Дво - і тривимірні фотонно - кристалічні структури.

Макропористий кремній. Як уже згадувалося, на основі кремнію можуть бути створені дво -та тривимірні фотонні кристали. Відзначимо, що в цих структурах вигляд спектра відбиття (пропускання) залежить від кристалографічного напрямку фотонного кристала. Зокрема, в тривимірному фотонному кристалі високої якості з кубічної структурою (період 2 мкм) повна ФЗЗ не виникає, поширення світла в ній заборонено для широкого діапазону частот і напрямків хвильових векторів. Спектр відбивання такого фотонного кристала містить широкий діапазон, що характеризується коефіцієнтом відбивання, близьким до одиниці. Подібні структури можуть бути досить корисні для розробки лазерних середовищ.

Подвійне променезаломлення в ІЧ діапазоні. Завдяки високій упорядкованості пор і кремнієвих елементів в фотонному кристалі він повинен проявляти властивості середовища зі значним подвійним променезаломленням. Дійсно, в двовимірному фотонному кристалі з радіусом пори 0, 644 мкм і відстанню між порами 1, 5 мкм величина подвійного променезаломлення досягає 0, 366. Максимальна величина подвійного променезаломлення повинна бути в структурі, утвореній паралельними шарами кремнію, розділеними пустотами (щілинами) - в щілинних структурах.

Елементи управління світлом на основі фотонно - кристалічних структур. Поряд зі створенням нових лазерних середовищ найбільш перспективним застосуванням фотонно- кристалічних структур є розробка оптичних пристроїв для управління світлом. Тут принципову роль відіграє можливість генерувати носії заряду в напівпровіднику при його освітленні. У щілинних структурах цей факт призводить до зростання поглинання на три порядки. Зміна показника заломлення за рахунок генерації носіїв заряду під дією фемтосекундного лазерного імпульсу здатне привести до зсуву положення ФЗЗ; тривалість цього процесу визначається часом життя нерівноважних носіїв. Цікавими є експерименти по зануренню в щілини рідких кристалів, що також є способом управління подвійним променезаломленням такої композитної системи.

Лекція 8. Перспективи застосування наноструктурованого кремнію в біомедицині та біотехнології. Використання поруватого кремнію в якості робочого елементу газових, хімічних та біологічних сенсорів.

Ідея використовувати наночастинки для діагностики та лікування найрізноманітніших захворювань не нова. Однак застосування наноматеріалів пов'язано з величезним ризиком внаслідок високої токсичності або самих наночастинок (які часто легко проникають в тканини, але важко виводяться), або токсичності елементів, що входять до їх складу (наприклад, важкі елементи, з яких складаються квантові точки).

Великий внесок у цей негативний ефект вносить фагоцитарна система організму, що розпізнає і інкапсулює чужорідні об'єкти. Результатом цього стає токсичну дію препарату. До того ж частинки, які не виконали свою функцію, не мають здатності до биоразложению і утворення легко виводяться з організму нетоксичних метаболітів.

З іншого боку, такі наночастинки в організмі повинні мати певний час життя, якого було б достатньо для діагностування або лікування захворювання. На сьогоднішній день особливий інтерес викликають пористі наночастинки, які складаються з елементів, що входять до складу живих організмів. Це й зрозуміло - такі наноматеріали зазвичай не викликають алергічних реакцій, вони потенційно можуть бути розщеплені в організмі і виведені з нього, а в порах можна розмістити лікарські препарати.

Одним з таких матеріалів є нанокремній. В організмі здорової людини вагою 50-70 кг вміст Si складає 0.5-1 г, что робить його 3-м мікроелементом після заліза та цинку. Крім того, Si у вигляді наночастинок розчиняється в організмі людини зі швидкістю від 1 нм (кисле середовище) до 1000 нм (лужне середовище) в день з утворенням ортокремнієвої кислоти. Реакції, що відбуваються на поверхні кремнію при її контакті з водним середовищем можна представити так:

Отже, пористий кремній є біосумісним матеріалом та має властивість біодеградації у водних розчинах, з яких складається живий організм. Ці властивості, а також доступна технологія отримання нанопоруватих форм кремнію, що дозволяє керувати розмірами кремнієвих фрагментів, розмірами пор (від нанометрів до мікрометрів) та ступенем їх пористости, робить цей матеріал цікавим для використання в біомедицині.

Можна виділити такі напрямки застосування поруватого кремнію в біомедицині:

• Матриці для адресної доставки ліків (а також систем, що дозовано доставляють в організм ліки) та візуального контролю лікування.

• Біокаталізатор (ПК є сенсибілізатором синглетного кисню).

• Імпланти (наприклад в ортопедії).

• Матриці та підкладинки для медичних технологій (для вирощування клітин, для біосенсорів).