Синтез, структура и дифракционные свойства фотонных кристаллов на основе опалов и инвертированных опалов

• Автор: Синицкий, Александр Сергеевич
• Шифр специальности: 02.00.21
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2008
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 144 с. : ил.

Содержание
Содержание.

Список условных обозначений

. Введение

2. Обзор литературы

2.1. Фотонные кристаллы и фотонные запрещенные зоны.

2.2. Основные методы синтеза фотонных кристаллов.

2.3. Темплатныс методы синтеза фотонных кристаллов.

2.4. Синтез и структура синтетических опалов.

2.4.1. Природные опалы.

2.4.2. Методы получения синтетических опалов.

2.4.3. Структура синтетических опалов
2.5. Оптические свойства опалов и инвертированных опалов.
2.6. Выводы
3. Экспериментальная часть
3.1. Синтез сферических коллоидных частиц
3.2. Методы упорядочения микросфер .
3.3. Синтез инвертированных опалов.
3.4. Синтез люминесцентных ФК
3.5. Динамическое светорассеяние.
3.6. Микроскопические методы.
3.7. Термический анализ
3.8. Рентгенофазовый анализ
3.9. Спектроскопические методы.
3 Лазерная дифракция.
3 Малоугловая рентгеновская дифракция
3 Малоугловая нейтронная дифракция.
4. Результаты и их обсуждение.
4.1. Особенности синтеза фотонных кристаллов.
4.1.1. Опалы.
4.1.2. Инвертированные опалы.
4.2. Оптические свойства фотонных кристаллов.
4.2.1. Оптические свойства опалов
4.2.2. Оптические свойства инвертированных опалов на основе оксидов
4.2.3. Оптические свойства металлических инвертированных опалов
4.3. Лазерная дифракция в фотонных кристаллах
4.4. Малоугловая рентгеновская и нейтронная дифракция
4.5. Люминесценция в фотонных кристаллах.
4.5.1. Основные требования к люминесцентным фотонным кристаллам
4.5.2. Расчет пространственноугловой плотности оптических состояний.
4.5.3. Структура люминесцентных фотонных кристаллов
4.5.4. Эффекты, связанные с первой фотонной запрещенной зоной
4.5.5. Эффекты, связанные с фотонными запрещенными зонами высоких порядков
5. Выводы
Благодарности
Литература


В случае, например, кристаллического кремния, упорядоченное расположение атомов в кристаллической решетке с параметром 5 А приводит к возникновению периодического потенциала и, как следсгвие, образованию элскгронной запрещенной зоны, определяющей полупроводниковые свойства кремния. В свою очередь, если мы сохраним кристаллическую решетку, но заменим атомы кремния па субмикронные диэлектрические сферы и таким образом на несколько порядков увеличим параметр решетки, мы получим ФК. Периодическая структура ФК на субмикронном масштабе, в свою очередь, приводит к образованию в его зонной структуре фотонных запрещенных зон. Аналогия между ФК и электронными полупроводниками весьма популярна, ФК нередко называют полупроводниками для света. При этом ожидается, что в скором времени значение ФК для оптики и оптоэлектроиикн будет соизмеримо со значением полупроводников для современной электроники. Рис. Аналогия между электронными полупроводниками и ФК 1. Пояснения см. Как правило, периодическая структура ФК образована двумя реже тремя и более прозрачными в требуемом диапазоне спектра диэлектриками в качестве одного из которых часто выступает воздух с различными диэлектрическими проницаемостями. В зависимости от того, является ли модуляция диэлектрической проницаемости одномерной, двумерной или трехмерной, различают одномерные, двумерные и трехмерные ФК соответственно рис. Интенсивная разработка методов формирования ФК и исследование их свойств начались с появления в г. Э. Яблоновича Е. С. Джона . В.П. Быкова 46, долгое время не привлекавших существенного внимания научного сообщества. Быков теоретически исследовал спонтанное излучение атомов и молекул, помещенных в модельный одномерный ФК рис. Согласно расчетам Быкова, в том случае, если количество слоев в ФК достаточно велико, спонтанное излучение может быть практически полностью подавлено. На основании полученных результатов Быков, возможно, первым высказал идею о возможности использования эффекта подавления спонтанного излучения для создания низкопороговых лазеров для этой цели он предложил использовать трехмерные ФК, в которых распространение излучения было бы подавлено во всех направлениях, кроме некоторого избранного. Позднее идея использования трехмерных ФК для подавления спонтанного излучения была повторно высказана в уже упомянутой работе Яблоновича1. Интересно, что работы Быкова возникли задолго до появления термина фотонный кристалл, поэтому исследованные структуры назывались периодические среды с зонным спектром. Рис. Схематическое представление одномерных а, двухмерных б и трехмерных в ФК, образованных двумя различными материалами. В зависимости от своей структуры и соотношения диэлектрических проницаемостей диэлектриков, образующих ФК, последние могут обладать полной запрещенной зоной, псевдозапрсщенной зоной или стопзонами. X iiv i ii, i i . I i v i i , iiv ii i v iii. Псевдозапрещенная зона характеризуется тем, что условие невозможности входавыхода в кристалл электромагнитных волн из определенного спектрального диапазона нарушается вдоль некоторого направления или нескольких направлений, т. В качестве примера на рис. ФК, образованного полыми кремниевыми микросферами, упакованными в гранецентрированную кубическую ГЦК решетку 7. Хорошо видно, что полная фотонная запрещенная зона наблюдается при оа2пс г 0,, где а параметр кубической решетки ФК. Рис. Зонная структура для ФК, образованного полыми кремниевыми микросферами, упакованными в ГЦК решетку, б Электронномикроскопическое изображение соответствующего ФК 7. Иод термином стопзона понимается диапазон длин волн, запрещенный для распространения в какомлибо определенном кристаллографическом направлении. Например, на рис. За направления Г Ь можно указать стопзону при 0,аг2яс0,. Трехмерные ФК могут иметь полную запрещенную зону, пссвдозапрещенную зону и всегда имеют стопзоны. Двумерные и одномерные ФК характеризуются только наличием стопзон. Поначалу не было понятно, какие именно требования должны предъявляться к ФК, чтобы он обладал полной фотонной запрещенной зоной. Уже в первых работах было высказано предположение, что оптимальной структурой для трехмерных ФК является ГЦК структура 2,3.