WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 | 4 |
Физика твердого тела, 2003, том 45, вып. 3 Брэгговская дифракция света в искусственных опалах © А.В. Барышев, А.А. Каплянский, В.А. Кособукин, М.Ф. Лимонов, К.Б. Самусев, Д.Е. Усвят Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия E-mail: alex.baryshev@mail.ioffe.ru (Поступила в Редакцию 16 июля 2002 г.) Наблюдались картины трехмерной дифракции света на кристаллической структуре образцов искусственных опалов, образованной плотноупакованными шарами a-SiO2 субмикронных размеров. Установлено, что картина дифракции луча монохроматического света представляет собой ряд интенсивных максимумов, число и угловое положение которых зависят от длины волны и взаимной ориентации падающего луча и кристаллографических плоскостей образца. Дифракционные картины исследовались при наклонном падении света на ростовую поверхность образца (111) и при распространении света в плоскости (111) в направлениях, перпендикулярных оси роста образца. Для обеих геометрий рассеяния детально изучены спектральноугловые зависимости интенсивности дифрагированного света. Экспериментальные данные интерпретированы в рамках модели, согласно которой основной вклад в наблюдаемые картины вносит брэгговская дифракция света на плотноупакованных слоях типа (111) гранецентрированной кубической решетки опала. Модель учитывает неупорядоченность чередования (111)-слоев вдоль оси роста образца, приводящую, в частности, к двойникованию гранецентрированной кубической решетки опала.

Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (гранты № 02-0217689 и 02-02-17601).

Рассеяние световых волн в периодических структурах авторы проводили измерения только в геометрии отра(дифракционных решетках), известное как брэгговская жения от ростовой плоскости (111), когда направления дифракция, в последнее время привлекло внимание в зеркального отражения света от поверхности образца связи с проблемой создания фотонных кристаллов [1,2]. и направление дифракции на периодической структуре Уникальное свойство фотонных кристаллов заключается совпадают; в [7] при измерении отражения проводилось в наличии у них зон энергетического спектра, запре- интегрирование по пространственному углу; в [14] геощенных для распространения электромагнитных волн. метрия рассеяния не уточнялась (это относится также Запрещенные зоны возникают вследствие брэгговской к работе [8], посвященной изучению фотонных структур дифракции волн на периодически модулированной ди- на основе TiO2). Особо следует выделить работы [16], электрической структуре, период которой сравним с в которых подробно исследована дифракция света на длиной волны света. В зависимости от амплитуды моду- большом числе образцов природных опалов, однако ляции диэлектрической проницаемости и симметрии ре- структура и ориентация образцов не определялись; эти шетки фотонных кристаллов последние могут обладать работы носили описательный характер и не привели к либо полной запрещенной фотонной зоной (для распро- построению теории дифракции света в опалах. Таким странения света во всех направлениях в трехмерном образом, в большинстве предыдущих работ основное пространстве), либо стоп-зонами (для распространения внимание уделялось отражению (пропусканию) света света в определенных кристаллографических направле- от ростовой плоскости (111) опалов, а трехмерная ниях). Обе возможности считаются весьма важными картина дифракции электромагнитных волн в опалах до для создания оптических фильтров, переключателей настоящего времени не наблюдалась (для периодически и т. д. [2]. модулированных слоистых коллоидных систем такие К числу наиболее перспективных материалов для исследования проводились в работах [17,18]).

создания фотонных кристаллов относят искусствен- Основной целью данной работы было исследование ные опалы, образованные плотноупакованными шарами картин трехмерной дифракции света на кристаллической a-SiO2 [3–5], а также структуры на основе опалов, в ко- структуре синтетических опалов. В геометрии обратного торых поры заполнены различными диэлектриками [3,4], рассеяния в полном телесном угле (полусфере) диинвертированные опалы [5] и т. д. В опалах с перио- фракционные рефлексы (пятна) наблюдались визуально дом модуляции диэлектрических свойств (определяемым и фотографировались с последующим исследованием размером плотноупакованных частиц a-SiO2), близким спектрального состава и углового распределения интенк длине волны видимого света, возникают стоп-зоны, сивности дифрагированного света. Было показано, что наблюдаемые непосредственно в оптических спектрах. гексагональные плотноупакованные (ГПУ) слои (111) Большинство известных из литературы оптических ис- в опалах достаточно совершенны и поэтому обусловследований стоп-зон в опалах проводилось методами от- ливают брэгговскую дифракцию, ответственную за виражения или пропускания света [3,6–15]. При этом сле- зуально наблюдаемые картины рассеяния света. При дует отметить ограниченность экспериментального ма- падении светового пучка на образец перпендикулярно териала, изложенного в этих работах. Так, в [6,9–12,15] оси его роста наблюдалось качественное изменение Брэгговская дифракция света в искусственных опалах дифракционной картины в зависимости от направления части образца формируются на более поздних стадиях падения пучка в плоскости, перпендикулярной этой оси. его роста. Поэтому в данной работе предварительно Картины трехмерной дифракции отчетливо выявляют отобранные наиболее однородные образцы распиливаналичие в опалах двойникованной гранецентрированной лись перпендикулярно оси роста на пластинки, из кубической (ГЦК) структуры, усложненной беспорядком которых, в свою очередь, для оптических исследований в чередовании (111)-слоев, перпендикулярных оси роста.

выбирались наиболее совершенные пластинки, отвечаДалее в разделе 1 рассматривается структура искусющие последней стадии роста. Для таких пластинок ственных опалов; в разделе 2 представлены результаты с помощью метода атомно-силовой микроскопии была исследования дифракции света в опалах методами фотопроведена привязка кристаллографических осей к географирования и оптической спектроскопии; в разделе метрической форме и определены параметры решетки.

изложены основы теории дифракции света в опалах; разИсследованные образцы состоят из плотноупакованных дел 4 посвящен сопоставлению теории и эксперимента и монодисперсных шарообразных частиц a-SiO2, средний обсуждению результатов.

диаметр которых составляет от 200 до 400 nm в зависимости от образца. При таких параметрах кристаллической решетки опала условия брэгговской дифракции вы1. Характеризация образцов полняются в диапазоне длин волн видимого света. Кроме того, изображения ростовых слоев (111), полученные Искусственные опалы, как и природные опалы [16], состоят из сферических частиц a-SiO2, которые об- в экспериментах по атомно-силовой микроскопии, демонстрируют высокую степень упорядоченности шаров разуют ГПУ-слои, перпендикулярные направлению оси роста. В трехмерной плотноупакованной структуре воз- a-SiO2 в гексагональных слоях, т. е. наличие в каждом можны три различные положения таких слоев, обычно слое дальнего порядка на макроскопическом масштабе, обозначаемые как A, B и C [19]. При формировании который достигает сотен микрон.

трехмерной плотной упаковки любые два соседних слоя имеют разные положения из этой совокупности. Пе2. Экспериментальные результаты риодическое чередование слоев в трехмерной плотной структуре в последовательности ABCABC... соответ2.1. М е т о д и к а э к с п е р и м е н т а. Картины дифствует ГЦК-решетке, последовательность ABABAB...

ракции света в геометрии обратного отражения и спексоответствует ГПУ-решетке. На практике в процессе тры дифракционно отраженного света от опалов измероста синтетического опала, получаемого гравитационрялись на установке, схематически показанной на рис. ным осаждением коллоидных частиц a-SiO2 с последую(эта схема отвечает частной геометрии эксперимента, щей их самоорганизацией, последовательность чередовакогда падающий луч света лежит в плоскости ростовых ния слоев вдоль оси роста образца подчиняется вероятслоев (111) образца и перпендикулярен оси его роста ).

ностному закону. Получающаяся одномерно неупорядоВ качестве источника света 1 использовались He-Ne-, ченная плотноупакованная структура (так называемая Ar- и Cu-лазеры или лампа накаливания. В последнем случайная плотная упаковка) характеризуется произслучае пучок коллимировался с помощью диафрагмы и вольным порядком чередования гексагональных слоев, линзы 2. Далее узкий световой пучок направлялся на например ABACBACA.... Поэтому структура реальных образец опала 3, помещенный в центре сферического опалов не является ни идеальной ГЦК-, ни идеальсосуда 4 диаметром 5 cm. Сосуд с образцом заполнялся ной ГПУ-решеткой (для плотноупакованной структуры невзаимодействующих шаров термодинамически более выгодной считается ГЦК-решетка [20]). В реальной кристаллической структуре опалов система ростовых плоскостей (111) (в терминах ГЦК-решетки), перпендикулярных направлению оси роста, принципиально отличается от трех других систем плоскостей ГЦК-ре шетки: (111), (111) и (111). Это связано с наличием в синтетических опалах случайной упаковки слоев вдоль оси роста, в результате чего эта ось оказывается структурно выделенной по отношению к трем другим осям [111], [111] и [111], определенным в ГЦК-решетке.

В настоящей работе использовались образцы синтетических опалов, выращенные по технологии, предложенной в работе [21]. Размеры образцов составляли несколько сантиметров в основании и до одного санРис. 1. Схема эксперимента: 1 —источник света, 2 —коллитиметра по высоте. Характеризация этих образцов с матор, 3 — образец опала, 4 — сферический сосуд, 5 —экран.

помощью атомно-силовой микроскопии и оптического Схема относится к конкретному случаю, когда луч монохрома пропускания была описана в нашей предыдущей рабо- тического света падает по направлению [211] в ростовой (111) те [22], где было показано, что наиболее однородные плоскости образца.

4 Физика твердого тела, 2003, том 45, вып. 436 А.В. Барышев, А.А. Каплянский, В.А. Кособукин, М.Ф. Лимонов, К.Б. Самусев, Д.Е. Усвят иммерсионной жидкостью для того, чтобы минимизировать некогерентное (диффузное) рассеяние света поверхностью образца. Это достигалось путем подбора жидкости с показателем преломления, близким к среднему показателю преломления опала. Как следствие в наших экспериментах отражение и преломление света на поверхности образца практически отсутствовали, а роль формы образца и рельефа его поверхности была несущественной. Использование сосуда сферической формы позволило исключить дополнительный источник искажения картин трехмерной дифракции, связанный с возможным преломлением света на границах раздела иммерсионная жидкость-стенка сосуда-воздух.

Для изучения рассеяния света при разной ориентации кристаллической структуры относительно падающего пучка образец можно было поворачивать вокруг ростовой оси. При освещении белым светом площадь поперечного сечения пучка на поверхности образца Рис. 2. Диаграммы рассеяния для изучаемых процессов составляла 1-1.5mm2. Для уменьшения размера пучка в брэгговской дифракции света на плоскостях {111} ГЦК-ренекоторых экспериментах использовалась дополнительшетки опалов. Процесс K1 K 1 соответствует дифракции на ная фокусирующая линза с фокусным расстоянием 5 cm.

системе ростовых слоев (111) с вектором b1 b(111) [111], Трехмерная дифракция регистрировалась в геометрии а процесс K2 K 2 отвечает рассеянию на системе плоскос обратного рассеяния в большом телесном угле обрат- тей (111) с вектором b2 b(111) [111].

ной полусферы. Дифракционные рефлексы наблюдались визуально и фотографировались с экрана 5, который располагался на расстоянии около 5 cm от образца и четыре плоскости типа (111). В наших экспериментах имел квадратную измерительную сетку с периодом 1 cm.

исследовалась дифракция на этих плоскостях, а именно Кроме того, дифрагированный свет направлялся на входна системе ростовых плоскостей (111) и на трех других ную щель спектрометра ДФС-12 с помощью световода системах плоскостей ГЦК-решетки: (111), (111), (111).

диаметром 2 mm. Благодаря этому при измерении интенПервая диаграмма на рис. 2 относится к эксперисивности дифрагированного света достигалось угловое менту по рассеянию, в котором свет падал нормальразрешение около 1.

но или наклонно на ростовую плоскость (111) опала, 2.2. П о с т а н о в к а з а д а ч и. Нашей задачей было перпендикулярную вектору b1 = b(111), и исследовалось исследование угловых и спектральных зависимостей рассеяние K1 K 1 в обратном направлении. Во втором интенсивности дифрагированного излучения при возбуслучае падающий свет распространялся в ростовой плосждении монохроматическим и белым светом. Измерения кости (111) (волновой вектор K2 перпендикулярен оси проводились в двух геометриях рассеяния, схематически роста опала). Соответствующая диаграмма на рис. показанных на рис. 2, в предположении, что опал имеет отвечает конкретному случаю дифракции падающего идеальную ГЦК-решетку. Диаграммы на рис. 2 предпучка света, когда его волновой вектор K2 параллелен ставлены в форме векторных треугольников, которые направлению [211], лежащему в ростовой плоскости, и соответствуют уравнениям Лауэ [23] в обратном рассеянии актуально брэгговское отражение K2 K 2 на плоскости (111) с вектором b2 = b(111).

K = K + b, (1) При повороте кристалла вокруг оси в этой схеопределяющим направления главных максимумов брэгме экспериментально изучалась трехмерная дифракция говской дифракции света на кристаллической структуре.

K2 K 2 как на плоскости (111), так и на эквивалентных Здесь K и K — волновые векторы падающей и рассеей плоскостях (111) и (111). Рассмотрим результаты янной волн в кристалле, b — вектор обратной решетизмерений, полученные в каждом из этих двух случаев.

ки, перпендикулярный системе „атомных“ плоскостей, 2.3. Дифракция света на ростовой плосответственных за брэгговскую дифракцию. Для дальней- кости опала (111). При наклонном падении шего рассмотрения важно, что при упругом рассеянии, белого света на ростовую плоскость (111) опала при т. е. при |K | = |K|, брэгговская дифракция на „атом- диаметре шаров a-SiO2, равном 270 nm, и углах падения ной“ плоскости, определяемой вектором b, происходит примерно до 60 в наших экспериментах наблюдается по закону зеркального отражения от этой плоскости.

Pages:     || 2 | 3 | 4 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.