Нанокомпозиты

Современное развитие фотоники идет в направлении интеграции дискретных оптических элементов на единой платформе, с одной стороны, и переход от микронных и субмикронных размеров этих элементов, с другой стороны, к наноразмерам, что значительно увеличивает плотность размещения элементов в интегральных схемах. Причем, к фотонным интегральным схемам предъявляются требования не просто объединить или уплотнить разные функциональные оптические элементы, а использовать среды с различными пространственно расположенными функциональными неоднородностями. При этом появляются совершенно новые функциональные возможности и значительно снижается стоимость устройств, что важно для широкого спектра практических применений фотонных интегральных схем – от защиты дисплеев, оптической метрологии до сенсоров для химии, биомедицины и т.д.

Нанотехнология позволяют объединить эти два направления и синтезировать оптические композитные среды или нанокомпозиты, включающие нанообъекты и обладающие в результате уникальными и управляемыми физическими свойствами. А нанооптика, еще сравнительно новое направление в оптике, позволяет функционально объединить в единые блоки разные оптические элементы и создавать объемные (3-D) фотонные интегральные схемы [35].

Исследование композитных сред для нанооптики вызывает интерес по ряду причин. Главная причина заключается в том, что такие соединения имеют аномальные свойства по сравнению с однородными материалами. В частности, некоторые физические параметры, скажем, теплопроводность из-за сильной зависимости от концентрации примесной дисперсной фазы имеют особенности в температурных характеристиках. Другой причиной является то, что композитные соединения оказываются значительно более дешевыми в изготовлении, чем однородные соединения при условии сохранения физических параметров.

Когда свет проходит через среду с периодическими неоднородностями, размеры которых значительно меньше длины оптической волны, то протекающие взаимодействия физически существенно отличаются от взаимодействий с объемными оптически крупными объектами. По определению дифракционные решетки и структуры с периодами от десятка до сотни нанометров являются объектами нанооптики. Точность изготовления таких нанооптических устройств составляет единицы нанометров. Рассмотрим в качестве примера структуру нанооптического устройства, предназначенного для мультиплексирования сигналов в режиме WDM в телекоммуникационных сетях. Такое устройство должно было бы содержать по крайней мере пять слоев (см. рис. 3.16).

Рис. 3.16 Структура фотонной интегральной схемы для нанооптики [35]

Два слоя (верхний и нижний) предназначены для оптического согласования устройства с воздухом. Слои 1 и 2 толщиной меньше 1 мкм созданы из диоксида кремния (SiO₂). Основной рабочий слой выполнен в виде брэгговской решетки с периодом в нанометровой шкале. Вся фотонная объемная интегральная схема (ФОИС) выполнена на стеклянной подложке толщиной 1 мм. Нанотехнология позволяет создавать устройства в оптическом диапазоне от УФ до ближней ИК области спектра. В данном примере по нанотехнологии изготовлен только один слой, но по сравнению с технологией изготовления объемных интегральных схем она позволяет создавать также многослойные нанокомпозитные среды для быстродействующих устройств с малой себестоимостью их изготовления.

Более сложная структура ФОИС показана на рис. 3.17. Здесь помимо слоев с брэгговской решеткой для мультиплексирования сигналов имеется надстройка из пяти дополнительных слоев с нанооптическими структурами для обработки оптической информации.

Известно, что в диэлектрических микроволноводах существует нижний предел по длине волны для основной моды, который не может быть меньше , где - длина оптической волны, n - показатель преломления волновода. Кроме того классические объемные микроволноводы ограничены по направляющим возможностям и не могут обеспечить резкого поворота излучения на 90 градусов. Значительно продвинуться по частоте и расширить направляющие возможности позволяет нанотехнология. Периодические структуры из наночастиц металла в оптически прозрачной диэлектрической матрице на частотах плазменного резонанса способны направлять и модулировать свет в режиме, характерном для связи в ближнем поле. Здесь следует напомнить читателю физическую сущность плазменного резонанса.

Рис. 3.17. Многослойная структура фотонной (3D) интегральной схемы с элементами нанотехнологии. Структура с брэгговской решеткой (см. рис. 1). Дополнительные слои: 1 и 4 – нано – оптические структуры; 2- изолирующий слой; 3- волноводный слой; 5- антиотражающий слой [35].

На частотах плазменного резонанса в металлах происходит поглощение света и рождение квазичастиц – плазмонов. Плазмоны – это коллективные возбуждения квантовых осциляций свободного электронного газа. Ширина линии плазменного резонанса определяется временем релаксации электрон-фононного взаимодействия , как . Нановолноводы – это микроволноводы, изготовленные из нанокомпозитов в виде диэлектриков с наночастицами металла. Эти устройства способны обеспечить передачу оптических сигналов на длинах волн на порядок меньших () по сравнению с фундаментальным пределом для классических микроволноводов [36]. Пики плазменного резонанса для наночатиц серебра (Ag) и золота (Au) лежат в диапазоне от 300 нм до 2000 нм. Времена релаксации для наночастиц золота и серебра составляют с и с соответственно. Для размеров менее 10 нм заметно растет оптическое рассеяние, что увеличивает ширину плазменного резонанса. Поэтому размеры наночастиц металл выбирают в пределах от 10 до 50 нм. Когда наночастицы имеют такие размеры взаимодействие оптических волн с частицами металла в нановолноводе носит электро- дипольный характер в ближнем поле. Следует здесь дать определение ближнего поля. Под ближнем полем взаимодействия световых волн с веществом понимается расстояние L, которое определяется длиной оптической волны и размером наночастиц d: . Для длины волны равной 1 мкм и размера наночастицы 10 нм ближнее поле ограничено областью в 100 мкм. При распространении световых волн по нановолноводу фаза волны на соседних частицах сильно зависят от расстояния между частицами, частоты волны и ее поляризации. В случае правильного выбора параметров волны становятся когерентными с волновым вектором вдоль направления распространения.

В работе [37] проведен численный эксперимент по расчету распределения светового поля в нановолноводе методом конечных разностей во временной области (FDTD). На рис. 3.18 приведены результаты численных расчетов распределения поля поперечной моды (рис.3.18, а) и продольной моды (рис.3.18, б) световой волны на частоте плазменного резонанса в нановолноводе с частицами золота 50 нм. Нерезонансное распределение поля для продольной моды показано на рис. 3.18, в.

Другим перспективным объектом нанооптики явяется среда с квантовыми точками. Такая среда представляет собой нанокомпозит в матрице которого встроена подсистема из нанокластеров с размерами, сравнимыми с длиной волны Де Бройля для свободного электрона. Особенности, связанные с размерным квантованием в ультрадисперсных средах (УДС) теоретически были предсказаны в работе Горькова- Элиашберга [38]. Среднее расстояние E между уровнями обратно пропорционально плотности состояний на уровне Ферми определяется, как:

, (3.9)

где m^* - тепловая эффективная масса электрона; K_F - импульс Ферми; d - размер наночастицы металла; - нормированная постоянная Планка.

Рис.3.18. Визуализация распределения поля оптической волны в нановолноводе на основе наночастиц золота с размером 50 нм: поперечная мода на частоте плазменного резонанса (а); продольная мода на резонансной частоте (б); продольная мода на нерезонансной частоте (в)

C помощью формулы (3.9) нетрудно оценить размеры наночастиц по измерению энергии оптических переходов в спектре оптического поглощения в нанокомпозите. Все полученные значения для энергетических уровней E₁, E₂…E_n, ширины перехода E и размера наночастицы d приведены в табл. 3.1.

Таблица 3.1

Примечание: значение K_F =1.75 10¹⁰ м^-1, m^* =0.05 m₀, где m₀ - масса свободного электрона.

Зонная диаграмма нанокомпозита с квантовыми точками представляет собой набор минизон. Оптические переходы E=E_n-E_n-1 между минизонами в электронном спектре наночастиц металла зависят от размера наночастицы металла, а ширина минизоны- от расстояния между наночастицами.

Особенности, соответствующие оптическим переходам между невырожденными энергетическими уровнями в электронном спектре металлической наночатицы железа в нанокомпозите на основе матрицы из полиэтилена высокого давления изучены в работе [39]. Энергии оптических переходов отмечены стрелками и обозначены буквами E_1, E₂…E_n (рис.3.19). При малых концентрациях X наночастицы металла представляют собой практически чистое железо.

С ростом концентрации железа кроме увеличения размеров металлических наночастицы меняют и свой химический состав, покрываясь оксидом железа (появление так называемой «pitch» структуры), что размазывает тонкую структуру спектральной кривой поглощения. Анализ особенностей, связанных с квантовыми размерными эффектами в УДС при комнатной температуре, показывает, что в эксперименте [39] осциллирующая структура кривой поглощения наблюдается только для частиц с размером до 3.5 нм.

В работах [40, 41] приведены результаты исследований с нанокомпозитами на основе ZnS/CdSe квантовых точек и разработана техника разделения цветов без их перекрытия. Суть техники состоит в том, что внешним оптическим источником в наночастицах возбуждаются экситоны, представляющие собой связанные электронно-дырочные пары. Электрон и дырка в экситонах находятся на расстоянии, определяемом размером наночастицы, который может отличаться от радиуса Бора для объемного материала в ту или иную сторону. Длина волны флуоресценции, определяемая энергией связи экситона, также зависит от размера наночастицы. Таким образом, синтезируя или применяя наночастицы нужных размеров, можно создавать среды, излучающие на требуемой длине волны.

Рис.3.19. Дисперсионные зависимости показателя преломления (n) и коэффициента поглощения (K) для разной перколяционной концентрации железа X в нанокомпозите: X =0.5% Fe. Обозначения: показатель преломления - кривая 1; коэффициент поглощения- кривая 2; E₁, E₂..E_n- оптические переходы

На рис.3.20 показано изображение спектра флуоресценции биологической среды на пяти длинах волн [42].

-

Рис. 3.20. Изображение флуоресценции биологической среды с квантовыми точками: митохондрия (оранжевый), тубилин (зеленый), ядерный протеин (ярко красный), ядерный антиген (голубой цвет) и актин (красный) [42]

Изменение цвета стекол с помощью наночастиц серебра имеет ряд практических приложений. Например, лампа красного цвета для медицины может быть изготовлена с помощью наночастиц размером 50 нм при их концентрации 75 мГ/см³.