическим направлениям в двойникованной гранецентрированной кубической структуре синтетических опалов. На основе измеренных спектров пропускания впервые определена фотонная зонная структура синтетических опалов на всей поверхности зоны Бриллю-эна.

165

5. Дисперсия запрещенной фотонной зоны в опалах хорошо описывается соотношением, соответствующим условию брэгговской дифракции света на системах плоскостей двойникованной гранецентрированной кубической решетки с доминирующей ролью плоскостей {111}.

6. Результаты измерения спектров пропускания хорошо согласуются с результатами дифракционных экспериментов. Дифракционные картины позволяют визуализировать красную границу запрещенной фотонной зоны опалов.

В заключение я хочу выразить искреннюю благодарность моим научным руководителям А.А. Каплянскому и М.Ф. Лимонову за большую помощь и постоянную поддержку в течение всей работы над диссертацией.

Я глубоко благодарен В.А. Кособукину и Д.Е. Усвяту за их большой вклад в теоретическую часть диссертации. Я признателен К.Б. Самусеву, А.В. Селькину, А.П. Скворцову, Ю.Э. Китаеву, Т.И. Максимовой, М. Рыбину и А.В. Анкудинову за помощь и плодотворные дискуссии, которые во многом способствовали улучшению данной работы.

Я благодарен всему коллективу лаборатории оптики твердого тела ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН за товарищеское отношение и всестороннюю помощь при выполнении настоящей работы.

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

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

3. E. Burstein, C. Weisbuch. Confined Electrons and Photons. New Physics and Applications. Eds. Plenum Press, N.Y. (1995).

4. J.D. Joannopoulos, R.D. Mead, J.D. Winn. Photonic crystals. Molding of Flow of Light. Princeton Univ. Press. (1995).

5. С.Я. Килин. УФН 169, 507 (1999).

6. H. Ашкрофт, H. Мермин. Физика твердого тела, т. 1, Мир, Москва (1979).

7. К. Busch, S. John. Phys. Rev. E 58, 3896 (1998).8. 1.1. Tarhan, M.P. Zinkin, G. H. Watson. Optics Letters 20, 1571 (1995).9. 1.1. Tarhan, G. H. Watson. Phys. Rev. Lett. 76, 315 (1996).

8. R.D. Pradhan, 1.1. Tarhan, G. H. Watson. Phys. Rev. В 54, 13721 (1996).

9. R.G. Carlson, S.A. Asher. Appl. Spectroscopy 38, 297 (1984).

10. A.M. Verhaegh, J.S. Duijneveldt, A. Blaaderen, N.W. Lekkerkerker. J. Chem. Phys. 102, 1416 (1995).

11. C. Dux, H. Versmold. Phys. Rew. Lett. 78, 1811 (1997).

12. T.M. Slawecki, C.J. Glinka, B. Hammouda. Phys. Rew. E 58, R4084 (1998).

13. R.M. Amos, J.G. Rarity, P.R. Tapster, T.J. Shepherd, S.C. Kitson. Phys. Rew. E 61, 2930 (2000).

14. B.J. Ackerson, J.B. Hayter, N.A. Clark, L. Cotter. J. Chem. Phys 84, 2344 (1986).

15. B.J. Ackerson, P.N. Pursey, Phys. Rew. Lett. 61, 1033 (1988).

16. P.N. Pursey, W. Megen, P. Bartlett, B.J. Ackerson, J.R. Rarity, S.M. Underwood. Phys. Rew. Lett. 63, 2753 (1989).

17. B.J. Ackerson. J. Rheol. 34, 533 (1990).

18. W. Loose, B.J. Ackerson. J. Chem. Phys 101, 7211 (1994).

19. W.L. Vos, M.S. Thijssen, R. Sprik, J.J. Wijnhoven, M. Megens, T. Narayanan, A. Lagendijk. Phys. Rev. Lett 83, 2730 (1996).

20. W.L. Vos, M. Megens, C.M. Kats, P. Bosecke. J. Phys. Rev.: Condens. Matter 8, 9503 (1996).

21. D. Mei, H. Liu, B. Cheng, Z. Li, D. Zang. Phys. Rew. E 58, 35 (1998).

22. J.V. Sanders. Nature (London) 204, 1151 (1964).

23. J.V. Sanders. Nature (London) 209, 13 (1966).

24. J.V. Sanders. Acta Crystallogr., Sec. A: 24, 427 (1968).

25. V.N. Astratov, V.N. Bogomolov, A.A. Kaplyanskii, A.V. Prokofiev,

26. A. Samoilovich, S.M. Samoilovich, Yu.A. Vlasov. Nuovo Cimento D17, 1349 (1995).

27. V.N. Bogomolov, S.V. Gaponenko, I.N. Germanenko, A.M. Kapitonov, E.P. Petrov, N.V. Gaponenko, A.V. Prokofiev, A.N. Ponyavina, N.I. Silvanovich, and S.M. Samoilovich. Phys. Rev. E55, 6, 7619 (1997).

28. Yu.A. Vlasov, V.N. Astratov, O.Z. Karimov, A.A. Kaplyanskii, V.N. Bogomolov, A.V. Prokofiev. Phys. Rev. B55, 13 357 (1997)

29. V.N. Bogomolov, L.S. Parfen'eva, A.V. Prokofiev, I.A. Smirnov,

30. S.M. Samoilovich, A. Jezowski, J. Mucha, H. Misiorek. Phys. Solid State 37, 1874 (1995).

31. Yu.A. Vlasov, M.A. Kaliteevski, V.V. Nikolaev. Phys. Rev. В 60, 1555 (1999).

32. S. Satpathy, Z. Zang, M.R. Salehpour. Phys. Rev. Lett. 64, 1239 (1990).

33. K.M. Leung, Y.F. Liu. Phys. Rev. В 41, 10188 (1991).

34. H.S. Sozuer, J.W. Haus, R. Inguva. Phys. Rev. В 45, 13962 (1992).

35. Z.Y. Li, J. Wang, B.Y. Gu. Phys. Rev. В 58, 3721 (1998).

36. B.H. Богомолов, A.B. Прокофьев, А.И. Шелых. ФТТ 40, 4, 648 (1998)

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

38. Yu.A. Vlasov, X.Z. Bo, J.C. Sturm, D.J. Norris. Nature 414, 289 (2001).

39. L. Samoilovich and M. Samoilovich, Research Institute for the Synthesis of Minerals, Alexandrov, Russia.

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

41. E.P. Petrov, V.N. Bogomolov, I.I. Kalosha, S.V. Gaponenko. Phys. Rev. Lett 81, 77 (1998).

42. M. Megens, H.P. Schriemer, A. Lagendijk, W.L. Vos. Phys. Rev. Lett 83, 5401 (1999).

43. S.G Romanov, N.P. Johnson, A.V. Fokin, V.Y. Butko, C.M. Sotomayor Torres. Appl. Phys. Lett. 70, 2091 (1997).

44. H. Miguez, C. Lopez, F. Meseguer, A. Blanco, L. Vazguez, R. Mayoral, M. Osana, V. Fornes, A. Mifsud. Appl. Phys. Lett. 71, 1148 (1997).

45. H. Miguez, A. Blanco, F. Meseguer, C. Lopez, H. M. Yates, M. E. Pemble, V. Fornes A. Mifsud. Phys. Rev. В 59, 3, 1563 (1999).

46. A. Reynolds, F. Lopez-Tejeira, D. Cassagne, F.J. Garcia-Vidal, C. Jouanin, J. Sanchez Dehesa. Phys. Rev. В 60, 11422 (1999).

47. Yu.A. Vlasov, M. Deutsch, D.J. Norris. Appl. Phys. Lett 76, 1627 (2000).

48. B.H. Богомолов, T.M. Павлова. ФТТ 29, 826 (1995).

49. Yu.A. Vlasov, K. Luterova, I. Pelant, B. Honerlage. Apll. Phys. Lett. 71, 1616 (1997).

50. В.Г. Голубев, B.A. Кособукин, Д.А. Курдюков, A.B. Медведев, А.Б. Певцов. ФТП 35, 710 (2001).

51. В.Г. Голубев, Д.А. Курдюков, А.В. Медведев, А.Б. Певцов, Л.М. Сорокин, Дж. Хатчисон. ФТП 35, 1379 (2001).

52. А.А. Zakhidov, R.H. Baughman, Z. Iqbal, С. Cui, I. Khairulin, S.O. Dantas, J. Marti, and V.G. Ralchenko, Science 282, 897 (1998).

53. T.-B. Xu, Z.-Y. Cheng, Q.M. Zang, R.H. Baughman, C. Cui, A.A. Zakhidov, J. Su. J. of Apll. Phys. 88, 405 (2000).172

54. A. Blanco, Е. Chomski, S. Grabtchak, M. Ibisate, S. John, S.W. Leonard, C. Lopez, F. Meseguer, H. Miguez, J.P. Mondia, G.A. Ozin, O. Toader, H.M. van Driel. Nature 405, 437 (2000).

55. B.T. Holland, C.F. Blanford, A. Stein. Science 281, 538 (1998).

56. J. Wijnhoven, W.L. Vos. Science 281, 802 (1998).

57. Yu.A. Vlasov, N. Yao, and D.J. Norris, Adv. Mater. 11, 165 (1999).

58. P.V. Braun, P. Wiltzius. Nature 402, 603 (1999).

59. В.Г. Голубев, Д.А. Курдюков, А.Б. Певцов, А.В. Селькин, А.В. Ильинский, Р. Боейинк. ФТП 36, 1122 (2002).

60. С. Kittel. Introduction to Solid State Physics, John & Sons Inc (1960).

61. Б.К. Вайнштейн, B.M. Фридкин, B.Jl. Инденбом. Современная кристаллография, т. 2, Структура кристаллов, Наука, Москва (1979), с.310.

62. В.А. Кособукин. ФТТ, 34, 3107 (1992).

63. V.A.Kosobukin. Phys. Stat.Solidi (b) 208, 271 (1998).

64. Дж. Займан. Модели беспорядка. Мир, М. (1982).

65. Дж. Слэтер. Диэлектрики, полупроводники, металлы. Мир, М. (1969).

66. Л.Д. Ландау, Е.М. Лифшиц. Электродинамика сплошных сред. Наука, М (1982), С. 600.

67. Н.И. Калитеевский. Волновая оптика. Высшая школа, М. (1995), С. 344.

68. H.M. van Driel, W.M. Vos. Phys. Rev. В 62,15, 9872 (2000).