Дослідження фотонних кристалів за допомогою атомної силової мікроскопії
Програма КС із проблем НБІКС
Запрошення на семінар НОР-МІФІ
Чи є нанонаука?
Дизайн «науки» та «вченого»
Як купити книги професора Кричевського.
Прикладом двовимірних нанооб'єктів, коли розміри зразка в одному напрямку лежать в нанометровому діапазоні, а в інших залишаються великими, є тонкі плівки, в тому числі і плівки фотонних кристалів. У загальному випадку фотонний кристал – це матеріал, структура, якого характеризується строго періодичною зміною коефіцієнта заломлення середовища – в одному, двох або трьох вимірах (1D-, 2D-, ЗD-фотонні структури відповідно). Періодичність структури обумовлює основну властивість фотонних кристалів: будучи прозорими для широкого спектра електромагнітного випромінювання, вони не пропускають світло з довжиною хвилі, порівнянної з періодом структури фотонного кристала, внаслідок бреггівської дифракції. Відповідні спектральні діапазони отримали назву "Фотонні заборонені зони".
Як очікується, практичне використання фотонних кристалів має призвести до створення лазерів з низьким порогом генерації, світлодіодів з ефективністю до 50% (порівняно з існуючими 2-4%), світлових хвилеводів нового типу, оптичних перемикачів та фільтрів з перспективою створення пристроїв цифрової обчислювальної техніки. з урахуванням фотонних елементів.
В даний час вже запропоновано велику кількість методів синтезу фотонних кристалів. Проте майже кожен із цих методів базується на одному з двох принципово різних підходів: використанні самоорганізації колоїдних субмікронних частинок або нанолітографії.
Нанолітографія дозволяє синтезувати абсолютно бездефектний фотонний кристал, причому дуже цінно - практично з будь-якоїструктурою (наприклад, зі структурою алмазу). Але для синтезу зразка з великими лінійними розмірами потрібні величезні часові, технологічні, програмні та фінансові витрати.
Методи самоорганізації колоїдних частинок (зазвичай це бувають частинки діоксиду кремнію або полістиролу) значно простіше з погляду апаратурного оформлення (а отже, значно дешевше), не мають обмежень на лінійні розміри зразків, що виробляються, і тому вважаються дуже перспективними. Крім того, мікросфери, синтезовані на основі полістиролу, мають досить вузький розподіл за розмірами (відносне стандартне відхилення не перевищує 5%), що дуже істотно для отримання скоєних структурою кристалів.
Фотонні кристали на основі мікросфер полістиролу синтезуються в три стадії. Перша стадія включає синтез мікросфер. На другій стадії відбувається вирощування фотонного кристала шляхом осадження отриманих мікросфер центрифузі. На третій стадії кристал піддається сушінню та точковому спіканню.
Зображення синтезованого кристала, отримане з допомогою атомного силового мікроскопа, показано малюнку 1.
а) б) Малюнок 1 – АСМ зображення поверхні фотонних кристалів на основі латексних сфер: а) – розмір зображення 5×5 мкм із відповідним 3D зображенням; б) – розмір зображення 1×1 мкм із відповідним 3D зображенням. Висота кристалів близько 40 нм. Діаметр кристалів 190-200 нм.
Протяжність упорядкованих областей може досягати кількох сотень мікронів. Отримані кристали надалі використовуються як темплати для заповнення різними, у тому числі, мають великий коефіцієнт заломлення і володіють оптичною активністю речовинами зметою отримання інвертованих фотонних кристалів з великим оптичним контрастом (при цьому на завершальній стадії синтезу темплати видаляється шляхом термічного розкладання полістиролу) [1]. Після термічного видалення полістиролу залишається впорядкована основа темплат речовини, що заповнюється, в нашому випадку це оксид олова SnO2 (Малюнок 2).
а) б) Малюнок 2 – АСМ зображення поверхні інвертованих фотонних кристалів на основі SnO2 : а) – розмір зображення 4×4 мкм із відповідним 3D зображенням; б) – розмір зображення 1×1 мкм із відповідним 3D зображенням. Діаметр упорядкованих западин 185-195 нм. Глибина наскільки дозволяє виміряти АСМ на даному зразку становить 130-140 нм.
[1]. Бондаренко С.О. Синтез фотонних кристалів на основі латексних мікросфер [Текст]/С.А. Бондаренко, Є.А. Бондаренко, Н.І. Каргін. / Ставрополь.: СевКавГТУ, IV міжнародна конференція «Хімія твердого тіла та сучасні мікро та нанотехнології», 2006. – С. 13-14.
ЛІТЕРАТУРА 1. Бондаренко С.О. Синтез фотонних кристалів на основі латексних мікросфер [Текст]/С.А. Бондаренко, Є.А. Бондаренко, Н.І. Каргін. / Ставрополь.: СевКавГТУ, IV міжнародна конференція «Хімія твердого тіла та сучасні мікро та нанотехнології», 2006. – С. 13-14. 2. Зондова нанолабораторія ІНТЕГРА. Проведення вимірів [Текст] / Зеленоград.: НТ - МДТ, 2006. - 296 с. 3. Миронов В.Л. Основи скануючої зондової мікроскопії [Текст]/В.Л. Миронів. / Нижній Новгород.: Українська академія наук, 2004. - 114 с. 4. Старостін В.В. Матеріали та методи нанотехнології [Текст]/В.В Старостін. / М: Біном. Лабораторія знань, 2008. - 431 с.