Нанокомпозиты на основе опаловых матриц как фотонные среды

Актуальность темы

.

Современный мир характеризуется стремительным развитием в самых разнообразных сферах. И в то же время, эксперты, как правило, определяют краеугольные направления развития, определяющие прогресс человечества в целом. В этом контексте наше общество характеризуется все большим объемом обрабатываемой информации, и XXI век уже сейчас называют веком информационных технологий.

Применение электроники в системах связи, хранения и обработки информации коренным образом изменило окружающий мир. Создание транзисторов знаменовало собой революцию в твердотельной электронике, а появление планарных интегральных схем дало толчок продолжающемуся и сегодня процессу неуклонной миниатюризации электронных компонентов и стремительного роста возможностей обработки информации. В настоящее время разнообразные электронные системы увеличивают сумму человеческого знания, хранят и обрабатывают эти знания, открывают новые возможности в промышленности и других сферах человеческой деятельности, создают новые рабочие места, коренным образом меняют быт и духовный мир человека.

Однако уже в 60-х годах XX века встал вопрос о том, что физическая природа мира накладывает ограничения на размеры электронных приборов, а, следовательно, определяет физические ограничения на технологии обработки информации [1]. Вскоре после становления интегральной технологии Гордон Мур (Gordon Moore) [2] сформулировал свой знаменитый закон, согласно которому число электронных компонентов, расположенных на микрочипе, удваивается каждые 1,5−2 года. Хотя эта тенденция, по оценкам специалистов фирмы Intel [3], может продолжаться в течение ближайшего десятилетия, предел скорости, с которой интегральные схемы могут работать, скоро будет достигнут.

Таким образом, микроэлектроника в настоящее время неминуемо приближается к принципиальным пределам своих возможностей и, скорее всего, не сможет гарантировать дальнейший прогресс в информационных технологиях. Поэтому необходимо искать альтернативные решения, обеспечивающие более плотную и более быструю информационную связь между логическими элементами. К технологиям, способным существенно увеличить обрабатывающую мощность компьютеров, следует отнести молекулярные, атомные и биологические технологии, трехмерную схемотехнику, оптические технологии.

На сегодняшний день волоконная оптика практически революционизировала системы дальней связи, и сейчас разрабатываются системы, способные передавать информацию со скоростью до 160 Гбит/сек с числом каналов передачи по одному волокну, доходящим до 1000. Наступает эра терабитных оптических технологий передачи информации [4].

Однако это только начало широкого использования оптики для информационных технологий. Возможности использования света в обработке информации практически безграничны. Для того чтобы использовать эти уникальные возможности, необходимо разработать соответствующие технологии создания устройств генерации, детектирования оптических сигналов, а также оптических логических элементов, управляемых светом. Элементарная оптическая ячейка должна потреблять минимальное количество энергии, быть интегрируемой в большие массивы подобных ячеек и иметь возможность связи с большим числом элементов.

Предполагается, что в дальнейшем в указанной области все более существенную роль будут играть фотонные приборы, созданные на основе интегральной оптики [5], а также гибридные системы с использованием микролазеров и других микрооптических элементов. Сегодня подобные исследования и разработки переходят в сферу нанофотоники [6], где, например, такие физические объекты как фотонные кристаллы [7,8]*, функционируют в области размеров, сравнимых и даже меньше длины световой волны.

Причем прогресс в создании перспективной элементной базы фотоники во многом определяется возможностями использующихся для этого материалов. Если раньше многочисленные разработки в данном направлении, чаще всего, основывались на «классических», давно известных материалах, то для последнего времени характерен переход к материалам с фотонными свойствами. Предполагается, что новые типы материалов откроют путь к получению новых свойств и функциональности, недосягаемых для встречающихся в природе и ранее использовавшихся материалов. Ожидается, что данный подход приведет к существенной модификации процессов взаимодействия оптического излучения с веществом, в частности, за счет многократного рассеяния света и появления новых размерных и кваптово-оптических эффектов [10].

Несмотря на то, что за счет использования различных видов литографии, методов сканирующей туннельной микроскопии удалось добиться выдающихся результатов по созданию различных новых фотонных сред, одними из наиболее перспективных технологий формирования подобных сред представляются направления, основанные на использовании механизмов самоорганизации, аналогичных действующим в биологических системах.

Если говорить о фотонных кристаллах, то оказалось, что природа уже создала материал с фотонно-кристаллическими свойствами, основанный на этих принципах — это благородный опал [11]. Благородный опал является.

Следует заметить, что впервые на возможность формирования разрешенных и запрещенных фотонных зон было обращено в работах Быкова В. П. [9]. драгоценной разновидностью обширного семейства опалов и выделяется характерной игрой цвета в различных частях видимой области спектра. Это один из наиболее дорогих ювелирных камней, известных человеку с глубокой древности. Исключительная редкость в совокупности с красотой и популярностью определяет высокую стоимость камня. С помощью электронной микроскопии установлено, что благородные опалы сложены однородными по размеру частицами кремнезема почти сферической формы с диаметром от 150 до 450 нм, пространство между которыми заполнено аморфным кремнеземом. Промышленные месторождения благородного опала имеются лишь в Австралии, для которой поставки этого драгоценного камня на мировой рынок — важнейший источник валюты.

В результате длительных исследований и экспериментов, проводимых в различных лабораториях мира, разработаны различные методы получения этого минерала. Данные технологии охватывают широчайший диапазон материалов и процедур синтеза. Упаковки сферических частиц формируются из различных материалов, как неорганических [12], так и органических [13]. На сегодняшний день технология получения опаловых матриц с размерами «монокристальных» (то есть регулярных высокоупорядоченных упаковок) областей до нескольких десятых долей кубического сантиметра наиболее полно разработана для диоксида кремния (ЗЮг). Именно на этой основе впервые были получены действительно трехмерные нанокомпозиты с характерной наномасштабной структурой. Подобные структуры обеспечивают материалам фотонные свойства и сформировали целую ветвь исследований в области опаловых фотонных кристаллов [14−16].

Во всем мире активно ведутся работы в этой стремительно развивающейся области. Число публикаций в области фотонных кристаллов и, в частности, формируемых на основе опаловых матриц растет экспоненциально (рис.1) [17]. Среди многочисленных лабораторий, в которых ведутся работы по разработке опаловых матриц и опаловых нанокомпозитов, а также исследования и разработки по созданию на этой основе новых фотонных сред и приборов, хотелось бы выделить Photonic Crystals Group of Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid (CSIC) (Spain) [18], Photonic Nanostructure Group at the University College Cork of the Tydnall National Institute (Ireland) [19], University of Toronto (Canada) [20] и другие. Все это подтверждает актуальность работ, проводимых в этом направлении.

No.Pubs.

Рис. 1. Рост числа публикации в области фотонных кристаллов [17].

В нашей стране уже много лет исследованиями опалов занимаются в Институте минералогии и петрографии СО РАН в Новосибирске под руководством профессора Д. В. Калинина [11]. Значительное количество работ по созданию и исследованию новых фотонных сред на основе опаловых матриц и опаловых нанокомпозитов выполнено в Физико-техническом институте им. А. Ф. Иоффе РАН (В.Н.Богомолов, В. Г. Голубев, А. А. Каплянский и др.), а также сотрудниками института, которые трудятся ныне в различных лабораториях мира (Ю.А.Власов (IBM TJ Watson Research Center), С. Г. Романов (Photonic Nanostructure Group at the University College Cork of the Tydnall National Institute (Ireland)) и др.) [21]. Подобные работы проводятся также в настоящее время в Физическом институте им. П. Н. Лебедева РАН, Институте общей физики им. А. М. Прохорова РАН, Институте общей и неорганической химии им. Н. С. Курнакова РАН, Московском государственном университете им. М. В. Ломоносова,.

Московском государственном техническом университете им. Н. Э. Баумана (Москва), Институте физики твердого тела РАН (Черноголовка), Институте проблем технологии микроэлектроники РАН (Черноголовка), Институте молекулярной и атомной физики АН Республики Беларусь, Белорусском государственном университете информатики и радиоэлектроники (Минск) и др.

Технология изготовления искусственных ювелирных опалов была разработана и в лаборатории профессора М. И. Самойловича во Всесоюзном научно-исследовательском институте синтеза минерального сырья, в Александрове Владимирской области (рис.2а) [22]. На этой базе, уже в Центральном научно-исследовательском технологическом институте «Техномага», были продолжены и продолжаются в настоящее время работы по созданию и исследованию опаловых матриц и опаловых нанокомпозитов для использования их в качестве фотонных, и не только фотонных, сред (рис.26) [ 15,23]. В Институте проблем лазерных и информационных технологий РАН исследования опаловых матриц и опаловых нанокомпозитов развиваются с целью создания принципиально новой компонентной базы для интегральных фотонных цепей [24].

4Ь.

Рис. 2. Фотографии искусственных опалов, изготовленных в лабораториях профессора Самойловича М. И.: (а) искусственные ювелирные опалы (ВНИИСИМС, г. Александров Владимирской области) н (б) опаловые матрицы (ОАО «ЦНИТИ"Техномаш», г. Москва).

Цель работы.

Целью настоящей работы являлась разработка и исследование перспективного для нанофотоники класса материалов, формируемых введением оптически активных элементов в межсферическое пространство опаловых матриц (решетчатых упаковок наносфер 8102). Ожидается, что подобные нанокомпозиты позволят создавать оптические среды с перспективными характеристиками и функциональностью и откроют возможности для разработки новых поколений элементной базы микрои оптоэлектроники.

Для достижения поставленной цели потребовалось решить следующие задачи:

Разработать процессы формирования фотонных нанокомпозитов с использованием различных технологий введения активных элементов в межсферическое пространство опаловых матриц.

— Провести всесторонние исследования влияния различных параметров (материальных, технологических и т. п.) на характеристики формируемых материаловпровести исследования фотолюминесценции полученных фотонных нанокомпозитов. На этой основе решить проблему оптимизации характеристик опаловых нанокомпозитов для последующего использования их для разработки источников и усилителей оптического излучения.

— Провести анализ путей возможного использования созданных материалов для разработки перспективной элементной базы микрооптики, волоконной и интегральной оптики.

Научная новизна.

1. Проведены исследования влияния материальных и технологических параметров на структуру и характеристики нанокомпозитов на основе опаловых матриц.

2. На основе полученных данных разработаны технологии формирования фотонных материалов, создаваемых введением редкоземельных элементов в опаловые матрицы методом пропитки и золь-гель методом.

3. Проведены исследования фотолюминесценции полученных нанокомпозитов на основе опаловых матриц.

4. Проведена оптимизация параметров редкоземельных нанокомпозитов на основе опаловых матриц с целью использования их в качестве источников и усилителей оптического излучения.

5. Предложены варианты использования созданных фотонных материалов при разработке перспективной элементной базы микрои оптоэлектроники.

Достоверность и обоснованность полученных результатов подтверждается систематическим характером проведенных исследований и разработокиспользованием современных технологических и экспериментальных методов исследованиянепротиворечивостью полученных экспериментальных результатов и их согласованностью с результатами других исследователейсозданием на основе разработанных опаловых нанокомпозитов прототипов новых фотонных компонентов.

На защиту выносятся.

1. Физические и технологические основы создания на основе опаловых матриц оптических сред, в которых имеет место существенное изменение процессов взаимодействия оптического излучения со средой, в первую очередь за счет усиления локальных электромагнитных полей и многократного рассеяния света.

2. Перспективный для нанофотоники класс материалов — нанокомпозиты, формируемые введением в опаловые матрицы различными методами различных редкоземельных элементов. Для создания нанокомпозитов применялись химические методы: метод пропитки и золь-гель метод. В качестве активных сред использовались несколько редкоземельных элементов: эрбий, иттербий, неодим.

3. Исследования строения и свойств разработанных нанокомпозитов с целью оптимизации их оптических параметров как источников оптического излучения. Исследовано влияние введения УЬ в качестве сенсибилизатора для Ег на оптические свойства нанокомпозитов. Показано, что в Ег-УЬ опаловых нанокомпозитах наблюдается конверсия излучения фотолюминесценции в видимую область спектра.

4. Возможные пути создания на основе разработанных опаловых материалов новых типов фотонных компонентов для микрооптики, волоконной и интегральной оптикиэкспериментально продемонстрированы прототипы подобных компонентов: структуры с квази-ЗБ фотонной запрещенной зоной и лазеры на рассеивающих средах.

Практическая ценность работы.

1. Разработаны физико — химические методы формирования опаловых нанокомпозитов введением активных оптических сред в межсферическое пространство опаловых матриц. Полученные данные позволили решить задачу создания перспективного для нанофотоники класса материалов на основе опаловых матриц, в которых существенно изменяются процессы взаимодействия оптического излучения с веществом.

2. Рассмотрены и экспериментально продемонстрированы возможные подходы по созданию на основе разработанных нанокомпозитов новых типов фотонных приборов для микрооптики, волоконной и интегральной оптики.

Представленные в диссертации исследования выполнены по планам научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ ОАО ЦНИТИ «Техномаш» в соответствии с федеральной целевой программой «Национальная технологическая база» по темам: ОКР «ФОТОН-А» «Разработка технологий промышленного производства поликристаллических алмазных пленок и создание на их основе многослойных и 3-х мерных структур для устройств связи, отображения и обработки информации» (2002 — 2003 годы) и ЫИОКР «НАЫОМАГНИТ» «Разработка технологии и специального технологического оборудования для получения активных фотонных кристаллов на основе кубических упаковок наносфер диоксида кремния с заполнением межсферического пространства фотовольтаическими и магнитными материалами для применения в устройствах ЗБ фотоники и наноэлектроники» (2003 — 2006 годы) и другим.

Апробация работы.

Результаты работы докладывались и обсуждались на семинарах Кафедры оптики и спектроскопии МГУ им. М. В. Ломоносова, Отдела перспективных лазерных технологий Института проблем лазерных и информационных технологий РАНI и II Международных симпозиумах «Nano and Giga Challenges in Microelectronics» (Москва, 2002; Краков, Польша, 2004) — Международных конференциях «Физика, химия и применение наноструктур» (Минск, 2003, 2005) — Школе-семинаре «Материалы, оборудование и технологии наноэлектроники и микрофотоники» (Улан-Удэ, 2003) — I и II Межрегиональных семинарах «Нанотехнологии и фотонные кристаллы» (Йошкар-Ола, 2003; Калуга, 2004) — IX — XII Международных научно-технических конференциях «Высокие технологии в промышленности России (материалы и устройства электронной техники)» (Москва, 2003, 2004, 2005, 2006) — Международной конференции «Nanostructured Thin Films and Nanodispersion Strengthened Coatings» (Москва, 2004) — Международной конференции «Photonics Europe» (Страсбург, Франция, 2004) — Конференции Европейского керамического общества «Nanoparticles, Nanostructures & Nanocomposites» (Санкт-Петербург, 2004) — Международной конференции «Coherent and Nonlinear Optics «и «Lasers, Applications, and Technologies (ICONO/LAT 2005)» (Санкт-Петербург, 2005) — II Международной конференции «Advanced Optoelectronics and Lasers «(Ялта, Украина, 2005), IX Международной конференции «Laser and LaserInformation Technologies: Fundamental Problems and Applications» и V Международном симпозиуме «Laser Technologies and Lasers» (ILLA/LTL'2006) (Smolyan, Bulgaria, 2006), XII Международной научной конференции «Физико-химические процессы при селекции атомов и молекул и в лазерных, плазменных и нано-технологиях» (Звенигород, 2008).

Публикации.

Результаты опубликованы в 40 статьях в отечественных и зарубежных изданиях, материалах всероссийских и международных конференций и симпозиумов [25−64], основными из которых являются следующие:

1. Самойлович М. И., КлещеваС. М., БеляшшА. Ф., Житковский В. Д., Цветков М. 10. Трехмерные нанокомпозиты на основе упорядоченных упаковок наносфер кремнезема // Микросистемная техника. — 2004. -№ 6. — С.3−7- № 7. — С.2−11- № 8. — С.9−17.

2. Tsvetkov М. Yu, Kleshcheva S. М., Samoilovich М. I., Gaponenko N. V., Shushunov A. N. Erbium photoluminescence in opal matrix and porous anodic alumina nanocomposites // Microelectronic Engineering. — 2005. -Vol.81, № 2−4. — P.273−280.

3. Самойлович M. И., Цветков M. Ю. Редкоземельные опаловые нанокомпозиты для нанофотоники // Нанои микросистемная техника. -2006, № 10. — С.8−14.

4. Samoilovich М. I., Tsvetkov М. Yu, Kleshcheva S. М., Guryanov А. V., Chigirinsky Yu. I., Gaponenko N. V., IvlevaL. I., BelyaninA. F. Erbium luminescence in 3Dand 2D-mesoporous matrices // Proc. SPIE. — 2004. -Vol.5450. -P.508−515.

5. Tsvetkov M. Yu, Samoilovich M. I., Kleshcheva S. M., Klyuchnik N. T. Opal photonic crystals as fiber components. //Proc. SPIE. — 2006. — Vol.6258.

6. Алимов О. К., Басиев Т. Т., Орловский Ю. В., Осико В. В., Самойлович М. И., Цветков М. Ю. От люминесценции к вынужденному излучению красителя Оксазин 17 в опаловой матрице. // Высокие технологии в промышленности России (материалы и устройства функциональной электроники и микрофотоники). Материалы XII Международной научно-технической конференции. Под ред. Белянина А. Ф., Житковского В. Д., Самойловича М. И. М.: ОАО ЦНИТИ «Техномаш». 2006. с. 69 — 73.

7. Клещева С. М., Самойлович М. И., Цветков М. Ю. Люминесценция редкоземельных элементов в опаловых нанокомпозитах // Наноматериалы. Ш. Фотонные кристаллы и нанокомпозиты на основе опаловых матриц. Коллективная монография. Под ред. Профессора М. И. Самойловича. М.: ОАО ЦНИТИ «Техномаш», 2007, с. 27 -.40.

Структура и объем диссертации

.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы из 180 наименований и приложений. Приложения включают 2 комплекта технологической документации процессов формирования опаловых нанокомпозитов. Работа содержит 119 страниц текста, включающих 3 таблицы и 38 рисунков.

4.4 Выводы по главе 4.

Рассмотрено современное состояние работ в области технологии опаловых фотонных структур. Обращено внимание на возможность формирования на базе опаловых матриц нанокомпозитов с усилительными, нелинейными и/или сенсорными свойствами, работающих вне фотонной запрещенной зоны и использования их для разработки перспективной компонентной базы микрооптики, интегральной и волоконной оптики. Экспериментально продемонстрированы прототипы таких приборов:

1. структуры с квази ЗБ фотонной запрещенной зоной;

2. лазеры на рассеивающих средах.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Потребности развития современных оптических средств хранения, передачи и обработки информации вызывают насущную потребность перехода от «классических» оптических сред к фотонным средам (фотонным материалам), где основную роль начинают играть процессы взаимодействия оптического излучения со средой на границах компонентов среды. Такой подход приводит к существенной модификации оптических характеристик материалов и, в частности, к значительному увеличению оптического отклика среды, что открывает возможности для существенного прогресса по пути создания перспективных приборов для телекоммуникаций и других отраслей современного многообразного мира. В настоящей работе представлены некоторые из направлений, которые могут привести к созданию подобных материалов и новых типов фотонных приборов:

1. Разработаны методы формирования опаловых нанокомпозитов введением активных оптических сред в межсферическое пространство опаловых матриц. Для создания нанокомпозитов использовались химические методы: метод пропитки и золь-гель метод. В качестве активных сред использовались несколько редкоземельных элементов: эрбий, иттербий, неодим.

2. Проведены исследования строения и свойств созданных материалов с целью оптимизации их параметров как перспективных источников оптического излучения. Исследовано влияние введения УЬ в качестве сенсибилизатора для Ег на оптические свойства нанокомпозитов. Обращено внимание на существенный вклад нелинейных процессов в люминесценцию нанокомпозитов, что приводит к конверсии излучения в видимую область спектра.

3. Показано, что полученные нанокомпозиты представляют собой новый класс оптических материалов, в которых имеет место существенное изменение процессов взаимодействия оптического излучения со средой, в первую очередь за счет формирования локальных электромагнитных полей и многократного рассеяния света.

4. Рассмотрены возможные подходы по созданию на основе разработанных нанокомпозитов новых типов фотонных приборов для микрооптики, волоконной и интегральной оптики и экспериментально продемонстрированы прототипы таких приборов: структуры с квази ЗО фотонной запрещенной зоной и лазеры на рассеивающих средах.

БЛАГОДАРНОСТИ.

Автор считает приятным долгом выразить благодарность и искреннюю признательность своим научным руководителям заведующему лабораторией ОАО «ЦНИТИ «Тсхномаш» д.ф.-м.н., профессору Самойловичу М. И. pi заведующему лабораторией ИТТЛИТ РАН к.ф.-м.н. Соколову В. И. за постоянное внимание, творческое участие и поддержку настоящей работыколлегам, совместно с которыми были получены экспериментальные результаты, нашедшие отражение в диссертации: д.ф.-м.н. Гапоненко Н. В., д.ф.-м.н. Орловскому Ю. В., к.ф.-м.н. Алимову O.K., к. г-м.н. Клещевой С. М., к.ф.-м.н. Мельнику H.H., к.ф.-м.н. Охримчуку А. Г., к.т.н. Ключнику Н. Т., к.т.н. Пащенко П. В., Шушунову А. Н. и многим другим.

Автор также выражает признательность за помощь при выполнении исследований и полезные рекомендации при выполнении и обсуждении отдельных экспериментальных результатов: руководителю Отдела лазерных технологий Научного центра лазерных материалов и технологий ИОФАН д.ф.-м.н. Басиеву Т. Т., заведующей сектором того же Отдела д.х.н. Ивлевой Л. И., начальнику отдела НИИ «Полюс» Шестакову A.B.

Автор выражает благодарность руководству Института проблем лазерных и информационных технологий РАН (Директору чл.-корр. РАН, д.ф.-м.н., профессору Панчешсо В. Я., заместителю директора по Отделению перспективных лазерных технологий к.т.н. Ульянову В.А.) и ОАО Центральный научно-исследовательский технологический институт «Техномаш» (Генеральному директору Житковскому В. Д., Первому заместителю генерального директора Жиликову В.В.) за постоянное внимание и поддержку настоящей работы.