Синтез и свойства оптических композитов с наноразмерными частицами диоксида ванадия

• Автор: Хрущева, Татьяна Александровна
• Шифр специальности: 01.04.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2010
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 175 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение
Глава 1. Современные представления об оптике фазового перехода полупроводник-металл в диоксиде ванадия
1.1. Фазовый переход полупроводник-металл в диоксиде ванадия
1.2. Современные представления о механизме фазового перехода полупроводник-металл в диоксиде ванадия
1.3. Оптические свойства диоксида ванадия
1.3.1. Зонная схема и оптические спектры диоксида ванадия
1.3.2. Оптические свойства пленок диоксида ванадия и их применение
1.4. Оптические свойства композитов с наноструктурированным диоксидом
ванадия
Глава 2. Синтез оптических композитов с наночастицами оксидов ванадия
2.1. Метод получения и оптические свойства матрицы нанокомпозитов 57'
2.2. Метод получения нанокристаллов пентаоксида ванадия в нанопористых стеклах
2.3. Методы получения нанокристаллов диоксида ванадия в нанопористых стеклах
2.3.1. Получение нанокристаллов диоксида ванадия методом восстановления наночастиц пентаоксида ванадия
2.3.2. Лазерная модификация состава наночастиц оксидов ванадия в
нанопористых стеклах
Глава 3. Фазовый переход полупроводник-металл в нанокристаллах диоксида ванадия
3.1. Оптические свойства нанокристаллов диоксида ванадия вблизи фазового перехода полупроводник-металл
3.2. Формирование петли температурного гистерезиса оптических свойств нанокристаллитов диоксида ванадия
3.3. Электронные процессы в нанокристаллитах диоксида ванадия вблизи
фазового перехода полупроводник-металл
Глава 4. Нелинейно-оптические свойства оптических композитов с наночастицами диоксида ванадия
4.1. Методика эксперимента
4.2. Нелинейно-оптический отклик нанопористых стекол с наночастицами оксидов ванадия
4.3. Анализ вклада светоиндуцированного рассеяния и плазмонного резонанса в нелинейно-оптический отклик
4.4. Возможные области применения оптических композитов на основе
пористых стекол с наночастицами оксидов ванадия
Заключение
Библиографический список
Приложения
Приложение 1. Программа расчета петли температурного гистерезиса
оптических свойств композитов с нанокристаллитами диоксида ванадия
Приложение 2. Алгоритм программы расчета процессов само дефокусировки в композитных материалах с наночастицами диоксида ванадия
ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Исследования фазового перехода полупроводник-металл (ФППМ) в диоксиде ванадия занимают в последнее время одно из центральных мест в физике конденсированного состояния. Особое внимание при этом уделяется изучению оптических свойств вещества вблизи перехода. Научный интерес здесь состоит в возможностях установления механизмов перехода в системе с сильными межэлектронными и электрон-фононными корреляциями, а в практическом плане - использовании его характеристик для создания оптоэлектронных устройств. К настоящему времени показаны возможности, которые открывают для этого поликристаллические пленки диоксида ванадия. Характеристики ФППМ в них могут быть использованы для создания эффективных ограничителей мощных световых потоков и элементов оптической памяти. Однако пленки обладают рядом недостатков, в том числе высоким коэффициентом поглощения в полупроводниковой фазе, узким диапазоном возможного варьирования толщины, высокотемпературным характером методов получения, необходимостью создания интерференционных структур. Указанные недостатки могут быть в значительной степени устранены при использовании композитного материала с наноструктурированным диоксидом ванадия (УСЬ). Характеристиками таких сред можно управлять в широких пределах посредством изменения концентрации, размера и состава наночастиц, а также показателя преломления прозрачной среды. Существенной для приборного применения в оптике и лазерной технике является и возможность создания толстых образцов нанокомпозитов.
Особенностью оптических свойств прозрачной среды с наночастицами, с точки зрения модуляции излучения, является то, что кроме изменения показателя преломления и поглощения, в ней может происходить светоиндуцированное изменение рассеяния. В металлических наночастицах может происходить увеличение эффективной нелинейной восприимчивости за счет, локального усиления поля в условиях плазмонного резонанса. Благодаря

1) 7г*-зона поднимается над уровнем Ферми на 0.5 эВ и опустошается, причем бц остается наполовину заполненной;
2) перекрывание с/ц - орбиталей в соседних октаэдрах ведет вслед за подъемом л* к спариванию ионов V вдоль рутильной (тетрагональной) оси, что соответствует удвоению в этом направлении периода элементарной ячейки и приводит расщеплению бп-зоны на равные по ширине верхнюю и нижнюю хаббардовские подзоны. Верхняя подзона оказывается на 2.5 эВ выше нижней [34], а поскольку число уровней в подзонах в результате расщепления не увеличивается, то нижняя подзона оказывается полностью заполненной электронами. Образование пар У-У сопровождается У-О «твистованием», то есть смещением атомов ванадия вдоль вертикальной оси тетраэдрической бипирамиды в направлении, перпендикулярном рутильной оси оси сг.
С целью выявления роли каждой из компонент моноклинного искажения тетраэдрической структуры рутила: «твистования» и «спаривания», были проведены расчеты в рамках кластерной модели [34]. Введение «твистования» показало, что уровень с1х2_у2 оказывается нижним заполненным уровнем, а уровни вырожденных бХ2 и с1У2 - орбиталей перемещаются вверх по энергии от положения бх2_у2, причем их вырождение снимается: уровни бХ2 и бу2 раздвигаются по энергии и оказываются расположенными, соответственно, на 0.21 эВ (бХ2) выше с1ху и еще на 0.26 эВ выше (с1у/). Таким образом, расчеты полностью подтвердили качественные рассуждения Гуденафа.
Далее вопрос сводится к тому, достаточна ли для объяснения свойств полупроводниковой фазы У02 полученная в расчетах величина расщепления. Величина 0.5 эВ приближается к экспериментальному значению ширины запрещенной зоны У02, но это значение получено для кластерной модели в приближении бесконечно узких разрешенных энергетических зон. В то же время оптические измерения [35] показали, что ширина разрешенных зон составляет ~ 1+2 эВ. Попытка перехода к бесконечному кристаллу показала, что учет наличия ненулевой ширины разрешенных зон либо приводит к