Распространение света в неоднородных коллоидных фотонных кристаллах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

На правах рукописи

Романов Сергей Геннадьевич

Распространение света в неоднородных коллоидных фотонных кристаллах

01.04.07 - физика конденсированного состояния

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

1 7 №} 2

Санкт-Петербург - 2013

005048303

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Физико-Технический Институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук

Официальные оппоненты:

Селькин Александр Викторович, доктор физико-математических наук, профессор, Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-Технический Институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, ведущий научный сотрудник

Белов Павел Александрович, доктор физико-математических наук, Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, заведующий лабораторией

Немов Сергей Александрович, доктор физико-математических наук, профессор, Санкт-Петербургский государственный политехнический университет, профессор

Ведущая организация: Санкт-Петербургский государственный университет

Защита состоится 14 марта 2013г. в 15 часов 00 минут на заседании диссертационного совета Д 002.205.01 при Федеральном государственном бюджетном учреждении Российской академии наук Физико-техническом институте им. А.Ф. Иоффе РАН, расположенном по адресу: 194021, Санкт-Петербург, Политехническая ул., д. 26.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственного бюджетного учреждения Российской академии наук Физико-техническом институте им. А.Ф. Иоффе

РАН

Автореферат разослан

Ученый секретарь диссертационного совета

Александр Александрович

Общая характеристика работы

Взаимодействие электромагнитного (ЭМ) поля с заряженными частицами твердых тел приводит к проявлению веществом диэлектрических и магнитных свойств, описываемых в оптике в приближении однородной эффективной среды. Если размер структуры оказывается сопоставим с длиной световой волны, то проявляется резонансный характер взаимодействия поля и вещества, определяемый зависимостью диэлектрической и магнитной проницаемости от геометрии структуры. Так возникли концепции фотонных кристаллов (ФК) и мета-материалов. Совместно с папоплазмоникой эти направления составляют ядро современной напофотонпкн. Ожидается, что в 21 веке фотоника будет основным двигателем научно-технического прогресса в области средств коммуникаций и информационных технологий. Этот прогноз обуславливает важность изучения фундаментальных основ оптических свойств ансамблей наноструктур.

Свое название ФК получили по аналогии с атомными кристаллами. «Фотонными атомами» (ФА) являются структурные элементы с оптическими свойствами, резко отличающимися от остальной среды. Классический пример ФА -это диэлектрическая сфера, имеющая резонансный отклик при освещении ее ЭМ волной. Такие возбуждения, называемые резонансами Ми, имеют топологию, схожую с электронными орбиталями атома. При объединении ФА в решетку формируются гибридные состояния Ми резонансов. Эти коллективные резонансы составляют фотонную энергетическую структуру (ФЭС) и проявляются в области длин волн, соизмеримых с периодом решетки ФА. Альтернативным методом описания ФЭС является представление о собственных модах ФК, т.е. о блоховских волнах, образующихся в результате интерференции падающей и отраженных решеткой волн. Если длина ЭМ волны существенно больше периода ФК, то для нее ФК является однородной средой, если много меньше - то распространение волны определяется законами геометрической оптики. Принципиальным отличием фотонов в ФК от свойств электронов в атомных кристаллах является то, что распространение фотонов поддерживается средой между ФА, а направление распространения потока света в ФК определяется законом сохранения импульса с точностью до вектора обратной решетки кристалла. Более того, фотоны заполняют все разрешенные по энергии состоя-

ния, то есть в ФЭС не имеется аналога уровню Ферми. Размерность ФЭС зависит от размерности профиля диэлектрической проницаемости.

Исчерпывается ли физика ФК аналогией с традиционными дифракционным решеткам? Нет, поскольку в дополнение к эффектам в дальнем поле основным предметом изучения становится совокупность процессов взаимодействия света и вещества в пределах ФК. Функцией ФК в этом случае является структуризация электромагнитного вакуума, которая может быть использована для программируемой обработки светового потока в пространственных, спектральных и временных координатах и/или изменения характера взаимодействия излучения с веществом. Чем выше диэлектрический контраст между каркасом ФК и средой, тем сильнее отличие структуры поля в кристалле от его структуры в однородном диэлектрике.

Одно из первых исследований, положивших начало науке о ФК, было выполнено В.П. Быковым 11', теоретически исследовавшим скорость спонтанного излучения источника, расположенного внутри структуры с периодическим изменением показателя преломления (ПП). Как таковой, термин ФК был введен в обиход после публикаций Е. Яблоновича который использовал аналогию ФК с электронными полупроводниками, и С. Джона '3', который подошел к идее ФК, рассматривая локализацию света в слабоупорядоченной неоднородной среде. Стоит отметить, что в настоящий момент именно квазипериодические и неупорядоченные среды рассматриваются как наиболее перспективные структуры с точки зрения дальнейшего развития ФК.

Впоследствии выяснилось, что принцип резонансного взаимодействия света со структурой широко используется в живой природе. Структурирование материала лежит в основе окрашивания диатомовых водорослей и панцирей насекомых, а также яркой игры красок на крыльях бабочек и покровных тканей многих животных.

Решающим фактором развития ФК послужила их экспериментальная реализация. Приготовление ФК видимого диапазона света с необходимостью является нанотехнологией. Если 1М и тонкие 2М ФК можно изготовить, используя стандартные литографические методы, то создание 2М и ЗМ ФК представляет собой нетривиальную задачу, решение которой дало импульс развития новым технологиям. Особняком стоят 2М кристаллы в виде ФК-волокон. Для изготов-

ления ЗМ ФК используют такие методы, как 2-фотонная полимеризация, многолучевая голография, анизотропное травление и ЗМ наноимпринтинг, а также клонирование или сварка тонких 2М ФК. Общей технологической проблемой является достижение однородности структуры в большом объеме. Как правило, такие ЗМ ФК оптического диапазона имеют линейные размеры -0.1-1 мм, причем стоимость их изготовления быстро растет с ростом объема. ФК малого размера пригодны для построения интегральных оптических схем, однако, они явно недостаточны для изготовления макроскопических оптических элементов или для использования в источниках света и солнечных батареях.

Альтернативой нанолитографии является самоорганизация ансамбля одинаковых элементов. Оригинальный способ создания объемных наноструктуриро-ванных материалов был предложен в начале 70-х годов В.Н. Богомоловым и), который использовал полости кристаллических диэлектрических матриц для стабилизации частиц диспергированного материала. В зависимости от размера и формы полостей, а также расстояния между ними, можно создавать ансамбли наноструктур с различной топологией. Вариативность этого метода позволяет реализовать множество разнообразных ансамблей наноструктур, используя частицы металлов, полупроводников и диэлектриков.

Наиболее доступные самоорганизующиеся кристаллы с подходящим для оптики периодом - это синтетические опалы, являющиеся аналогом природного минерала ,5'. Опалы - это коллоидные кристаллы, состоящие из одинаковых по размеру субмикронных сфер, упакованных в гранецентрированную кубическую (ГЦК) решетку. В начале 80-х гг. В.Н. Богомоловым и Ю.А. Кумзеровым было предложено использовать опалы как матрицы для введения в их полости различных материалов 16Соискатель развил эту идею, предположив, что условием наблюдения коллективных явлений в структурированных средах, приготовленных на основе сверхпроводников, полупроводников и диэлектриков, является соизмеримость характерной длины распространяющегося возбуждения с периодом структуры (V.N. Bogomolov, Y.A. Kumzerov, S.G. Romanov, Concept of three-dimensional superlattices of nanostructures, Int. Conf. on Composite Mater., Moscow, USSR, 14-16.11.1990). Впервые ФК-свойства опала были обнародованы в работе групп, возглавляемых A.A. Каплянским и В.Н. Богомоловым в ФТИ им. Иоффе '7|. Соискатель независимо продемонстрировал аналогичный

результат (S.G. Romanov et al, Optical properties of ordered 3-dimensional arrays of structurally confined semiconductors, 7 Int. Conf. on II-VI compounds and devices, Edinburgh, UK, 13-18.08.1995).

В своей работе соискатель решал триединую задачу дизайна коллоидных ФК, измерения их оптических свойств и объяснения физических механизмов взаимодействия света с такими структурами. Соответственно, работы соискателя, с одной стороны, внесли заметный вклад в решение ряда насущных материаловедческих проблем, позволивших ввести в практику тонкие пленки опала и улучшить их структуру, а также приготовить многокомпонентные функциональные опалы. Создание более совершенных опалов стало ключом к детальному исследованию их оптических свойств. С другой стороны, решалась основная задача - расширение функциональных возможностей ФК на основе опалов. Методом решения этой задачи был выбран курс на создание пространственно-неоднородных ФК. Очевидно, что ЭМ поле в любом ФК конечных размеров является неоднородным из-за различия модовой структуры света в вакууме и внутри ФК. Оставалось только сделать неоднородность инструментом, пригодным для формирования оптического отклика ФК.

Реализацией этого подхода явились опубликованные в 2000г. соискателем ЗМ фотонные гетерокристаллы (ФГК), понимаемые как набор нескольких последовательно расположенных ФК с различной зонной структурой. В спектрах прошедшего ФГК света не просто суммируются резонансы составляющих их ФК, но также отражается согласование собственных мод этих ФК на границах их раздела и проявляются таммовские поверхностные состояния, могущие существовать на интерфейсе. Кроме того, создавая сверхструктуры из коллоидных кристаллов, можно уйти от прямой пропорциональности положения оптических резонансов и размера составляющих кристалл сфер. К сожалению, потенциал ФГК и по сей день остается нераскрытым из-за недостаточной теоретической разработки их свойств. Другой новой архитектурой пространственно-неоднородных ФК являются предложенные в 2008г. соискателем гибридные металло-диэлектрические плазмонно-фотонные кристаллы (ПФГК), состоящие из коллоидного ФК в контакте с тонкопленочным плазмонным кристаллом. В ПФГК в переносе света совместно участвуют блоховские моды диэлектрического и металлического электромагнитных кристаллов, а также проявляют себя

локальные плазмоны и резонансы Фабри-Перо. Причем, все эти резонансы взаимосвязаны, так как имеют общий геометрический параметр - размер сферы опала. Важно также отметить гибридизацию блоховских мод ФК и поверхностных плазмон-поляритонов, как одну из причин отличия отклика ПФГК от линейной суперпозиции свойств его компонентов.

Актуальность темы. Разработка концепции ФК как среды, обладающей фотонными запрещенными зонами (ФЩ) или направленными стон-зонами в энергетическом спектре, позволила расширить представление о взаимодействии света со структурированным веществом, как о совокупности процессов дифракции и локализации света, гибридизации мод, замедления групповой скорости распространения излучения, изменения времени жизни атомов в возбужденном состоянии и многих других. Все эти явления присущи ФК любой размерности, однако, большинство новых фундаментальных результатов получено для 1М и 2М ФК. Наименее изученными остаются ЗМ ФК. Помимо технологических проблем, сложность состоит в том, что измеряемые свойства ЗМ ФК соответствуют проекции ФЭС на поверхность его зоны Бриллюэна, что делает невозможным селективное возбуждение отдельных мод ФК. Представленное в диссертации исследование распространения, рассеяния и генерации света в ФК значительно расширяет информацию о взаимодействии света со структурой ФК и вносит существенный вклад, как в понимание механизмов этих процессов, так и в разработку новых методик исследования оптических свойств ФК.

ФК явились тем звеном, которое соединило классические исследования оптических свойств отдельных наночастиц, наноструктур и их комплексов с работами по изучению свойств функциональных ансамблей таких наноструктур. В результате оформилась «нанофотоника», как научно-техническое направление, занимающееся формированием, управлением и преобразованием потоков электромагнитной энергии в масштабе расстояний, начиная от долей длины волны.

В свою очередь, изучение ФК сред положило начало прикладным работам в области (а) оптических процессоров, предполагающих значительное, до десятков микрон, уменьшение размеров устройств управления оптическим излучением; (б) сенсорных устройств, использующих замедление групповой скорости распространения излучения и локализацию света; (в) устройств управления потоком лучистой энергии, основанных на принципах волновой оптики и ио-

вышающих эффективность солнечных элементов и источников света; (г) низкопороговых лазеров, использующих для генерации пики в спектре плотности оптических состояний; (д) устройств квантовой оптики, использующих микрорезонаторов с добротностью свыше 107; (е) нелинейных оптических устройств на ФК-волокнах, применяемых для генерации белого света и коррекции фронта фемтосекундных импульсов.

На этом фоне перспективы применения ЗМ ФК в оптоэлектронике остаются туманными, несмотря на их максимальные возможности в плане взаимодействия света со структурой. Не в последнюю очередь это связано с трудностями приготовления функциональных структур. Тем не менее, ведутся работы над созданием различного рода датчиков, а также ловушек света для фотоэлектрических преобразователей. В последнее время особое внимание уделяется фотонным стеклам, представляющим собой случайную упаковку одинаковых сфер, с прицелом на создание низкопороговых источников когерентного излучения. Стоит отметить, что промышленность (компания Merck) производит километры декоративного материала на основе пленочного опала, а компания BASF выпускает косметическую продукцию с включением коллоидных кристаллов. В этом плане, полученные соискателем результаты по созданию эффективных рассеивателей света, основанных на синергетичсском эффекте дифракции, радиационного распада короткоживущих поверхностных плазмон-поляритонов и рассогласования мод на границе раздела в фотонном гетерокри-сталле, открывают многообещающие перспективы использования плазмонно-фотонных гетерокристаллов в солнечной энергетике.

Цслыо работы является экспериментальное изучение распространения и генерации ЭМ излучения в однокомпонентных и многокомпонентных неоднородных коллоидных фотонных кристаллах оптического диапазона, а также демонстрация возможности создания фотонных кристаллов с программируемыми оптическими свойствами.

Поставленная цель была достигнута через решение следующих задач: • создание высокоупорядоченных тонкопленочных коллоидных кристаллов и разработки методов количественной оценки их кристалличности, а также их антиподов - 2М фотонных стекол;

• изучение спектральных зависимостей пропускания, отражения и рассеяния поляризованного света коллоидными ФК;

• разработка ЗМ гетерогенных ФК и исследование их оптических свойств;

• разработка гибридных плазмонно-фотонных гетеро-кристаллов и исследование их оптических свойств;

• исследование модификации излучения связанных с ФК источников света.

Объекты и методы исследования. Объектами исследования являются материалы - коллоидные кристаллы и структуры, полученные на их основе, а также процессы распространения и генерации ЭМ волн в ФК. Методами исследования являются: сканирующая электронная микроскопия для анализа исследуемых структур, количественный рентгеновский микроанализ состава ФК, измерение спектров прошедшего и отраженного линейно-поляризованного света в зависимости от угла падения света и ориентации плоскости падения, измерение спектров рассеянного света, измерение спектров и индикатрис фотолюминесценции, моделирование энергетической зонной структуры, спектров отражения и пропускания ФК, а также дисперсий резонансов.

Гипотеза. В основе проведенных исследований лежит предположение о том, что оптические свойства ФК для данного контраста показателя преломления зависят (1) от резонансных условия переноса света, (2) от согласования поля свободного пространства с оптическими модами ФК или согласования собственных мод различных кристаллов в гетеро- или гибридной структуре, и (3) от рассеяния света на дефектах кристалла.

Научная иовизна. Все приведенные результаты и выводы являются оригинальными. Ссылками в тексте диссертации отмечены результаты, полученные в сотрудничестве с другими учеными.

• Предложен метод акустической шумовой активации кристаллизации опала, ведущий к 10-кратному улучшению регулярности решетки.

• Разработан сравнительный количественный метод оценки совершенства упаковки плоскостей с высокими индексами Миллера в решетках пленочных опалов по величине амплитуды Фурье-гармоник дифракционных резонансов в спектрах пропускания, полученных при вращении плоскости падения.

• Достигнуто заполнение полостей опала последовательным нанесением атом-но-тонких слоев вещества и металл-органическим газофазным синтезом.

• Обнаружено антипересечение дисперсий собственных мод в спектрах опала.

• Продемонстрировано смешивание поляризаций в прошедшем и отраженном свете и предложена интерпретация эффекта, основанная на вращении плоскости поляризации вследствие биения блоховских мод ФК.

• Показано, что беспорядок решетки, пробой поляризационной анизотропии в области антипересечения мод опала и вращение плоскости поляризации света приводят к подавлению критического угла дифракции в отраженном свете.

• Предложена спектроскопия рассеянного света в упорядоченных ЗМ ФК, дополняющая спектроскопию прошедшего/отраженного света. Продемонстрировано, что рассеянный в пленке опала свет имеет поляризационную и пространственную анизотропию, одинаковую вероятность рассеяния вперед и назад, а ширина его угловой диаграммы увеличивается в стоп-зоне.

• Предложены и реализованы гетерогенные ЗМ ФК, суммирующие в своих спектрах дифракционные резонансы составляющих их кристаллов, найдено, что перестройка модовой структуры света на границе раздела двух ФК сопровождается рассеянием света и показана возможность создания фотоннокристалли-ческих волноводов в трехслойных гетеро-структурах.

• Продемонстрировано, что усиление спонтанного излучения в излучении точечного изотропного источника в опале имеется при любой сколь угодно малой мощности накачки и рассмотрены механизмы этого явления.

• Показано, что индикатриса излучения изотропного источника света в ЗМ ФК определяется конфигурацией поверхностей равной частоты.

• Реализованы гетерогенные излучающие ФК типа источник-фильтр и показана возможность формирования диаграммы направленности излучения в таких структурах.

• Создан новый класс гибридных плазмонно-фотонных кристаллов с пространственно-неоднородным распределением поля, перенос света в которых определяется совместно блоховскими модами диэлектрического ФК, поверхностными плазмон-поляритонами плазмонного кристалла, Ми резонансами фотонно-плазмонных атомов и Фабри-Перо резонансами квазиволноводных металло-диэлектрических структур.

Достоверность и надежность результатов, а также сделанных на их основе выводов обеспечивается сочетанием новых и апробированных методик из- 10-

мерений, соответствием результатов автора и приведенных в литературе данных, сопоставлением экспериментальных результатов, полученных на сходных объектах с использованием разных методов и разных приборов, а также математическим моделированием наблюдаемых свойств. Результаты прошли апробацию на многочисленных отечественных и международных конференциях и опубликованы в ведущих отечественных и зарубежных научных журналах.

Научная значимость диссертационной работы заключается в приоритетности созданных конфигураций фотонных кристаллов, а также в фундаментальном характере исследованных явлений и установленных закономерностей.

Практическая значимость полученных результатов определяется как существенным вкладом в развитие данной области нанофотоники, так и демонстрацией возможностей научно-технического внедрения нового вида оптических материалов на основе коллоидных ФК. Отметим такие результаты как:

• Разработка альтернативного метода кристаллизации пленок опала в условиях шумовой акустической вибрации и коллоидной эпитаксии, а также новых технологий синтеза вещества-наполнителя в полостях опала.

• Существенное расширение функциональности ФК на основе опалов вследствие реализации гетерогенных и гибридных опалов.

• Демонстрация ультраширокополосного, Дю/<ы~1, независимого от поляризации и направления падения света рассеяния светового потока в плазмонно-фотонных гибридных гетерокристаллах, пригодных для создания фотонных ловушек в солнечных элементах.

В результате проведенного исследования заложены основы нового научного направления в физике кондененрованного состояния - экспериментальной физики неоднородных фотонных кристаллов.

Апробання работы. Основные результаты работы докладывались на 85 международных конференциях, было сделано 27 приглашенных докладов. Результаты работы обсуждались на семинарах лаборатории физики анизотропных материалов, лаборатории спектроскопии твердого тела, низкоразмерном семинаре ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН. Соискатель выступал с приглашенными докладами в России, а также в 25 университетах и организациях за ее пределами.

Личный вклад автора. Содержание диссертации отражает персональный вклад автора в опубликованные работы. Ряд исследований выполнен на образ- 11 -

цах, приготовленных по инициативе соискателя в ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН, а также в университетах Манчестера, Вупперталя, Корка, Эрлангена, Майнца, Гамбурга, Дрездена и Эванстона. Теоретическое моделирование было проведено по просьбе соискателя в университетах Монпелье, Вупперталя, Корка, Карлсруэ и Эрлангена. В целом, соискатель сделал определяющий вклад в выбор направлений исследований, постановку задач, в планирование и проведение эксперимента, а также в интерпретацию полученных результатов.

Публикации. По теме диссертации имеется 152 печатные работы, в том числе 88 (из 118 общего числа статей соискателя) статей в реферируемых российских и иностранных научных журналах, 51 (из 75) публикаций в трудах российских и международных конференций, а также 12 (из 14) глав в книгах. Хирш-фактор соискателя равен 24. Сделано 105 докладов на конференциях с публикацией соответствующего количества тезисов.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, общей характеристики работы, семи глав, заключения и списка использованных источников (410 наименований). Общий объем диссертационной работы составляет 424 страницы, включая 265 рисунков и 8 таблиц.

На основе исследований, выполненных в диссертационной работе, на защиту выносятся следующие основные результаты и научные положения:

1. Возбуждение хаотических волн на линии контакта суспензия-кристалл приводит к реализации режима коллоидной эпитаксии при самоорганизации сфер в вертикально движущемся мениске и улучшает кристалличность решетки опала.

2. Фотонно-энергетическая структура коллоидных кристаллов формируется путем гибридизации локализованных резонансов составляющих их сфер.

3. Состояние поляризации света в ЗМ фотонном кристалле опала определяется распределением поля в его блоховских модах, зависит от взаимодействия мод, а также модифицируется беспорядком решетки.

4. Спонтанное излучение точечного источника света в кристалле опала распространяется в соответствии с конфигурацией поверхности постоянной частоты и усиливается в стоп-зоне.

5. Оптические свойства фотонных гетерокристаллов определяются линейной суперпозицией резонансов составляющих его фотонных кристаллов, пере-

стройкой модовой структуры света и частичной локализацией света на границах раздела кристаллов в гетеросгруктуре.

6. Однократное рассеяние фотонов между модами ФК определяет структуру спектров рассеянного света тонких упорядоченных пленок опала, вероятность рассеяния вперед и назад почти одинакова и возрастает в стоп-зоне.

7. Перенос света в гибридных плазмонно-фотонных кристаллах определяется геометрически связанными с решеткой резонансными механизмами: дифракцией света, дифракцией поверхностных плазмон-поляритонов, рассеянием света на локализованных плазмонных резонансах и резонансами Фабри-Перо пленочной структуры.

Содержание работы

Во введении обосновывается актуальность темы исследования, сформулированы цели и задачи работы, ее научная новизна, выдвинуты положения, выносимые на защиту, описана структура диссертации.

ям и зоне Бриллкпна. Выделены фрагменты, и пределах которых производили большинство измерений. (б) Фрагмент ФЭС опала вдоль направления Г L , рассчитанный методом плоских волн. Заштрихована область стоп-зоны. (в) Экспериментальные спектры пропускания и отражения пленки опала из полимерных сфер D = 560hm с контрастом ПП 1.49 вдоль оси [11 I]. Резонанеы обозначены индексами Миллера плоскостей, на которых происходит дифракция, (г) Спектры отражения и пропускания пленки опала, рассчитанные методом матрицы переноса (вычисления К. Busch). Ось частоты приведена относительно периода ГЦК решетки а = -JlD .

В первой главе приведены общие данные о ФК, методах приготовлении ЗМ ФК и теоретических подходах к интерпретации их свойств. Обоснован выбор тонких пленок опала, как основы для построения неоднородных ФК. Показано, что спектры отражения и пропускания тонких пленок опала согласуются с рас- 13 -

четом зонной энергетической структуры, а также со спектрами, полученными численным моделированием для гранеценгрированной кубической (ГЦК) решетки плотноупакованных сфер (Рис.1). Сделан вывод о том, что опалы, обладающие стоп-зоной, являются анизотропными проводниками фотонов.

Во второй главе приводятся сведения о технологиях изготовления ФК па основе опалов, которые были применены в данной работе. Решающим обстоятельством, позволившим провести исследование оптических свойств в условиях превалирующего баллистического распространения света, явилось создание пленок опала с малой концентрацией дефектов, длина свободного пробега фотонов в которых превосходит толщину пленки (Рис.2).

^ йй ШШ&- 4 ^ ..(г)

Рис.2. Изображения в сканирующем электронном микроскопе (а) монослоя 1063 мм сфер, (б) пленки опал из сфер 368 нм, (в) 3-слойного гетеро-опала из сфер 374-424-374 нм, (д) гибридного кристалла - монослоя 625 нм сфер покрытого 30 нм слоем Ag на подложке с 30 нм подслоем Ag.

В отличие от адиабатического переноса самоорганизующегося ЗМ коллоидного кристалла из жидкости на подложку, была предложена кристаллизация опала в движущемся мениске под воздействием акустических колебаний с шумовым спектром, а также была определена оптимальная, с точки зрения улучшения кристалличности, амплитуда осцилляции контактной линии мениска, равная нескольким постоянным решетки опала. Иллюстрацией такого способа является укладка песчинок в полосе прибоя на берегу во время отлива. Этот прием позволил соединить принципы стохастического резонанса и коллоидной эпитаксии для кристаллизации опала. В результате, до 10 раз улучшилась периодичность расположения плоскостей с высокими индексами Миллера. Для получения численной оценки регулярности расположения плоскостей решетки опала было проведено сравнение амплитуд Фурье-гармоник в спектрах пропускания опала, измеренных при вращении плоскости падения света.

Для расширения возможностей конструирования коллоидных ФК был использован альтернативный самоорганизации метод Лэнгмюра-Блоджетт (ЛБ), основанный на принудительной сборке коллоидных кристаллов из монослоев сфер, кристаллизованных на границе раздела вода-воздух. Этим методом были приготовлены 2М и (2+1 )М сборки одинаковых сфер, а также монослои различной упорядоченности из бинарных суспензий коллоидных сфер.

Проведен сравнительный анализ различных методов заполнения опалов материалами с высоким показателем преломления и краем оптического поглощения, находящимся в видимой или ультрафиолетовой части спектра. Сделан вывод о том, что молекулярное наслаивание, впервые примененное соискателем к опалам, является лучшим методом, обеспечивающее конформное заполнение полупроводником полостей опала и последующее инвертирование опала.

Рассмотрены различные методы послойного нанесения наночастиц металла или коллоидных квантовых точек на поверхность сфер, в частности, с использованием полиэлектролитов. Светоизлучающие опалы, кристаллизованные из таких наноракушек, были использованы для исследования излучения в ФК.

Обсуждено формирование гетерогенных опалов, состоящих из опалов с различной эффективной диэлектрической проницаемостью, а также приготовление гетерокристаллов путем сборки стопок из пленок опалов с различным периодом решетки (Рис.2в) или из коллоидных кристаллов с различной размерностью.

В завершение, описаны гибридные металло-диэлектрических фотонно-плазмонные кристаллы, приготовленные либо кристаллизацией опалов и/или монослоев сфер на тонкой пленке металла, либо нанесением пленки металла на поверхность монослоя/опала, а также комбинацией этих подходов (Рис.2г).

В третьей главе приводятся результаты исследования спектров пропускания и отражения пленок опалов в зависимости от ориентации кристалла, поляризации и угла падения света, а также приведены данные по поляризационной анизотропии и вращению поляризации. На основе эволюции спектров монослоев, сопровождающей увеличение расстояния между сферами и рост беспорядка в их упаковке, удалось проследить формирование ФЭС от Ми резонаисов сфер в 2М фотонном стекле до зонной структуры спектра фотонов в 2М плоском ФК. Выдвинуто предположение о переходе от зонного механизма переноса света

модами решетки в ФК к прыжковому переносу света по локализованным ре-зонансам сфер в фотонном стекле по мере разупорядочения монослоя (Рис.3).

А

Р8Ш »

-60-40-20 О 20 ¿0 60 30

ТСусл.ед.) о (градус! С (градус) «(градус)

Рис.3. Формирование 2М ФК из 2М бинарного фотонного стекла, состоящего из сфер диаметрами 1063 и 303 нм. (а) Спектр пропускания неупорядоченного монослоя сфер в сравнении с расчетными спектрами рассеяния вперед одиночными сферами, (б-г) Изменение спектров пропускания бинарного монослоя сфер но мере упорядочения ансамбля. Линии на панели (г) - дифракция света в 2\1 решетке - монослое сфер.

Далее была продемонстрирована эволюция оптических спектров при сборке (а) стопки монослоев сфер методом Лэнгмюра-Блоджетт и (б) при кристаллизации опала на (111) ростовой плоскости. Оказалось, что, с одной стороны, при небольших углах падения дисперсии дифракционных резонансов в таких кристаллах похожи, но, с другой стороны, в ЛБ стопке отсутствует ЗМ дифракция. Это позволило определить отсутствие продольной корреляции в расположении монослоев в структуре последних, считавшихся до того аналогами опала, и приписать им (2+1 )М размерность. Сходство же спектров опалов и ЛБ стопок вдоль нормали к гексагонально упакованным плоскостям сфер было объяснено выключением действия одного из индексов Миллера плоскостей ГЦК решетки опала при проекции ЗМ решетки на свою (111) плоскость.

Анизотропия спектров пленочных опалов была сопоставлена с симметрией его решетки. Оказалось, что дифракционные резонансы, рассчитанные в 2-волновом приближении (1М брэгговская дифракция) для ГЦК решетки успешно описывают ход дисперсии особенностей в спектрах опала. Систематическое отклонение наблюдаемых дисперсий от дисперсий резонансов ГЦК решетки указывает на искажение решетки пленок опалов, происходящее в результате направленности кристаллизации при вытягивании из суспензии. В спектрах

отражения/пропускания опалов было найдено антипересечение дисперсий ре-зонансов в направлениях многоволновой дифракции. Это явление согласуется с расчетом ФЭС методом разложения но плоским волнам.

Численно смоделированные поляризованные спектры пропускания и отражения ГЦК решетки сфер были сопоставлены с экспериментальными спектрами опала и сборки Лэнгмюра-Блоджетт. Это позволило определить, какое влияние на оптические свойства опала оказывает неизбежный в любых реальных ФК беспорядок. Следствия беспорядка решетки - это существенное ослабление амплитуды спектральных особенностей, связанных с дифракционными резо-нансами и стоп-зоной, угловой сдвиг области антипересечения резонансов и подавление критическог о угла дифракции.

тр

О SOGO (6)

Tsp 1S00£.'04 '----

в (градус) ф (градус) р (градус)

Рис.4, (а,б) Карты пропускания в я- и р-поляризованном свете при в = 30" в зависимости от азимутального вращения плоскости падения. Штриховые линии - дисперсии дифракционных резонансов в ГЦК решетке касающихся сфер, обозначенные индексами Миллера плоскостей. Опал с пЛ - 1.37 составлен из полимерных сфер О = 560 нм и имеет 25 (] 11) плоскостей в поперечном сечении, (в,г) Экспериментальная и расчетная (К. Вшс11) карты пропускания в скрещенных поляризациях.

В то же время, достигнутая упорядоченность решетки пленочных опалов оказались достаточна для того, чтобы такие явления, как пространственная анизотропия пропускания и отражения, поляризационная анизотропия, пробой поляризации в области антипересечения собственных мод и т.д., воспроизводили расчетные данные для идеальной ГЦК упаковки сфер. Например, тригональ-ная симметрия решетки проявляется в оптическом отклике, если при измерении задействована только та область опала, где последовательность ...ABC... упаковки (111) плоскостей не нарушена, а толщина пленки строго однородна (Рис.4 а,б). В противном случае реализуется 6-кратная ось симметрии.

Экспериментально обнаружено и теоретически подтверждено явление смешивания поляризаций при прохождении светом опала (Рис.4 в,г). Показано, что этот эффект связан с распределением поля в блоховских модах опала и вызван биением соседних мод опала, имеющих различную групповую скорость. Предсказано, что направление вращение поляризации периодически изменяется с ростом толщины пленки, причем величина эффекта достигает 100% в зависимости от толщины пленки для некоторых направлений и частот.

В четвертой главе рассматривается рассеяние света в тонкопленочных опалах с преимущественно баллистическим характером распространения света. Как оказалось, рассеяние света в упорядоченных ансамблях частиц имеет особый характер, отличный от рассеяния в случайно-неупорядоченной среде, описываемого, например, моделью Хани-Гринштайна, или от диффузного рассеяния света в объемном опале. Суть отличий в том, что при малой концентрации дефектов значительная часть света переноситься баллистически, а рассеянный из собственной моды решетки свет связывается с модами дефектов решетки или с другими собственными модами решетки. При этом реализуется равная вероятность рассеяния вперед и назад, гиперболическая индикатриса рассеяния и сохраняется пространственная анизотропия распространения в соответствии с симметрией решетки. Поэтому в спектрах рассеянного вперед света проявляются те же дифракционные резонансы, что и в пропускании, но в удвоенном количестве - как наборы резонансов для направлений падения света и детектирования рассеянного света (Рис.5а). Можно говорить также о сохранении в рассеянном свете таких особенностей баллистического распространения, как антипересечение дисперсий и поляризационная анизотропия (Рис.5 б-д).

В области (111) стоп-зоны рассеяние возрастает, так как вероятность для рассеянного фотона связаться с распространяющейся собственной модой в этом случае уменьшается. При этом показатель рассеяния - величина экспоненты в выражении, характеризующем ширину индикатрисы рассеянного света, возрастает (точки, Рис.5а). Спектр показателя рассеяния вперед воспроизводит до некоторой степени спектр пропускания пленки опала, а спектр показателя рассеяния назад - спектр отражения. Таким образом, упорядоченность ФК можно дополнительно характеризовать по диаграммам углового распределения рассеянного света.

Рис.5, (а) Спектры пропускания при углах падения 0 и 40" и спектр рассеяния вперед на угол 40" (толстая линия). Точками показана кривая показателя рассеяния вперед, (б,в) Карты пропускания и рассеяния вперед и (г,д) отражения и рассеяния назад в в-поляризоваином свете. Пунктиром показаны дисперсии брэгговских резонансов. обозначенные индексами Миллера. Индексы ЕЬк! и ХНк1 соответствуют дифракционным резонансам в направлении падения и рассеяния света.

Рассеяние назад - это более сложный процесс, не являющийся дополнительным рассеянию вперед. В рассеянии назад комбинируются собственно рассеяние назад, происходящее из-за необходимости согласования модовых структур вакуума и ФК при падении света на опал, и аналога рассеяния вперед, происходящее при возврате света после рассеяния на дефектах решетки. Сочетание этих механизмов приводит к уширению полосы рассеяния назад и спектральному сдвигу максимума в рассеянии назад от минимума в рассеянии вперед.

В пятой главе обсуждаются особенности, вносимые в распространение потока света фотонными гетерокристаллами (ФГК). Последовательное соединение нескольких ФК позволяет создать материал, проходя который, свет последовательно перестраивается в моды различной конфигурации, т.е. на выходе суммируется обработка сигнала несколькими ФК. Если ФЩ двух ФК слегка перекрываются, то в области перекрытия групповая скорость переноса света уменьшается (Рис.6 а,б). Увеличивая частоту, можно перебрать несколько режимов распространения света через ФГК: (а) режим эффективной среды, (б) подавление распространения в ФЩ одной из частей ФГК и стоячая волна во второй половине ФГК, (в) однородный перенос света с малой групповой скоростью при выравнивании скоростей в обеих частях ФГК, дающий слабый минимум пропускания (интерфейсный минимум) (Рис.бв), (г) далее смена режимов повторяется, но уже в отношении другой фотонной щели. К сожалению, реали-

зация этой модели с тонкими пленками опала затруднена из-за сильного размытия (111) минимума.

волновой вектор (отн.ед.) групповая скорость (с) нормализованная интенсивность

Рис.6, (а) Фрагмент ФЭС 2-слойного ФГК, состоящего из ФК А и Б. (б) Спектр групповой скорости света в АВ ФГК. (3) Спектры отражения и пропускания АБ ФГК вдоль [111] оси. Стрелкой указано положение особенности, связанной с пониженной групповой скоростью. Расчеты Д.Чигрина.

Как оказалось, наиболее заметное влияние на прохождение света оказывает рассеяние на интерфейсе. Согласно существующим качественным представлениям, при перестройке модовой структуры света происходит рассеяние падающего света, а из рассеянного света отбирается та компонента, которая удовлетворяет требованиям симметрии мод другого ФК. Результатом потерь на перестройку мод является прогрессирующее с ростом угла падения сглаживание дифракционных резонансов в спектрах ФГК. Если построить интерфейсную функцию, как отношение измеренных спектров пропускания ФГК к суперпозиции спектров его компонентов, то полосы в этой функции однозначно совпадают с дисперсией собственных мод обоих ФК (Рис.7 а-г). Это свойство можно использовать для построения ловушек света в солнечных элементах, так как источник рассеянного света находится в глубине структуры.

Тестирование ФГК с помощью спектроскопии рассеянного света также подтверждает, что основным источником рассеяния является интерфейс. Более того, рассеяние в ФГК теряет взаимность по отношению к обращению оптического пути. Парадоксально, но в гетеро-опале интенсивность рассеянного вперед света спадает с ростом угла рассеяния значительно быстрее, чем в одиночной пленке опала, а его амплитуда оказывается на 2-3 порядка величины меньше при той же дефектности опала. Таким образом, интерфейс оказывается барьером на пути распространения потока рассеянного света.

600

жИ.........._ .............._ ...................... ... .

«и! «I ЙО О Я: -10 Ы ¡1!' ■'■'■> 20 0 го 10 60 вро

«{градус) «(градус)

Рис.7. Карты пропускания (а,б) А и В опалов по отдельности и (в) АБА ФГК в 8-поляризованном

свете, (г) Интерфейсная функция, показывающая повышенное рассеяние света в дифракционных

резонансах. (е) Формирование волноводных мод в Б-слое АБА ФГК.

В спектрах 3-слойных ФГК АБА структур удалось найти признаки формирования плоского волновода, когда локализация света в среднем Б-слое обусловлена его большим эффективным показателем преломления в пределах спектральной ширины (111)Б стон-зоны (Рис.7е). Более того, формирование волновода не ограничивается стоп-зоной. Например, в спектрах рассеяния 3-слойного ФГК при больших углах детектирования наблюдается максимум на частотах вырожденного (222), (200) и (220) резонансов, который можно интерпретировать как каналированпе рассеянного света вдоль внутренней пленки, удержание света в которой обусловлено малой прозрачностью внешних пленок гетеро-опала на частотах этих дифракционных резонансов.

В шестой главе приведено описание различных светоизлучающих опалов, источниками света в которых являются кислородные дефекты ЗЮ2 сфер, органические красители и полупроводниковые квантовые точки, осажденные на поверхность сфер, или полупроводники каркаса инвертированных опалов. Уже на ранних этапах исследования удалось показать сосуществование двух процессов: уменьшения интенсивности излучения внедренного в опал источника света в стоп-зоне и усиления спонтанного излучения такого источника в стоп-зоне. Если подавление фотолюминесценции (ФЛ) с очевидностью повторяет контур брэгговского ослабления пропускания в стоп-зоне, то усиление проявляется с ростом мощности накачки (а) как полоса в стоп-зоне в отношении спектров ФЛ, измеренных при различной мощности накачки, и (б) как повышение мощности накачки, необходимой для насыщения ФЛ в стоп-зоне (Рис.8а).

Были разработаны две модели, объясняющие усиление спонтанного излучения при любой, сколь угодно малой мощности накачки. (1) В ФЭС опала со стоп-зоной имеются неоднородные моды, для которых направление волнового вектора и групповой скорости не совпадают в силу топологии поверхностей постоянной частоты вблизи стоп-зоны. Такие волны распространяются в направлении стоп-зоны с малой групповой скоростью (Рис.86). Спонтанное излучение в медленные моды имеет большую вероятность по сравнению с излучением в быстрые моды. Плотность неоднородных мод мала, поэтому суммарный эффект усиления тоже невелик. (2) Излучение в локализованные моды дефектов опала. Часть дефектов имеет резонансную частоту в стоп-зоне опала. Если резонансные состояния таких дефектов перекрываются, то излучение связанных резонаторов распространяется в направлении стоп-зоны, причем медленнее, чем на частотах зоны пропускания. Поэтому, в среднем, происходит усиление спонтанного излучения.

1

К ил 1

<

жщят <зВ$

X 4

(в)

\ .

' 7 ытт

1.е 2.0 22 2.4 28 энергия <>8!

т

...... ; * .. ..... -е-о зо е 30 80

Рис.8, (а) Пик мощности возбуждения насыщенной ФЛ в области стоп-зоны. (б) Расчетные спектры групповой скорости однородных и неоднородных (пунктир) мод в опале, (в) Расчетная и экспериментальная индикатрисы излучения изотропного источника света в опале. Расчеты Д.Чигрина.

Индикатриса излучения изотропного источника в пленке опала имеет максимумы, которые можно описать с учетом топологии поверхностей постоянной частоты: угловое положение максимумов индикатрисы определяется седловы-ми точкам этих поверхностей, а сами максимумы - фокусировкой излучения в этих точках. Эффект одинаков для излучателей в опалах и инвертированных опалах. В идеальной решетке эффект фокусировки дает узкие пики, а беспорядок решеток опалов размывает их в широкие максимумы (Рис.8в).

В /пО-инвсртированных опалах, обладающих более высоким контрастом показателя преломления и более широкой стоп-зоной по сравнению с обычным опалом, при увеличении мощности накачки вместо минимума ФЛ в стоп-зоне возникают полосы излучения (Рис.9 а,б). Дальнейшая перестройка и сужение этих полос отражает конкуренцию отдельных резонансов брэгговской решетки в пределах общей полосы усиления среды и в условиях насыщения ФЛ, ограниченной концентрацией кислородных вакансий в 2пО-каркасе (Рис.9в). Если же применить импульсное возбуждение и подобрать параметр решетки так, чтобы межзонный переход оказался на границе фотонной щели, то излучение в Ъс\0-опале приближается к режиму лазерной генерации (Рис.9 г,д).

Наконец, усиление спонтанного излучения было зафиксировано для 2-слойного ФГК типа источник-фильтр, в котором только одна часть ФГК была заполнена излучающими квантовыми точками. В зависимости интенсивности люминесценции от мощности накачки и угла детектирования обнаружилась полоса усиления, связанная с захватом рассеянного света на гетеро-интерфейсе.

í'(градус.) íí (градус) (Вт/см ) волновой вектор норм, интенсивность

Рис.9. Карты (а) пропускания и (б) интенсивности ФЛ в инвертированном ZnO-опале. Наблюдается 4 полосы ФЛ кислородного дефекта ZnO. (в) Эволюция спектра ФЛ от мощности накачки в направлении нормали к пленке, (г) ФЭС инвертированного ZnO-опала, расчет Н. Cao. Фотонные щели выделены штриховкой, (д) Изменение спектра спонтанного излучения при большой мощности накачки за счет усиления при совпадении межзонного перехода в ZnO и края фотонной щели.

В седьмой главе представлена идея гибридных плазмонно-фогонных кристаллов (Г1ФГК). В структуре гегеро-опала один из диэлектрических ФК может быть заменен пленкой металла, как правило, пленкой серебра или золота. Такая пленка может быть плоской, и тогда в ней за счет связи с дифракционной решеткой опала наводятся поверхностные плазмон-поляритоны (ТТПП). Если же пленка нанесена на поверхность опала, то она имеет периодический профиль и

является плазмонным электромагнитным кристаллом (ПК) сама по себе. При этом ФК может быть на выбор или плоским 2М (монослой сфер) или ЗМ (опал). Таким образом, при сочетании плоской или профилированной пленки металла с 2М или ЗМ ФК получаются четыре базовые конфигурации ПФГК. В общем случае, в переносе света в ПФГК участвуют несколько резонансных механизмов: (а) дифракция света в ФК, (б) дифракция ППП в ПК, (в) локализованный плазмонный резонанс в металлической полусфере на поверхности сферы опала, (г) Фабри-Перо резонансы.

Ожидаемо, пленки металла существенно уменьшают пропускание гибридов и увеличивают отражение (Рис.10 а-г). При этом собственно поглощение света в металле может не превосходить 10%. Спектры отражения и пропускания ПФГК указывают на возбуждение волноводных мод, уносящих поток света вдоль пленки. Плоские пленки металла способствуют локализации света в коллоидном кристалле, уменьшая утечки света в подложку, и дополняют спектр собственных мод ФПГК за счет ППП. Более того, локализация света в монослое приводит к усилению Ми резонансов сфер, которые доминируют в коротковолновой части спектров (Рис.10 в,г). Профилированные пленки металла определяют особенности спектров отражения и пропускания ПФГК. Характерными признаками ПК являются пик аномального пропускания, причиной которого является туннелирование поверхностных плазмон-поляритонов, усиленное в области высокой плотности плазмонных мод и полосы ППП (Рис.10 д,е).

1600 1400 1200

Е

£ 1000 300 600 400

80 60 40 20 О 20 40 60 30-80 -60 -40 -2.0 0 20 40 60 80-80 -60 -ДО -20 О 20 40 60 80 О (градус) >' (градус) в (градус)

Рис. ]0. Спектры пропускания и отражения света для монослоя 1063 нм сфер (а,б) на стеклянной подложке, (в,г) на 50 нм Аи пленке И (д,е) покрытого 30 нм слоем Ag в р-поляризованном свете. Линии на панели (а) показывают расчетные дисперсии собственных мод.

Следует отметить, что резонансы в ПФГК нормированы на диаметр сферы. Поэтому локальный плазмонный резонанс имеет свою полосу в непосредственной близости от пика аномального пропускания, а дисперсии дифракционные резонансы ФК и ПК близки по положению. Столь тесное соседство различных механизмов переноса энергии открывает многообразие возможностей для управления спектром ПФГК. Например, в случае близости дисперсий блохов-ских мод ФК и ПК происходит их гибридизация, сопровождающаяся изменением частот резонансов и пространственного распределения поля. Наблюдается также компенсация дифракционных (200) и (111) минимумов пропускания пленки опала полосами пропускания плазмонного кристалла (Рис.11).

Существенной особенностью ПФК является сильная неоднородность распределения ноля, поскольку поверхностные плазмой поляритоны локализованы на поверхности раздела мекшл-ди электрик. Такая неоднородность велика даже для монослоев сфер.

да- о«» «^яг*«* '•».«яг-ом« Ъсюяегг», ^„лгь« «да ляяттт

!

¡{В) Ш

4' (е) {ЬЦЩ?

и 111111 20 40 60 8(

<> {градус) «(градус) !> (градус)

Рис. 11. Спектры пропускания и отражения пленки опала из 431 нм Г1ММ А сфер (а,б) на стеклянной подложке, (в,г) на 50 нм Аи пленке, (д,е) покрытой 50 нм слоем А§ в р-поляризованном свете, (а) Дисперсии дифракционных резонансов ГЦК решетки в ГТКЬ (линии) и Г'ШХ (пунктир) сечениях зоны Бриллюэна. (е)Две Г111П моды в профилированной пленке серебра (линии).

Интересным направлением оказалось совмещение пленки опала с металлическим зеркалом, отделенным микрорезонатором от брэгговского зеркала опала. При подборе частоты резонатора удалось реализовать дефектное состояние в (111) стоп-зоне опала, резонансное пропускание в котором как минимум на порядок величины превзошло пропускание лучших из приведенных в литературе плоскостных дефектов, непосредственно сформированных в объеме опала. Расчет показывает, что амплитуда поля в моде дефекта также на порядок вели-

чины превосходит при этом поля вне резонансных состояний, что делает эту модификацию перспективной для реализации эффективных источников света. В целом, подход к управлению оптическими свойствами ФК, использующий изменение условий связи мод ФК с модами внешнего пространства при сохранении структуры и состава кристалла, представляется технологически предпочтительным для применения при изготовлении оптических процессоров.

Исследование гибридных гетеро-кристаллов позволило найти условия си-нергетического действия дифракционных и плазменных механизмов для перенаправления потока падающего свет вдоль плоскости гетероструктуры. Например, было показано, что всенаправленное поляризационно-независимое и ультраширокополосное изменение направленности падающего потока света может быть достигнуто в гетероструктуре опал-золото-стопка Лэнгмюра-Блоджетт. Такая архитектура может быть востребована при разработке солнечных элементов для повышения эффективности использования падающего света.

Взаимодействие диэлектрических волноводных мод и поверхностных плазмой поляритонов было усилено путем создания плоских плазменных волноводов, в которых монослой сфер заключен между пленками металла. При этом, с одной стороны, увеличивается количество плазмон-поляритонных мод и они, взаимодействуя, испытывают антипересечения, что приводит к открытию в фотонном спектре запрещенных зон. С другой стороны, происходит формирование гибридных мод, состоящих из долгоживущих медленно распространяющихся возбуждений, локализованных преимущественно в диэлектрике, и ко-роткоживущих быстрых мод, распространяющихся по поверхности металла. Это преобразование проявляется в спектрах в виде расщепления всех резонансов, включая пик аномального пропускания, на резонансы с разной добротностью. Таким образом, ПФГК предоставляют потенциальную возможность обработки света в спектральном, пространственном и временном доменах.

Основные результаты и выводы работы

В диссертационной работе проведено комплексное исследование оптических свойств коллоидных ФК различной архитектуры. Показано, каким образом в коллоидных ФК происходит управление потоком света, вызванное изменением спектра плотности оптических мод, направления распространения света

11 структуры электромагнитного поля. Проделанная работа продемонстрировала, каким образом можно сконструировать искусственные неоднородности, на которых происходит локализация света и перестройка его модовой структуры или которые пригодны для осуществления резонансной связи света с ФК. Суммируя, можно утверждать, что создание неоднородных условий для распространения света в ФК может быть использовано для кардинальной перестройки оптических свойств и поэтому является мощным инструментом проектирования функциональных ФК. Важно отметить, что результаты работы, проделанной на коллоидных кристаллах, не ограничиваются этим модельным объектом, а могут быть обобщены на фотонные кристаллы любой природы. В целом, исследованный в диссертации метод сочетания между собой электромагнитных кристаллов, имеющих различные энергетические структуры и использующих преобразование фотонов в другие возбуждения, может быть положен в основу технологий программируемого преобразования светового потока.

В ходе исследования был разрешен ряд сопутствующих проблем: (а) улучшена кристалличность решетки опалов, (б) предложены оригинальные методики исследования оптических свойств опалов, (в) разработаны новые технологии заполнения полостей опалов веществом и (г) предложены новые архитектуры -гетерогенные и гибридные ФК, а также 2М тонкие фотонные стекла. Глава 1. Опалы являются модельным объектом для исследования свойств ЗМ фотонных кристаллов.

Глава 2. Разработаны новые архитектуры фотонных кристаллов на основе коллоидных кристаллов.

2.1. Существенное, до 10 раз, улучшение регулярности расположения плоскостей решетки опала было достигнуто с помощью акустической шумовой вибрационной стимуляции кристаллизации пленок опалов и вследствие самоорганизации решетки опалов в условиях «коллоидной эпитаксии».

2.2. Количественная оценка регулярности упаковки плоскостей с высокими индексами Миллера в решетке опала была получена путем измерения амплитуд Фурье-гармоник пропускания как функции вращения плоскости падения для разных длин волн.

2.3. Наиболее однородное заполнение опала при внутриполостном синтезе вещества получено газофазными методами, в частности, атомным наслаиванием.

2.4. Предложены и приготовлены фотонные гетеро-кристаллы.

2.5. Предложены и приготовлены гибридные металло-диэлектрические плаз-монно-фотонные кристаллы.

Глава 3. Исследована структура оптических спектров тонких пленок опалов.

3.1. ФЭС монослоя сфер формируется путем гибридизации Ми резонансов составляющих его диэлектрических сфер, т.е. резонансы в спектрах о 2М плоского ФК развиваются из резонансов 2М плоского фотонного стекла

3.2. При переходе от 2М фотонного стекла к 2М ФК происходит, предположительно, смена прыжкового механизма распространения фотонов на зонный механизм.

3.3. Характерные особенности оптических спектров 2М плоского ФК (монослоя сфер), (2+1 )М ФК (стопки монослоев) и ЗМ ФК (опала) зависят от размерности решетки, но имеют в области Л ~ О общие черты.

3.4. Антипересечение дисперсий резонансов в спектрах опалов соответствует спектру собственных мод в ФЭС ГЦК решетки сфер.

3.6. Симметрия решеток исследованных пленок опалов несколько отличается от ГЦК симметрии.

3.7. Структура поля в блоховских модах решетки опала напоминает конфигурацию плоской волны для некоторых частот и направлении распространения света. В этих случаях, несмотря на кубическую симметрию решет! опала, может наблюдаться вращение плоскости поляризации, обусловленное биениями соседних мод, имеющих разную групповую скорое п..

3.8. Критический угол дифракции в опалах (и сюиках моиослоев) не наблюдается из-за рассеяния на дефектах решетки, пробоя поляризационной анизотропии в области антипересечения собственных мод, вращения поляризации и азимутальной анизотропии ФЭС.

Глава 4. Предложена спектроскопия рассеянного в пленках опалах света. 4.1. Рассеяние света в тонких, по сравнению с длиной свободного пробега фотона, пленках опалов отличается от рассеяния света в случайно-неупорядоченной среде тем, что рассеяние связывает между собой моды решетки.

4.2. Спектры рассеянного света в ~ 100 раз более чувствительны к влиянию дефектов решетки по сравнению со спектрами пропускания/отражения, так как источниками излучения для них является дефекты решетки.

4.3. Свет, рассеянный в пленке опала вперед и назад, имеет приблизительно равную интенсивность.

4.4. Дифракция света в решетке опала определяет структуру спектров однократно рассеянного вперед и назад света. С увеличением угла рассеяния растет вклад рассеяния высоких порядков.

4.5. Вероятность рассеяния в стоп-зоне увеличивается из-за уменьшения количества доступных для связи мод ФК. Ширина индикатрисы рассеяния является показателем рассеяния, т.е. количественной мерой прозрачности или опалес-центности пленок опала.

4.6. Пространственная анизотропия рассеяния определяется симметрией решетки опала.

4.7. Поляризационная анизотропия резонансов в спектрах рассеянного света повторяет поляризационную анизотропию баллистически распространяющегося света.

Глава 5. Предложены и исследованы фотонные гетеро-кристаллы.

5.1. В спектрах гетеро-кристалла суммируются дифракционные резонансы составляющих его фотонных кристаллов.

5.2. Перенос света в области перекрытия краев стоп-зон в гетеро-кристалле опала осуществляется с пониженной групповой скоростью.

5.3. На границе раздела кристаллов, составляющих гетеро-кристалл, происходит рассеяние света из-за частотного сдвига их ФЭС и соответствующего различия структуры мод одной и той же частоты. Рассеяние сглаживает дифракционные резонансы в спектрах гетеро-кристаллов при больших углах падения света и для плоскостей с большими индексами Миллера.

5.4. В гетеро-кристаллах интенсивность рассеянного вперед света уменьшается, а рассеянного назад-увеличивается.

5.5. В 3-слойных гетеро-кристаллах может происходить волноводное распространение света, поддерживаемое либо за счет увеличения показателя преломления внутреннего ФК вблизи его стоп-зоны, либо за счет формирования фо-тонно-кристаллического волновода между внешними брэгговскими зеркалами.

5.7. Предложены фотонные ловушки, механизм действия которых основан на рассеянии и удержании света у интерфейса в фотонном гетерокристалле. Глава 6. Фотонный кристалл модифицирует излучение источника света.

6.1. Интенсивность спонтанного излучения ослаблена дифракционными резо-нансами аналогично подавлению интенсивности света от внешнего источника.

6.2. Спонтанное излучение в стоп-зоне испытывает усиление, так как оно связанно с медленно распространяющимися неоднородными модами и/или локализованными модами дефектов.

6.3. Диаграмма излучения в пространстве определяется фокусировкой излучения на седловых точках изо-частотных контуров.

6.4. Излучение внутреннего источника в фотонном гетеро-кристалле рассеивается и усиливается на интерфейсе.

6.5. Локальное поле ФК оказывает стимулирующее влияние на спонтанное излучение источника, находящегося у поверхности ФК.

Глава 7. Предложены гибридные металло-диэлектрические кристаллы, состоящие из последовательно соединенных плазмонных и фотонных кристаллов.

7.1. Перенос света в фотонно-плазмонных кристаллах обеспечивают несколько резонансных механизмов - дифракционные резонансы в ФК, поверхностные плазмон-поляритоны в ПК, локализованные Ми резонансы металлических полусфер и Фабри-Перо резонансы пленочной структуры.

7.2. В гибридных плазмонно-фотонных кристаллах распределение поля неоднородно по сечению, так как поверхностные плазмон-поляритоны всегда локализованы у поверхности металла.

7.3. Изменяя архитектуру гибридных кристаллов, в частности, профилирование пленки металла (плоская или профилированная) или размерность ФК (2М плоский или ЗМ), можно в широких пределах изменять их оптические свойства, отдавая преимущество тому или иному механизму резонансного переноса света.

7.4. В области перекрытия блоховских мод фотонного и плазмонного кристаллов происходит их гибридизация. Можно достичь превалирования гибридных мод в оптических свойствах плазмонно-фотонного гибридного кристалла и открытия новых фотонных щелей, уменьшая объем ПФГК до размеров неоднородного слоя, в котором существуют эти моды, например, в плазмонном волноводе на основе монослоя сфер.

7.5. Оптические свойства ПФГК испытывают сильное изменение, если связь с континуумом мод внешнею пространства осуществляется с помощью резонансного устройства связи. Полоса резонансного пропускания в стоп-зоне опала была получена путем формирования внешнего резонатора у его поверхности.

Основное содержание диссертации изложено в следующих работах:

в. Избранные главы в книгах

[в1]. V. Bogomolov, Y. Kumzerov, S.G. Romanov. Fabrication of three-dimensional superlattices of nanostructures, in "Physics of Ncmostructures" eds. J.H. Davies and A.R. Long, IOP Publishing, Bristol, pp.317-321, 1992

[в2]. S.G.Romanov, C.M.Sotomayor Torres, Three-Dimensional Lattices of Nanostructures - Template Approach. In "Handbook of Nanostructwed Materials and Technology", ed. H.S. Nalwa, Acad. Press, v.4, ch.4, pp.231-323, 2000

[вЗ]. S. G. Romanov, N. Gaponik, A. Eychmüller, A.L. Rogach, V. G. Solovyev, D.N. Chigrin, С. M. Sotomayor Torres, Light emitting opal-based photonic crystal heterojunc-tions, in "Photonic Crystals" eds. K. Busch, S.Lölkes, R. Wehrspohn, H. Foil, Wiley-VCH, Weinheim, pp. 132-152, 2004

[в4]. S.G. Romanov, Optical characterization of opal photonic hetero-crystals, in "Frontiers of Multifunctional Integrated Nanosystcms" eds. E. Buzaneva and P. Scharff, Kluwer Acad. Publ., pp.309-330,2004

[в5]. S G. Romanov and U. Peschel, Emission of semiconductor nanocrystals in photonic crystal environment, in "Nanocrystals", ed. Y. Masuda, SCIYO, Rijeka, ISBN 978-953-307-126-8, pp.65-107, 2010

[вб]. S. G. Romanov, Hybrid Metal-Dielectric Plasmonic-Photonic Crystals on Colloidal Platforms, in "Optical properties of photonic structures: interplay of order and disorder", eds. M. Limonov and R. De La Rue, Taylor & Francis, ch.8, pp. 471-488,2012

а. Избранные статьи в рецензируемых журналах

[а1]. В.Г. Балакирев, В.Н. Богомолов, В.В. Журавлев, Ю.А. Кумзеров, В.П. Пет-рановский, С.Г. Романов, JI.A. Самойлович, Трехмерные сверхрешетки в матрицах опалов, Кристагчография. 38, 111-120 (1993)

[а2]. S.G. Romanov, A.V.Fokin, V.V.Tretiakov, V.Y.Butko, V.I.AIperovich, N.P.Johnson, C.M.Sotomayor Torres. Optical properties of ordered 3-dimensional arrays of structurally confined semiconductors. J.Ciyst.Growth, 159, 857-860 (1996) [аЗ]. С.Г.Романов, А.В.Фокин, В.Ю.Бутко, В.В.Третьяков, С.М.Самойлович, К.М.С. Торрес, О возможности управления оптическими свойствами трехмерных "мягких" фотонных кристаллов на основе опалов, ФТТ, 38, 3347-3360 (1996) [а4]. S.G. Romanov, N.P. Johnson, Н.М. Yates, М.Е. Pemble, V.Y. Butko, C.M. So-tomayor Torres, Enhancement of the photonic band gap in opals coated with semiconductor monolayers, Appl. Phys. Lett., 70, 2091-2093 (1997)

[a5]. S.G. Romanov, 3-Dimensional Photonic Crystals at Optical Wavelengths, J. Nonlinear Optical Physics & Materials, 7, 181 -200, (1998)

[аб]. S.G. Romanov, A.V. Fokin, Н.М. Yates, M.E.Pemble, N.P. Johnson, R.M De La Rue, Opal-based composites as photonic crystals, IEE-proceedings Optoelectronics, 147, 138-144 (2000)

[a7]. S.G. Romanov, A.V. Fokin, RM. De La Rue, Anisotropied Photoluminescence in Incomplete 3-Dimensional Photonic Bandgap Environment, Appl. Phys. Lett., 74, 1821-1823(1999)

[a8]. S.G. Romanov, T. Maka, C.M.S. Torres, M. Müller, R. Zentel, Emission properties of dye-polymer-opal photonic crystals, J. Lightwave Techno!., 17,2121-2127 (1999) [a9]. S. G. Romanov, A.V. Fokin, R. M. De La Rue, Euu Emission in an Anisotropic Photonic Bandgap Environment. Appl. Phys. Lett., 76, 1656-1658 (2000) [alO]. M.Müller, R.Zentel, T.Maka, S. G. Romanov, C.M.S. Torres, Dye-Containing Polymer Beads as Photonic Crystals, Chem. Materials, 12, 2508-2512 (2000) [al 1]. S. G. Romanov, H. M. Yates, M. E. Pemble, R. M De La Rue, Opal-Based Photonic Crystal with Double Photonic Bandgap Structure, ./. Phys.: Cond. Matter., 12, 8221-8229 (2000)

[al2]. S. G. Romanov, T. Maka, C.M. Sotomayor Torres, M. Müller, R. Zentel, Thin Film Photonic Crystals, Synthetic Metals, 116,475-479(2001)

[а13]. M. Müller, R. Zentel, T. Maka , S. G. Romanov , С. M. S. Torres, Photonic Crystal Films with High Refractive Index Contrast, Adv. Mater., 12, 1499-1503 (2000) [a 14]. S. G. Romanov, T. Maka, , С. M. Sotomayor Torres M. Müller, R. Zentel, D. Cassagne, J. Manzanares-Martinez, C. Jouanin, Diffraction of Light from Thin Film PMMA Opaline Photonic Crystals, Phys. Rev. E, 63, 056603-1-5 (2001)

[а15]. S. G. Romanov, Т. Мака, С. M. S. Torres, M. Muller, R. Zentel, Suppression of spontaneous emission in incomplete opaline photonic crystals, J.Appl.Phys., 91, 9426-9428(2002)

[a 16]. S. G. Romanov, D. N. Chigrin, V. G. Solovyev, Т. Мака, N. Gaponik, A. Ey-chmuller, A. L. Rogach, С. M. Sotomayor Torres, Light emission in a directional photonic bandgap, phys. stat. sol. (a), 197, 662-672 (2003)

[а17]. С.Г.Гоманов, А.В.Фокин, Изменение спонтанного излучения встоп-зоне опала с увеличенным контрастом показателя преломления, ФТТ, 45, 419-423 (2003) [а 18]. М. Egen, R. Voss, В. Griesebock, R. Zentel, S. Romanov, C. S. Torres, Hetero-slructures of polymer photonic crystal films, Chum. Materials, 15, 3786-3792 (2003) [a 19]. S. G. Romanov. D.N. Chigrin, С. M. Sotomayor Torres, N. Gaponik, A. Ey-chnuiller. A. I.. Rogach. Emission slimiilalion in a directional bandgap of a CdTe-loaded opal photonic ciy slal. Phys. Rev. E. 69, 046606-1-4 (2004)

|л20]. N. Gaponik. A. Eychmiiller. A.L. Rogach, V.G. Solovyev, C.M. Sotomayor Tones. S. (i. Romanov. Siruciure-related optical properties of luminescent hetero-opals, J. Appl. Phys., 95, 1029-1035 (2004)

[a2l], S.G. Romanov, C.M. Sotomayor Tones, Forward scattering of light in thin opal films, Phys. Rev. E, 69, 046611-1-6 (2004)

[а22]. P. T. Miclea Z. Liang, A. S. Susha, F. Caruso, С. M. Sotomayor Torres, S. G. Romanov, Reflectivity behaviour of opals of gold nanoparticles coated spheres, Appl. Phys. Let!., 84, 3960-3962 (2004)

[а23]. С. Г. Романов, Структура спектров рассеяния в фотонных кристаллах на основе опала, Письма в ЖЭТФ, 79, 751-756 (2004)

[а24]. D. Wang, J. Li, С. Т. Chan, V.A. Salgueirino-Maceira, L. M. Liz-Marzan, S. Romanov, F. Caruso, Optical Properties of Nanoparticle-Based Metallodielectric Inverse Opals, Small, 1, 122-130 (2005)

[a25], S.G. Romanov, Direct and Indirect Control upon the Photonic Band Gap Dispersion in Opals Coated with Gold Nanoparticles, FuUerenes, Nanotuhes and Carbon Nanostmctures, 13, 319-329, Suppl. 1 (2005)

[a26], S. G. Romanov, A. S. Susha, С. M. Sotomayor Torres, Z. Liang, F. Caruso, Surface plasmon resonance in gold nanoparticle infiltrated dielectric opals, J. Appl. Phys., 97, 086103-1-3 (2005)

[а27]. S. G. Romanov, С. M. Sotomayor Torres, J. Ye, R. Zentel, Light propagation in triple-film hetero-opals, Progress Solid State Chemistry, 33,279-286 (2005) [a28], S.G. Romanov, C.M. S. Torres, M.Egen, R.Zentel, Light scattering in opal hetero-junction, Photonics & Nanostmctures - Fundamentals & Applications, 4, 59-68 (2006) [а29]. С. Г. Романов, Анизотропия распространения света в тонких пленках опалов, ФТТ, 52,495-504 (2007)

[аЗО]. S.G. Romanov, М. Bardosova, М. Pemble, C.M. Sotomayor Torres, (2+1)-dimensional photonic crystals from Langmuir-Blodgett colloidal multilayers, Appl. Phvs. Lett., 89,43105-1-3(2006)

[a31]. S.G. Romanov, M. Bardosova, D.E. Whitehead, I. Povey, M. Pemble, C.M. Sotomayor Torres, Erasing diffraction orders - opal versus Langmuir-Blodgett colloidal crystals, Appl. Phys. Lett., 90, 133101-1-3 (2007)

[a32]. W. Khunsin, S. G. Romanov, С. M. Sotomayor Torres, J. Ye, R. Zentel, Optical transmission in triple-film hetero-opals, J. Appl. Phys., 104, 013527-1-8 (2008) [аЗЗ]. S.G. Romanov, Anisotropy of weak light scattering in thin opal films, J. Appl. Phys., 103, 093117-1-9 (2008)

[a34], S.G. Romanov, M. Bardosova, I. Povey, M. Pemble, C.M. Sotomayor Torres, Understanding of transmission in the range of high-order photonic bands in thin opal film, Appl. Phys. Lett., 92, 191106-1-3 (2008)

[a35]. W. Khunsin, G. Kocher, S. G. Romanov, С. M. Sotomayor Torres, Quantitative analysis of lattice ordering in thin film opal-based photonic crystals, Adv. Funct. Mater., 18, 2471-2479 (2008)

[a36]. W. Khunsin, M. Scharrer, L. K. Aagesen, M. A. Anderson, R. P. H. Chang, С. M. Sotomayor Torres, S. G. Romanov, Resonance amplification of defect emission in ZnO-inverted opal, Optics Letters, 34, 1519-1521 (2009)

[а37]. С.Г. Романов, M. Bardosova, Поляризационная анизотропия оптического пропускания в опалах и Лэнгмюр—Блоджетт-кристаллах, ФТТ, 52,495-504 (2010) [а38]. С.Г. Романов, Особенности поляризационной анизотропии в оптическом отражении и пропускании коллоидных фотонных кристаллов, ФТТ, 52, 788-798 (2010)

[а39]. В. Ding, М. Bardosova, I. Povey, М. Е. Pemble, S.G. Romanov, Engineered light scattering in colloidal photonic heterocrystals, Adv. Funct. Mater., 20, 853-860 (2010)

[а40]. В. Ding, М. Е. Pemblc, А. V. Korovin, U.Peschel, S.G. Romanov, 3-dimensional photonic crystals with active surface - gold film-terminated opals, Phys. Rev. B, 82, 035119-1-9(2010)

[a41 ]. S. G. Romanov, U. Peschel, M. Bardosova, S. Essig, K. Busch, Suppression of the critical angle of diffraction in thin film colloidal photonic crystals, Phys. Rev. B, 82 115403-1-11 (2010)

[a42]. A. S. Romanova, A.V. Korovin, С. Г. Романов, Опалы с.тонкопленочным металлическим дефектом - гибридные коллоидные плазмонно-фотонные кристаллы, ФТТ, 53,1097-1105 (2011)

[а43]. S. G. Romanov, A. Regcnsburger, А. V, Korovin, U. Peschel, Hybrid colloidal plasmoiiic photonic crystals. Adv. Mater., 23 2515-2533 (2011)

|a44|. B. Ding. M. Baido.sova. M. E. Pemblc, A.V. Korovin, U. Peschel, S. G. Romanov, Broadband omnidirectional light diversion in hybrid plasmonic-photonic crystals, Ad\>. Гипс. Muter.. 21.41S2-4I92 (2011)

(a45|. W. Khuibiii. A. Amann. (i. Kocher, S. G. Romanov, S. Pullteap, H. C. Seat, E. P. O'Reilly, R. Zenlel, С. M. Sotomayor Tones, Noise-assisted crystallization of opal films, Adv. Fane. Mater.. 22, 1812-1821 (2012)

[a46]. S.G. Romanov, S. Orlov, A. V. Korovin, G. P. Chuiko, A. Regensburger, A.

5. Romanova, A. Kricsch, U. Peschel, Probing guided modes in a monolayer colloidal crystal on a flat metal film, Phys. Rev. B, DOI: 10.1103/PhysRevB.00.005100 (2012)

[а47]. A.C. Романова, А.В. Коровин, С.Г. Романов, Влияние размерности на спектры гибридных плазмонно-фотонных кристаллов, ФТТ, в печати (2013)

6. Избранные статьи в сборниках трудов конференций

[61]. S.G. Romanov, S. Orlov, А. V. Korovin, О. Zhuromskyy, U. Peschel, N. Vogel, К. Landfester, С. К. Weiss, Interplay of Mie and Bragg resonances in partly ordered monolayers of colloidal particles, Proe. SPIE, cds. H.R. Miguez, S.G. Romanov, L.C. Andreani, C. Seassal, 8425, 84250M-1-12 (2012)

[62]. S. G. Romanov, A. V. Korovin, M. R. Bahrami, U. Peschel, Hybrid architectures -enabling 4-dimensional plasmonic-photonic crystals, Proc. SPIE, eds. H.R. Miguez, S.G. Romanov, L.C. Andreani, C. Seassal, 8425, 842514-1-9 (2012)

[63]. J. Küchenmeister, С. Wolff, К. Busch, U. Peschel, S. G. Romanov, Cross-polarization coupling - an abandoned property of 3-dimensional photonic crystals, Proc. Metamaterials 2012 — 6'1' Int. Congr. on Advanced Electromagnetic Materials in Microwaves and Optics, 621 -623 (2012)

[64]. S. G. Romanov, S. Orlov, A. V. Korovin, U. Peschel, N. Vogel, К. Landfester, С. К. Weiss, Light transport in ordered and randomized photonic-plasmonic hybrid crystals, Proc. Metamaterials 2012 - 6'h Int. Congr. on Advanced Electromagnetic Materials in Microwaves and Optics, 621 -623 (2012)

Цитируемая литература

1 В.П. Быков, Спонтанное излучение в периодической структуре, ЖЭТФ, 62, №2, 505-513 (1972)

2 Е. Yablonovitch, Inhibited spontaneous emission in solid-state physics and electronics, Phys. Rev. Lett., 58, 2059-2062 (1987)

3 S. John, Strong localization of photons in certain disordered dielectric superlat-tices, Phys. Rev. Lett., 58, 2486-2489 (1987)

4 В.Н.Богомолов, Жидкости в ультратонких каналах, УФН, 124, 77 (1972)

5 J. V. Sanders, Nature, Colour of precious opal, No.4964, 1151-1153 (1964)

6 B.H. Богомолов, B.B. Журавлев, А.И. Задорожний, Е.В.Колла, Ю.А. Кум-зеров, Вольт-амперные характеристики регулярной системы слабосвязанных сверхпроводящих частиц, Письма в ЖЭТФ, 36, 298-300 (1982)

7 V.N. Astratov, V.N. Bogomolov, A.A. Kaplyanskii, A.V. Prokofiev, L.A. Samoilovich, S.M. Samoilovich, Yu.A. Vlasov, Optical Spectroscopy of Opal Matrices with CdS Embedded in its Pores: Quantum Confinement and Photonic Band Gap Effects, II Nu ovo Cimento, 17D, 1349-1354 (1995)

Подписано в печать 10.12.2012. Формат 60x84/16. Печать цифровая. Усл. печ. л. 2,0. Тираж 100. Заказ 10079Ь.

Отпечатано с готового оригинал-макета, предоставленного автором, в типографии Издательства Политехнического университета. 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29. Тел.:(812)550-40-14 Тел./факс: (812)297-57-76

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ им. А.Ф. ИОФФЕ Российской академии наук

На правах рукописи

Романов Сергей Геннадьевич

РАСПРОСТРАНЕНИЕ СВЕТА В НЕОДНОРОДНЫХ КОЛЛОИДНЫХ

ФОТОННЫХ КРИСТАЛЛАХ

(специальность 01.04.07 физика конденсированного состояния)

Диссертация

на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Санкт-Петербург 2012

Оглавление

Введение..............................................................................................................- 7 -

Общая характеристика работы..........................................................................- 15 -

Глава 1. Фотонные кристаллы...........................................................................- 24 -

1.1. Свойства фотонных кристаллов..................................................................- 24 -

1.2. Метод разложения по плоским волнам......................................................- 27 -

1.3. Методы матриц передач и матриц рассеяния............................................-301.4. Направленность распространения света в фотонном кристалле...............- 33 -

1.5. Обзор основных методов приготовления 3-мерных фотонных

кристаллов...................................................................................- 36 -

Глава 2. Приготовление тонкопленочных коллоидных кристаллов и структур на их основе.............................................................................................................- 40

2.1. Введение.......................................................................................................- 40

2.2. Кристаллизация пленок опалов..................................................................-41

2.3. Коллоидная кристаллизация в условиях механических вибраций...........-47

2.4. Сравнительный анализ поверхности пленок опала с различной степенью кристалличности- 65 -

2.4.1. Фурье анализ СЭМ изображений решетки сфер на поверхности опала.-50-

2.4.2. Модель сфер-антиподов...........................................................-532.5. Дифракция излучения как метод исследования структуры образца........-57

2.5.1. Дифракция света на решетке опала.............................................-582.5.2. Пространственное упорядочение решетки опала............................-602.6. Интерпретация роли шумовой активации в упорядочении решетки........- 50

2.7. Приготовление композитных опалов.........................................................-68

2.7.1. Газофазный синтез....................................................................................- 69

2.7.2. Заполнение полостей опалов смачивающими жидкостями....................- 72

2.7.3. Жидкофазный синтез полупроводников в полостях опала....................-74

2.7.4. Модификация сфер опала.........................................................................- 76

2.7.5. Металло-органический синтез полупроводников в опалах (МОСУЕ))..- 77

2.7.6. Техника контролируемого введения наночастиц в опалы.....................- 79

2.8. Приготовление инвертированных опалов..................................................- 82

2.8.1. Приготовление ТЮг-опала методом жидкофазной реакции..................- 82

2.8.2. Приготовление БпБг-опала газофазной реакцией...................................- 84

2.8.3. Приготовление ZnO-опала молекулярным наслаиванием......................- 87

2.9. Приготовление коллоидных кристаллов методом Лэнгмюра-Блоджетт..- 88

2.10. Приготовление фотонных гетерокристаллов...........................................-93

2.10.1. Гетерокристаллы на основе разницы показателя преломления .........-94

2.10.1. Фотонные гетерокристаллы на основе разницы диаметров сфер........-94

2.11. Приготовление гибридных металло-диэлектрических кристаллов........-97

2.11.1. Гибридные кристаллы на плоской металлической пленке...................- 97

2.11.2. Гибридные кристаллы с профилированной металлической пленкой ..-98

2.11.3. Гибридные гетеро-кристаллы................................................................- 99

2.12. Разупорядоченные монослои сфер.........................................................- 100

Основные результаты.......................................................................................- 101

Глава 3. Распространение света в токопленочных самоорганизующихся и

принудительно собранных коллоидных кристаллах......................................-103

3.1. Методика измерения спектров пропускания и отражения......................- 103

3.2 Сравнение спектров слабоупорядоченных объемных опалов и упорядоченных пленок опала..........................................................................-109

3.3. Зависимость спектров опала от направления распространения и поляризации света............................................................................................- 112

3.4. Брэгговское приближение к описанию резонансов в спектрах опалов..- 117

3.5. Дисперсия резонансов в TLKLUX- и TLW-сечениях зоны Бриллюэна решетки опала....................................................................................................- 118 -

3.6. Сходство спектров пропускания однослойных и многослойных коллоидных кристаллов........................................................................................................- 124

3.7. Монослой сфер - от Ми резонансов к дифракционным резонансам......- 132

3.8 Спектры пропускания опала и фотонная энергетическая структура......- 140

3.9. Параметры резонансов в спектрах пропускания токопленочного опала..-143

3.10. Поляризационная анизотропия оптического отклика............................- 148

3.10.1. Поляризационная анизотропия резонансов в отражении ................- 150

3.10.2. Поляризационная анизотропия резонансов в пропускании................- 155

3.10.3. Спектрально-угловвая зависимостьполяризационной анизотропии..- 158

3.10.4. Неприменимость 1-мерной модели к описанию поляризационной

анизотропии......................................................................................................- 161 -

3.10.5. Критический угол дифракции в коллоидных кристаллах...................- 162 -

3.11. Смешивание поляризаций света в опале................................................- 165 -

3.12. Азимутальная зависимость резонансов в пропускании опалов...........- 171 -

3.13. Азимутальная симметрия спектров пропускания пленок опала...........- 173 -

Основные результаты.......................................................................................- 180 -

Глава 4. Рассеяние света в пленочных опалах................................................- 182 -

4.1. Введение.....................................................................................................- 182 -

4.2. Методика измерений................................................................................- 188 -

4.3. Упорядоченность решетки опала и спектр рассеяния вперед.................- 189 -

4.4. Спектры рассеяния вперед и назад при нормальном падении света на пленку ...........................................................................................................................- 191 -

4.5. Особенности рассеяния назад...................................................................- 197 -

4.6. Вероятность рассеяния..............................................................................- 199 -

4.7. Индикатрисы рассеяния............................................................................- 204 -

4.8. Азимутальная анизотропия спектров рассеяния вперед..........................- 209 -

4.9. Рассеяние наклонно-падающего луча.......................................................- 211 -

Основные результаты.......................................................................................- 216 -

Глава 5. Распространение света в гетерогенных фотонных кристаллах.......- 217 -

5.1. Введение.....................................................................................................- 217 -

5.2. Фотонные гетерокристаллы на основе разницы показателя преломления ...........................................................................................................................- 220 -

5.3. Фотонные гетерокристаллы на основе разницы параметра решетки.....- 223 -

5.3.1 Двухслойные фотонные гетерокристаллы на основе пленок опалов ...- 223 -

5.3.2. 2-мерная модель гетеро-кристалла......................................................- 226 -

5.3.3. Рассеяние света в двухслойных фотонных гетерокристаллах..............- 228 -

5.4. Трехслойные фотонные гетерокристаллы................................................- 232 -

5.5. Спектроскопия рассеянного в 3-слойных гетерокристаллах света.........- 241 -

5.6. Потери света в фотонных гетерокристаллах............................................- 246 -

5.6.1. Потери в 3-слойном фотонном гетерокристалле..................................- 246 -

5.6.2. Потери в 2-слойном фотонном гетерокристалле, составленном из опала и

Лангмюра-Блоджетт кристалла.......................................................................-248

Основные результаты.......................................................................................- 255

Глава 6. Излучение источника света в фотонном кристалле опала...............- 256

6.1 Свойства излучающих систем на основе фотонных кристаллов.............- 256

6.2. Методика измерения фотолюминесценции..............................................- 261

6.3. Подавление спонтанного излучения широкополосного источника в

объемном опале................................................................................................- 262

6.4 Усиление спонтанного излучения в объемных опалах.............................- 265

6.5. Фотолюминесценция в объемных опалах с повышенным контрастом показателя преломления..................................................................................- 267

6.6. Модификация излучения узкополосного источника в объемном опале.- 270

6.7. Излучение нанокристаллов СсГГе из тонкой пленки опала.....................-271

6.7.1. Спонтанное излучение из пленок опалов..............................................- 271

6.7.2. Усиление спонтанного излучения.........................................................- 274

6.7.3. Усиление за счет медленных мод..........................................................- 277

6.7.4. Усиление за счет локализованных мод дефектов.................................- 279

6.7.5. Индикатриса излучения..........................................................................- 284

6.7.6. Усиленное излучение н/к СёТе в ТЮг инвертированных опалах........- 286

6.7.7 Излучение н/к СсГГе в гетеро-опалах......................................................- 289

6.8. Особенности излучения в инвертированных опалах.........................-296

6.8.1. Спектры излучение красителя в 8п8г инвертированном опале............- 296

6.8.2. Фокусировка излучения в БпЗг инвертированном опале......................- 300

6.9. Модификация излучения в инвертированных ХъО- опалах....................- 305

6.9.1. Спектры пропускания и фотолюминесценции......................................- 305

6.9.2. Усиление спонтанного излучения кислородных дефектов в ZnO-инвертированных опалах.................................................................................- 308

6.9.3. Излучение в области межзонных переходов в ZnO........................-311

6.10. Влияние локального поля вблизи поверхности коллоидных кристаллов на излучение нанокристаллов СёТе.....................................................................-313

6.10.1. Спектры фотолюминесценции сэндвич-структур...............................- 314

6.10.2. Индикатриса излучения........................................................................- 318

б.10.3. Формирование индикатрисы излучения..............................................- 320

Основные результаты.......................................................................................- 322

Глава 7. Гибридные металлодиэлектрические коллоидные фотонно-плазмонные кристаллы.........................................................................................................-323

7.1. 2-мерные тонкие фотонные кристаллы на пленке металла.....................- 330

7.2. 3-мерные фотонные кристаллы на пленке металла.................................- 338

7.3. Пленка металла на 2-мерном тонком фотонном кристалле....................- 348

7.4. Пленка металла на 3-мерном фотонном кристалле.................................- 355

7.5. Плазмонно-фотонный волновод..................................................-3637.6. Потери света в плазмонно-фотонном гетерокристалле......................-366-

Основные результаты.......................................................................................- 368

Общее заключение...........................................................................................- 370

ЛИТЕРАТУРА..................................................................................................- 373

в. Главы соискателя в книгах...........................................................-375-

б. Статьи соискателя в сборниках трудов конференций...........................-384т. Избранные тезисы конференций.....................................................-390-

Список использованной литературы...................................................-391-

Введение

В современной физике твердого тела большое внимание уделяется как структурам с пониженной размерностью так и ансамблям таких структур. Доказав свою продуктивность в области электроники, этот подход распространился на классическую оптику и привел к формированию во второй половине 20 века области науки, называемой фотоникой. Общепризнано, что в 21 веке именно фотоника будет двигателем научно-технического прогресса в области средств коммуникации и информационных технологий.

Взаимодействие электромагнитного (ЭМ) поля с заряженными частицами твердых тел приводит к проявлению веществом диэлектрических и магнитных свойств. Принимая во внимание огромную разницу между характерными размерами атомов и молекул (от доли нанометра) и длиной волны в оптическом диапазоне (до тысяч нанометров), в оптике принято описывать взаимодействие поля и вещества в приближении однородной эффективной среды. Если же пространственные размеры структур оказываются сопоставимыми с длиной световой волны, то проявляется резонансный характер взаимодействие поля и вещества, определяемый зависимостью диэлектрической и магнитной проницаемости от геометрических параметров структуры. Так возникли концепции фотонных кристаллов (ФК) и метаматериалов. Совместно с наноплазмоникой эти направления составляют ядро современной нанофотоники. В дальнейшем, наше обсуждение будет сфокусировано на ФК, функциональность которых не зависит от магнитных свойств среды.

Свое название ФК получили по аналогии их архитектуры с обычными атомными кристаллами. «Фотонными атомами» (ФА) являются структурные элементы с оптическими свойствами, резко отличающимися от остальной среды. Это могут быть воздушные полости в толще однородного сплошного материала или, наоборот, частицы из материалов с большим показателем преломления (ПП), упакованные периодическим образом в среде с меньшим показателем преломления. Резонансные свойства ФК проявляются в области длин волн, соизмеримых с периодом пространственной решетки ФА.

Классическим примером ФА является диэлектрическая сфера, имеющая резонансный отклик при освещении ее ЭМ волной. Эти резонансы, называемые

1 2

резонансами Ми [ , ], имеют топологию, схожую с электронными орбиталями атома. Причем характерный размер возбуждения соизмерим с ФА. Существенным различием атомов и ФА является слабая локализация Ми резонансов с малыми «квантовыми числами» в противоположность сильной локализации электронов на нижних орбиталях. При объединении ФА в решетку из Ми резонансов формируются зоны, разрешенные для распространения света. Так формируется фотонная энергетическая структура (ФЭС), неотъемлемым свойством которой являются запрещенные для распространения фотонов области спектра, называемые фотонными щелями (ФЩ). В зависимости от контраста показателя преломления ФА со средой ФЩ может быть или всенаправленной, т.е. независящей от направления падения света на ФК, или проявляться только в определенном направлении. В последнем случае ФЩ называют стоп-зоной. ФЩ является полной, если плотность оптических мод в ее пределах равна нулю, что возможно только в ФК неограниченного размера.

Энергетический спектр фотонов в ФК сходен не только со спектром электронов в твердых телах, но, например, и со спектром фононов в атомных решетках. А явления, связанные с распространением света в ФК, подобны акусто-оптической дифракции в жидкостях и твердых телах, дифракции рентгеновских лучей, электронов и нейтронов в атомных кристаллах и частотной селекции света в многослойных оптических фильтрах. Общие признаки этих явлений распространение возбуждений в виде блоховских волн и существование специфических диапазонов частот и/или направлений, в которых соответствующие коллективные возбуждения не могут распространяться вследствие трансляционной симметрии структуры.

Необходимо, однако, понимать ограниченность аналогии фотонных и атомных кристаллов. Если длина ЭМ волны существенно больше размера ФА, то ФК для такой волны является однородной средой, если много меньше - то распространение волны определяется законами геометрической оптики, а Ми резонансы плоской волной не возбуждаются из-за сильной их локализации на сфере. Еще одним принципиальным различием является то, что транспорт электронов межатомной средой не поддерживается, в отличие от распространения фотонов. Добавив к этим различиям тот факт, что фотоны заполняют все разре-

шенные по энергии состояния, не имея аналога уровню Ферми, становиться понятным, почему явления в ФК смогли составить обособленный раздел науки. В частности, широко распространенное определение ФК как полупроводников для света ведет к неадекватному представлению о механизме преобразования потока света в ФК. Некоторые важные для дальнейшего изложения сравнитель-

ные свойства атомных и фотонных кристаллов приведены в Таблице 1.

Таблица 0-1. Сравнение некоторых свойств атомных и фотонных кристаллов

Атом Фотонный атом

Электронная орбиталь (реальный объект) Ми резонанс (виртуальный объект)

Атомный кристалл Фотонный кристалл

Скалярное уравнение Шредингера Векторные уравнения Максвелла

Модель свободных электронов (бло-ховские моды) Суперпозиция падающих и рассеянных плоских волн (блоховские моды)

Модель сильно-связанных электронов (гибридизация электронных орбита-лей) Модель связанных резонаторов (гибридизация Ми резонансов)

Зонная энергетическая структура (зоны заполнены до уровня Ферми) Фотонная энергетическая структура (все разрешенные зоны заполнены)

Зонная проводимость (среда не поддерживает движение электронов) Зонная проводимость (среда поддерживает распространение фотонов)

Аморфные материалы Неупорядоченные ансамбли

Прыжковая проводимость (затухает с расстоянием между атомами) Прыжковая проводимость (затухает с расстоянием между фотонными атомами)

К!• • • • • (д)

И1 ШЕ>

5г Шт^г ШШРг • • • •

Рис.1, (а,б,в) Схематики 1-мерного (1М), 2М и ЗМ ФК, соответственно. Разным тоном выделены составляющие ФК структурные элементы с различным ПЛ. (г) Дифракция падающего света (широкая стрелка с�