WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |
Физика твердого тела, 2002, том 44, вып. 9 Оптическая характеризация синтетических опалов © А.В. Барышев, А.В. Анкудинов, 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 Санкт-Петербургский институт точной механики и оптики, 197101 Санкт-Петербург, Россия E-mail: alex.baryshev@pop.ioffe.rssi.ru (Поступила в Редакцию 30 октября 2001 г.) Представлены результаты структурно-оптического исследования свойств синтетических опалов. На основе анализа положения и ширины одномерной запрещенной фотонной зоны получена информация о ростовых особенностях структуры опала. Обнаружено, что структура образцов существенно меняется вдоль оси роста, совпадающей с направлением [111] ГЦК-решетки. Показано, что для областей, соответствующих ранним стадиям роста структуры опала, характерна сильная неупорядоченность, выражающаяся, в частности, в разориентации кристаллитов относительно оси роста образца. Сделан вывод, что наиболее пригодны для использования в качестве фотонных кристаллов области синтетических опалов, соответствующие более поздним стадиям роста.

Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (гранты № 99-0218284 и 00-02-16924).

Начиная с работ [1,2], исследование и синтез структур с точки зрения образования полной запрещенной зоны с запрещенной фотонной зоной [3] (фотонных кри- в оптическом диапазоне считаются инвертированные сталлов [4]) является одним из важных направлений в структуры на основе опалов [7,9].

физике твердого тела. Фотонными кристаллами принято В синтетических опалах монодисперсные сферические называть слабопоглощающие диэлектрические структу- частицы SiO2 образуют плотно упакованные слои, паралры, обладающие двумя свойствами [4]: 1) периодиче- лельные поверхности роста. Чередование этих слоев моской модуляцией диэлектрической проницаемости на жет соответствовать последовательности ABCABC..., масштабе, сравнимом с длиной электромагнитных волн, характерной для ГЦК-решетки, или ABABAB..., хараки 2) наличием связанной с периодичностью структу- терной для гексагональной плотноупакованной (ГПУ) ры полной запрещенной фотонной зоны в трехмерном решетки. Численное моделирование идеального кристалпространстве [1], или по меньшей мере запрещенной ла из жестких шаров показывает, что, по-видимому, фотонной зоны в заданных направлениях в кристалле более устойчивой является ГЦК-структура [10,11]. В об(стоп-зона) [4,5]. Последнее свойство означает, что в щем случае принято считать, что реальные опалы могут данном спектральном диапазоне свет любой поляриза- представлять собой случайную смесь ГЦК- и ГПУ-струкции не может войти в образец или выйти из него ни в тур. Технологические особенности роста искусственных каком направлении. По аналогии с электронной зонной фотонных структур, в том числе и опалов, в разных структурой образование запрещенной зоны в спектре лабораториях приводят к получению образцов с различфотонов связано с брэгговской дифракцией блоховских ными свойствами и различной степенью совершенства световых волн на диэлектрической решетке. Считается, кристаллической решетки. В связи с этим изучение вличто наличие полной запрещенной фотонной зоны долж- яния реальной кристаллической структуры материалов но приводить к подавлению спонтанного излучения из на параметры запрещенной фотонной зоны является образца [1] и другим важным оптическим эффектам [3]. весьма актуальной задачей [12,13].

Полная запрещенная фотонная зона впервые наблю- Цель данной работы — анализ структуры и харакдалась в микроволновом диапазоне для искусственной теризация образцов синтетических опалов оптическиГЦК-решетки, образованной в результате пересечения ми методами. Было установлено, что в большинстве цилиндрических отверстий, высверленных в диэлектри- исследованных образцов вдоль оси роста возникают ке [6]. Вопрос об обнаружении полной запрещенной области с разными оптическими свойствами, которые фотонной зоны в оптической области спектра, по-види- связаны с различной степенью дефектности структуры.

мому, еще остается открытым [7]. В то же время, Характеризация каждой из этих областей проводилась характерные свойства одномерной фотонной структуры на основе анализа спектров пропускания и отражения обнаружены в оптической области для ряда матери- видимого света в широком спектральном диапазоне, а алов, в частности, ими обладают синтетические опа- также изучения дифракции монохроматического света лы [5] и коллоидные структуры из сферических микро- лазерных источников. Содержание статьи сводится к частиц TiO2 [8]. Наиболее перспективными материалами следующему. В разд. 1 приводятся результаты харак1574 А.В. Барышев, А.В. Анкудинов, А.А. Каплянский, В.А. Кособукин, М.Ф. Лимонов, К.Б. Самусев...

Рис. 1. Изображение поверхности опала, полученное методами электронной (a, b) и атомно-силовой (c) микроскопии. a —ростовая плоскость (111); b — поверхность скола, на которой выделена последовательность плоскостей (111), образующих ГЦКструктуру; c — точечный дефект (вакансия) в слое типа (111).

теризации образцов методами просвечивающей элек- скую структуру. Полученный осадок высушивается и тронной микроскопии и атомно-силовой микроскопии. отжигается для придания образцу большей плотности В разд. 2 приведены результаты оптических экспери- и твердости. Образцы обладают пористой структурой ментов, в разд. 3 дан теоретический анализ одномерной с непрерывной сеткой пустот, образующихся между фотонной зоны, результаты обсуждаются в разд. 4. сферами SiO2. Величина параметра кристаллической решетки синтезированных таким образом опалов лежит в диапазоне длин волн видимого света, а размеры образ1. Приготовление образцов цов составляют несколько сантиметров в основании и до и исследование морфологии одного сантиметра по высоте.

поверхности В процессе роста синтетических опалов образуются гексагональные плотноупакованные слои, перпендикуВ данной работе использовались образцы синтетиче- лярные направлению роста Z. В реальной структуре ских опалов, которые были выращены по технологии, эти слои параллельны плоскости (111) ГЦК-решетки.

описанной в [14]. На первом этапе технологического Существенно подчеркнуть, что в синтезированных обпроцесса проводится синтез монодисперсной (диспер- разцах система ростовых слоев, перпендикулярных оси сия по размеру 5%) суспензии сферических частиц роста Z, физически отличается от слоев с ориентациSiO2, средний диаметр которых может варьироваться в ями, определяемыми системой трех других плоскостей диапазоне 200-800 nm. Далее готовится водный раствор ГЦК-решетки (111), (111) и (111). Причина этого — суспензии этих частиц, который помещается в кювету наличие в синтетических опалах дефектов упаковки на длительный период (до девяти месяцев). В кювете слоев вдоль оси роста Z, в результате чего эта ось частицы SiO2 осаждаются на дно под действием силы оказывается выделенной по отношению к трем другим тяжести и самоорганизуются в трехмерную периодиче- эквивалентным [111]-осям в ГЦК-решетке, которые перФизика твердого тела, 2002, том 44, вып. Оптическая характеризация синтетических опалов пендикулярны указанным выше кристаллографическим плоскостям.

Определение ориентации кристаллографических плоскостей относительно граней образца проводилось при помощи прямой визуализации картин упаковки шаров методами просвечивающей электронной микроскопии (электронный микроскоп Hitachi SEM-2700) и атомносиловой микроскопии (микроскоп P4-SPM). Результаты визуализации кристаллической структуры опалов этими методами представлены на рис. 1. Из рис. 1, a видно, что ростовая поверхность кристалла образована гексагональными плотноупакованными слоями. Представленная картина взаимного расположения шаров SiO2 Рис. 2. a — схема экспериментальной установки: источник света (1), коллиматор (2), пластинка опала (3), сферический в нескольких слоях, расположенных друг над другом, сосуд (4), приемники излучения (5) и (6). b — схема распилисвидетельствует о том, что вблизи поверхности образца вания образца на пластинки.

реализуется, как правило, упаковка слоев типа ABC..., соответствующая ГЦК-решетке опала. Видно также, что в ростовых слоях типа (111) ГКЦ-решетки синтетических опалов сохраняется дальний порядок в расположепучок от которой коллимировался с помощью диафрагнии шаров в отличие от природных опалов, в которых мы и линзы (2), в результате чего угол расходимости упорядоченные области микронного масштаба разорипучка был 2-4. Затем световой пучок направлялся ентированы друг относительно друга [15]. На рис. 1, b на пластинку опала (3), помещенную в сферический выделено изображение поверхности скола типа (100) сосуд (4) с иммерсионной жидкостью для уменьшения ГЦК-решетки, которое свидетельствует о кубической некогерентного рассеяния на поверхности. Поперечструктуре опала. На всех образцах наблюдаются точечное сечение пучка на поверхности образца оставляло ные дефекты кристаллической структуры (изображение 1-1.5mm2. На входную щель спектрометра ДФС-поверхности (111) на рис. 1, c) с концентрацией по(спектральное разрешение 0.5 nm) прошедший (5) или рядка одного дефекта на квадратный микрон, а также отраженный (6) свет направлялся с помощью световода краевые и винтовые дислокации. Из результатов атомносиловой микроскопии следует, что диаметр шаров SiO2 диаметром 2 mm, благодаря чему достигалось угловое разрешение около 1.

в исследованных образцах находится в интервале от На рис. 3, a приведены спектры пропускания неподо 300 nm. При этом диаметр шаров SiO2 для каждого ляризованного белого света (111)-пластинками. Эти из исходных образцов одинаков по всему объему, а концентрация дефектов больше в областях, которые спектры были получены при распространении света по соответствуют более ранним стадиям роста. нормали к поверхности пластинки (т. е. в направлении L из точки в точку L зоны Бриллюэна ГЦК-решетки). В представленных спектрах для всех 2. Оптические эксперименты пластинок наблюдалась характерная полоса, для которой положение, ширина и глубина существенно зависят от Для экспериментального изучения особенностей номера пластинки, т. е. от координаты Z в исходном структуры и оптических свойств синтетических опалов образце (рис. 2). Минимальная по глубине провала и нами выбирались наиболее оптически однородные исходмаксимальная по ширине полоса пропускания наблюданые образцы, которые были ориентированы с помощью ется в спектре нижней пластинки (кривая 1 на рис. 3, a), атомно-силового микроскопа. Далее они распиливались, соответствующей ранней стадии роста. При переходе как показано на рис. 2, b, на пластинки толщиной не к верхним областям образца, которые отвечают более более 0.5 mm перпендикулярно оси роста кристалла Z.

поздним стадиям роста, положение минимума полосы В дальнейшем такие пластинки будем именовать как смещается в длинноволновую сторону, ее ширина умень(111)-пластинки, причем верхней (нижней) будем нашается, а глубина спектрального провала увеличивается.

зывать пластинку, выпиленную из верхней (нижней) Для (111)-пластинки, вырезанной из самой верхней части исходного образца, которая соответствует более части образца, на рис. 3, b представлены спектры пропоздним (ранним) стадиям роста.

пускания при разных углах падения света, причем Оптические спектры (111)-пластинок исследовались в угол = 0 соответствует падению пучка по нормали к геометрии пропускания и отражения света при условии, ростовой поверхности. Видно, что при отклонении пучка что отражающая поверхность пластинки совпадает с от нормали полоса в спектрах пропускания, измеренная ростовой плоскостью опала. Спектры измерялись на установке, схематически изображенной на рис. 2, a. Ис- в направлении пучка (рис. 2, a), смещается в короткоточником белого света являлась лампа накаливания (1), волновую сторону и заметно уширяется.

Физика твердого тела, 2002, том 44, вып. 1576 А.В. Барышев, А.В. Анкудинов, А.А. Каплянский, В.А. Кособукин, М.Ф. Лимонов, К.Б. Самусев...

Рис. 3. Спектры пропускания пластинок опала. a — спектры, измеренные при нормальном падении света, для следующих пластинок (рис. 2, b): 1 — самая нижняя пластинка в образце, 2–4 — пластинки из средней части, 5 — самая верхняя пластинка.

b — спектры пропускания пластинки 5 при разных углах падения.

Теоретически условие брэгговского рассеяния света Из формулы (1) по положению минимума полосы в спеквнутри образца опала определяется известным урав- тре пропускания света самой верхней (111)-пластинкой нением b2 = -2k · b, где k — квазиволновой вектор при нормальном падении (кривая 5 на рис. 3, a) для эфблоховской электромагнитной волны в кристалле, b — фективного показателя преломления получено разумное вектор обратной решетки. Отсюда для брэгговской дли- значение n = 1.36.

ны волны, измеряемой в вакууме, следует соотношение В дополнение к спектрам пропускания измерялись B = 2dn cos, где — угол падения света внутри также спектры отражения при наклонном падении пучка кристалла на кристаллографическую плоскость, перпенбелого света на (111)-пластинку. Каждый спектр редикулярную вектору b, n — показатель преломления, гистрировался при некотором угле (рис. 2) вблизи d = 2/b — межплоскостное расстояние в направлении направления зеркального ( = ) отражения, заданновектора b. Поскольку величины и n в эксперименте не го углом падения света. На рис. 4 представлены измеряются, то далее мы используем соотношение спектры, измеренные в интервале углов для пластинки, вырезанной из самой верхней части образца B = 2d n cos. (1) (пластинка 5), при фиксированном угле падения света 25. Для установления идентичности происхоОно выражает B через экспериментально измеряемый угол падения света на образец и эффективный по- ждения обсуждаемых полос в спектрах пропускания (рис. 3, b) и отражения (рис. 4) на последнем рисунке казатель преломления n. Таким образом, длина волны, определяющая положение минимумов в спектрах про- приведен также спектр пропускания пластинки при угле пускания опала (положение стоп-зоны) в зависимости падения около 25 (штриховая кривая). Видно, что от угла падения, описывается соотношением (1), все спектры отражения лежат в области одной стоппричем в случае дифракции света на плоскости (111) зоны, что свидетельствует об одинаковой природе полос, опала d = R 8/3 определяется радиусом R шаров SiO2. проявляющихся в спектрах пропускания и отражения.

Физика твердого тела, 2002, том 44, вып. Оптическая характеризация синтетических опалов Рис. 4. Спектры отражения платинки 1, измеренные при разных углах отражения (сплошные линии), и спектр пропускания той же пластинки при падении света под углом = 25 (штриховая линия). На вставке: зависимость максимальной интенсивности полос отражения от угла, при котором измерен соответствующий спектр (темные кружки относятся к самой верхней пластинке, светлые — к самой нижней).

Pages:     || 2 | 3 |



© 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.