WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Физика твердого тела, 1998, том 40, № 4 Оптико-структурный анализ фотонных кристаллов на основе опалов © В.Н. Богомолов, А.В. Прокофьев, А.И. Шелых Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия (Поступила в Редакцию 2 октября 1997 г.) Для структурного анализа периодических трехмерных систем с параметрами решетки в субмикронной области (оптических фотонных кристаллов) аналогом рентгеновских волн является видимый свет. Показано, что спектр зеркального отражения и спектр пропускания опала действительно дают информацию о периоде решетки и структурном совершенстве фотонных кристаллов.

Оптические свойства опалов как систем, постоянная Видно, что все пики на них смещены в длинноволнорешетки которых сравнима с длиной волны видимого вую область. Очевидно, что происхождение пиков — света, были исследованы на оптически совершенных чисто интерференционное, а смещение их связано с образцах, полученных ранее [1,2]. Нами было показано, изменением показателя преломления среды. Чем больчто опалы представляют собой фотонные кристаллы с за- ше показатель преломления среды, тем более сдвинуты прещенной фотонной зоной в видимой области спектра. пики в длинноволновую сторону. Количественно учесть Оптические свойства в этих работах рассматривались в смещение пиков можно, применив для описания дифракционных явлений в опале формулу Брэгга.

терминах энергетических зон. В то же время изучение оптических свойств опала имеет и другой аспект. Формула Брэгга для оптического случая должна вклюЗначительно возросший в последние 2–3 года инте- чать показатель преломления среды n рес к трехмерным периодическим решеткам на основе 2d sin = k/n. (1) опалов приводит к необходимости более детального изучения их структурных свойств. Важными характериК нанокомпозитам на основе опалов, которые являютстиками нанокомпозитов являются параметр кластерной ся оптически неоднородными материалами, применимо решетки и ее структурное совершенство. В данной рабопонятие эффективного показателя преломления. В данте делается попытка использования анализа оптических ной работе были измерены эффективные показатели пресвойств для оценки этих характеристик.

ломления различных нанокомпозитов на основе опала, а Поскольку оптические свойства опала в видимой облаименно опалов, поры которых заполнены воздухом (чисти в основном определяются интерференционными эфстый опал), водой и глицерином. Измерения проводились фектами, сопровождающими дифракцию видимого свепо методу призмы и были подтверждены измерениями та на трехмерной периодической решетке, они несут иммерсионным методом. Измерения в области длин волн информацию о структурных особенностях образца. Видимый свет для опалов в значительной степени является аналогом рентгеновского излучения для обычных кристаллов, а оптико-структурный анализ — аналогом рентгеноструктурного для обычных кристаллов. Из трех основных задач структурного анализа (установление структуры, нахождение параметров решетки и определение степени ее кристаллического совершенства) только последние две имеют значение для опала. Известно, что синтетические опалы имеют структуру плотнейшей упаковки кубического типа, т. е. они представляют собой кубическую гранецентрированную решетку. Определение параметров и совершенства этой решетки — задача оптико-структурного анализа опалов.

Спектры зеркального отражения от поверхности опала могут служить для простейшей структурной характеризации (кривая 1 на рис. 1). Эти спектры были получены регистрацией сигнала, отраженного от поверхности Рис. 1. Спектр зеркального отражения опала (1). Вертиопала под углом зеркального отражения. Угол падения кальными линиями показаны положения рефлексов, рассчитанлуча составлял 8 относительно нормали к поверхности ные по формуле (1), исходя из электронно-микроскопических образца. На спектре видно несколько пиков. На рис. данных о размерах опаловых глобул. Пунктирными линиями пунктиром изображены спектры того же образца опала, изображены спектры зеркального отражения от опала с наполпоры которого заполнены глицерином (2) и серой (3). нителями пустот: 2 — глицерин, 3 — сера.

Оптико-структурный анализ фотонных кристаллов на основе опалов 500–600 nm дают величину neff для чистого опала 1.27, стоянной решетки образца опала, а также ориентировать для опала, заполненного водой, — 1.35, глицерином — его (по крайней мере, устанавливать направление 111 ).

1.40. Из-за сильного рассеяния, определяемого большим На рис. 1 относительная высота пиков для различоптическим контрастом (отношением показателей пре- ных плоскостей ГЦК-решетки взята по аналогии с соломления глобул опала и пустот, заполненных серой), отношением интенсивностей рентгеновских рефлексов измерить показатель преломления опала с серой не ГКЦ-решетки меди (для плоскости (111) — 100%).

удалось. Положения пиков, как видно, хорошо совпадают с полоВычисления показывают, что для опала хорошо дей- жениями пиков на спектре опала. Однако соотношение ствует закон аддитивности величины показателя пре- интенсивностей их значительно отличается от соотноломления индивидуальных веществ, составляющих ком- шения интенсивностей рентгеновских рефлексов меди.

Интенсивности отражения от плоскостей, отличных от позит. Зная объемные доли компонентов, можно легко (111), значительно меньше. Вероятно, причина этого вычислить эффективный показатель преломления опала.

связана с геометрией опыта. Очевидно, что максимуПри этом мы должны принять во внимание сложную мы брэгговских отражений от плоскостей, отличных от структуру опала: наличие не только доступных для (111), должны регистрироваться с наибольшей интенсивсмачивающей жидкости пустот между глобулами, но и ностью в других направлениях. Только благодаря сильносистемы пустот внутри самих глобул, которые недоступму диффузионному рассеянию света отражение от плосны для проникновения в них жидкостей [3]. Объемные костей (200), (220), (222) и др. было зарегистрировано доли двуокиси кремния, жидкости и воздуха, оставшегося приемником. Очевидно, что более детальный оптиковнутри недоступных для жидкости пустот, могут быть структурный анализ необходимо проводить в другом, определены измерением плотности образца до и после более сложном, варианте. Следует искать максимумы инзаполнения пор жидкостями.

тенсивности отражения во всей полусфере. Это требует Зная показатели преломления образцов опалов, можно проведения опыта с варьируемым положением детектора воспользоваться формулой Брэгга для отнесения пиков излучения.

на спектрах отражения. Очевидно, что различные пиМежду спектрами отражения и пропускания имеется ки — результат брэгговских отражений от различных определенное соответствие. Положению главного маккристаллографических плоскостей решетки опала. Насимума на спектре отражения соответствует положение ми обнаружено, что положение этих пиков меняется с минимума на спектре пропускания. На рис. 2 приведен изменением ориентации кристалла опала относительно спектр пропускания опала, пустоты которого заполнены падающего луча.

водой для уменьшения степени оптического контраста, Из электронно-микроскопических исследований что позволяет увеличить пропускание света через обраобразца, спектр которого изображен на рис. 1, известно, что данный образец опала состоит из глобул диаметром около 250 nm. При точечном контакте между глобулами постоянная ГЦК-решетки для данного образца составит 354 nm. При этом межплоскостное расстояние для набора плоскостей (111) равно 205 nm. Исходя из этих данных и величины n = 1.27, в соответствии с формулой (1) отражение от набора плоскостей (111) должно давать при почти нормальном падении света (82) максимум при около 520 nm. Это неплохо совпадает с положением главного максимума на рис. (кривая 1). Таким образом, пик при = 530 nm соответствует отражению от набора плоскостей (111).

Рассчитанное по формуле (1) положение пиков на спектре отражения для других плоскостей гранецентрированной кубической решетки изображено на рис. вертикальными линиями. Видно, что положение этих линий совпадает с имеющимися на спектре максимумами интенсивности отраженного света.

Положение пиков для опала, заполненного глицерином и серой (кривые 2 и 3 на рис. 1), совпадает с вычисленными положениями максимума интенсивности при подстановке в формулу (1) значений показателя преломления для данных образцов.

Таким образом, обычный спектр отражения дает воз- Рис. 2. Спектр оптического пропускания опала, пустоты можность получить количественную информацию о по- которого заполнены водой.

Физика твердого тела, 1998, том 40, № 650 В.Н. Богомолов, А.В. Прокофьев, А.И. Шелых зец (по этой причине положение минимума несколько смещено от = 530 nm). Провал в пропускании есть не что иное, как наиболее непосредственное проявление фотонной запрещенной зоны [1].

Спектр пропускания также может служить для характеризации опалов. Как отмечалось, образцы опалов можно разделить на две категории: 1) ”монокристаллы”, в которых правильная структура распространяется на весь объем образца; 2) ”поликристаллические” опалы, в которых имеется много областей с правильным расположение кластеров, по-разному ориентированных относительно друг друга. Различие между двумя типами образцов может быть обнаружено по оптическим спектрам. По глубине провала на спектре пропускания можно судить о монокристаллическом совершенстве образцов опала. В наиболее совершенных по структуре опалах, полученных нами, степень ослабления проходящего сигнала в области минимума составляет около 2.5 порядков.

Таким образом, в определенном отношении оптикоструктурный анализ аналогичен рентгеноструктурному.

Однако существенное отличие состоит в том, что размеры рентгеноактивной области в обычных кристаллах существенно меньше длины волны рентгеновского излучения, а в кристаллах на основе опала сравнимы, т. е.

речь идет о структурном анализе сред с пространственно модулированным показателем преломления.

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (96-0332460 a).

Список литературы [1] В.Н. Богомолов, Д.А. Курдюков, А.В. Прокофьев, С.М. Самойлович. Письма в ЖЭТФ 63, 7, 496 (1996).

[2] В.Н. Богомолов, А.В. Прокофьев, С.М. Самойлович. ФТТ 38, 9, 2722 (1996).

[3] В.Н. Богомолов, Л.С. Парфеньева, А.В. Прокофьев, И.А. Смирнов, С.М. Самойлович, А. Ежовский, Я. Муха, Х. Мисерек. ФТТ 37, 11, 3411 (1995).

Физика твердого тела, 1998, том 40, №




© 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.