Примером двумерных нанообъектов, когда размеры образца в одном направлении лежат в нанометровом диапазоне, а в двух других остаются большими, являются тонкие плёнки, в том числе и плёнки фотонных кристаллов. В общем случае фотонный кристалл – это материал, структура, которого характеризуется строго периодическим изменением коэффициента преломления среды – в одном, двух или трех измерениях (1D-, 2D-, ЗD-фотонные структуры соответственно). Периодичность структуры обуславливает основное свойство фотонных кристаллов: будучи прозрачными для широкого спектра электромагнитного излучения, они не пропускают свет с длиной волны, сравнимой с периодом структуры фотонного кристалла, вследствие брэгговской дифракции. Соответствующие спектральные диапазоны получили название «фотонные запрещенные зоны».
Как ожидается, практическое использование фотонных кристаллов должно привести к созданию лазеров с низким порогом генерации, светодиодов с эффективностью до 50% (по сравнению с существующими 2-4%), световых волноводов нового типа, оптических переключателей и фильтров с перспективой создания устройств цифровой вычислительной техники на основе фотонных элементов.
В настоящее время уже предложено большое количество методов синтеза фотонных кристаллов. Тем не менее, почти каждый из этих методов базируется на одном из двух принципиально разных подходах: использовании самоорганизации коллоидных субмикронных частиц или нанолитографии.
Нанолитография позволяет синтезировать совершенно бездефектный фотонный кристалл, причем, что весьма ценно – практически с любой структурой (например, со структурой алмаза). Но для синтеза образца с большими линейными размерами требуются огромные временные, технологические, программные и денежные затраты.
Методы самоорганизации коллоидных частиц (обычно это бывают частицы диоксида кремния или полистирола) значительно проще с точки зрения аппаратурного оформления (а значит, значительно дешевле), не имеют ограничений на линейные размеры производимых образцов, и потому считаются весьма перспективными. Кроме того, микросферы, синтезированные на основе полистирола, обладают достаточно узким распределением по размерам (относительное стандартное отклонение не превышает 5%), что весьма существенно для получения совершенных по структуре кристаллов.
Фотонные кристаллы на основе микросфер полистирола, синтезируются в три стадии. Первая стадия включает в себя синтез микросфер. На второй стадии происходит выращивание фотонного кристалла путем осаждения полученных микросфер в центрифуге. На третьей стадии кристалл подвергается сушке и точечному спеканию.
Изображение синтезированного кристалла, полученное при помощи атомного силового микроскопа, показано на рисунке 1.
а) б)
Рисунок 1 – АСМ изображения поверхности фотонных кристаллов на основе латексных сфер:
а) – размер изображения 5×5 мкм с соответствующим 3D изображением;
б) – размер изображения 1×1 мкм с соответствующим 3D изображением.
Высота кристаллов порядка 40 нм. Диаметр кристаллов 190-200 нм.
Протяженность упорядоченных областей может достигать нескольких сотен микрон. Полученные кристаллы в дальнейшем используются в качестве темплатов для заполнения различными, в том числе, имеющими большой коэффициент преломления и обладающими оптической активностью веществами с целью получения инвертированных фотонных кристаллов с большим оптическим контрастом (при этом на завершающей стадии синтеза темплат удаляется путем термического разложения полистирола) [1]. После термического удаления полистирола остаётся упорядоченная основа заполняемого темплат вещества, в нашем случае это оксид олова SnO2 (Рисунок 2).
а) б)
Рисунок 2 – АСМ изображения поверхности инвертированных фотонных кристаллов на основе SnO2 :
а) – размер изображения 4×4 мкм с соответствующим 3D изображением;
б) – размер изображения 1×1 мкм с соответствующим 3D изображением.
Диаметр упорядоченных впадин 185-195 нм. Глубина, на сколько позволяет измерить АСМ на данном образце, составляет 130-140 нм.
[1]. Бондаренко С.А. Синтез фотонных кристаллов на основе латексных микросфер [Текст] / С.А. Бондаренко, Е.А. Бондаренко, Н.И. Каргин. / Ставрополь.: СевКавГТУ, IV международная конференция «Химия твёрдого тела и современные микро и нанотехнологии», 2006. – С. 13-14.
ЛИТЕРАТУРА
1. Бондаренко С.А. Синтез фотонных кристаллов на основе латексных микросфер [Текст] / С.А. Бондаренко, Е.А. Бондаренко, Н.И. Каргин. / Ставрополь.: СевКавГТУ, IV международная конференция «Химия твёрдого тела и современные микро и нанотехнологии», 2006. – С. 13-14.
2. Зондовая нанолаборатория ИНТЕГРА. Проведение измерений [Текст] / Зеленоград.: НТ – МДТ, 2006. – 296 с.
3. Миронов В.Л. Основы сканирующей зондовой микроскопии [Текст] / В.Л. Миронов. / Нижний Новгород.: Российская академия наук, 2004. – 114 с.
4. Старостин В.В. Материалы и методы нанотехнологии [Текст] / В.В Старостин. / М.: Бином. Лаборатория знаний, 2008. – 431 с.
