Введение 3
Глава I 6
1. Обзор литературы 6
1.1 Классификация фотонных кристаллов 6
1.2 Классификация и структура гибридных фотон-плазмонных кристаллов 9
Г лава II 18
2. Расчетная часть 18
2.1 Постановка задачи 18
2.2 Методы исследования 19
2.3 Описание модели и параметры моделирования 20
2.4 Изготовление гибридных фотон-плазмонных кристаллов на основе коллоидного фотонного кристалла 23
2.5 Спектральный анализ полученных спектров 24
2.6 Исследование оптических свойств и параметров гибридных фотон-плазмонных кристаллов 33
Результаты и выводы 39
Список публикаций 41
Участие в конференциях 43
Гранты 44
Список литературы 45
Благодарности 52
Диссертационная работа посвящена оптимизации структуры поверхностного слоя опалоподобных структур для возбуждения оптических таммовских состояний. Особое внимание уделяется изучению прохождения света через опалоподобные гибридные фотон-плазмонные кристаллы с различной геометрией поверхностного золотого слоя, влиянию внедрения различных форм буферного слоя на спектральные характеристики структур и зависимости оптических свойств структур с различной формой поверхностного слоя от поляризации света.
Большинство прорывов в сфере технологий стали результатом более глубокого понимания процессов, происходящих в материалах. В последние несколько десятилетий наиболее эффективными и перспективными подходами для контролирования оптических свойств материалов являются фотонные кристаллы и плазмонные структуры. По сравнению с одномерными и двумерными структурами наиболее полно выраженными фотонно-кристаллическими свойствами обладают трехмерные фотонные кристаллы. Однако реализация трехмерных фотонных кристаллов представляет собой нетривиальную задачу. На данный момент очень мало работ по исследованию трехмерных структур. Трехмерные фотонные кристаллы имеют значительные преимущества в применении по сравнению с одномерными фотонными кристаллами, поскольку они обладают полной запрещенной зоной и пористостью. В спектрах опалоподобных гибридных фотон-плазмонных кристаллов не наблюдаются пики пропускания, соответствующие оптическим таммовским состояниям, но имеются сдвиги запрещенных зон. В данной работе мы рассматриваем такие структуры с различными формами поверхностного и буферного слоев для возбуждения оптических таммовских состояний. Оптические таммовские состояния находят широкое применение при создании датчиков и оптических переключателей [1], однофотонных источников [2], так же используются в биосенсорах [3, 4],
интегральных схемах [5], различных лазерах [1], многоканальных фильтрах [6], усилителях эффекта Керра [7], органических солнечных элементах [8] и поглотителях [9].
Актуальность работы обусловлена возможностью управления спектральными характеристиками гибридных фотон-плазмонных кристаллов и создания перестраиваемых устройств на основе таких структур. В данной работе рассматриваются фотонные кристаллы, на поверхности которых находится тонкий слой металла. Эти структуры получили название гибридных фотон- плазмонных кристаллов. Выбранная модель фотонного кристалла с гранецентрированной кубической решеткой является наиболее подходящей для формирования полной запрещенной зоны [10]. Благодаря возможности варьирования положения и ширины пика пропускания, в зависимости от используемого материала и геометрии структуры, гибридные фотон- плазмонные кристаллы имеют широкую область практического применения. В этих структурах мы можем наблюдать такие эффекты, как оптические таммовские состояния. Оптическими таммовскими состояниями (ОТС) называются моды, локализованные на поверхности рассматриваемой структуры. К одному из подвидов оптических таммовских состояний можно отнести таммовские плазмон-поляритоны (ТПП). Для наблюдения этого эффекта не требуется фазового согласования с волновым вектором падающего света. Проявление возможно как для поперечной электрической, так и для поперечной магнитной поляризации [11]. Оптический отклик системы, в виде возбуждения оптического плазмон-поляритона, впервые был зарегистрирован в виде узкого резонанса в спектре пропускания системы металл/ФК [12]. Эксперименты по прохождению света через опалоподобные ФК с золотым слоем были объяснены Коровиным А.В. и др. [11]. Еще одним важным свойством ОТС является возможность существования как при s-, так и при p- поляризации. На данный момент изучены опалоподобные гибридные фотон- плазмонные кристаллы с золотым слоем в виде шапочек, однако модели с другими формами золотого слоя мало исследованы. В литературе представлено мало теоретических и экспериментальных работ, посвященных исследованию оптических таммовских состояний в структуре с непрерывным плоским слоем золота.
Научная новизна работы определяется тем, что в нем проводится анализ полученных спектров, с целью выявить условия высокоэффективного возбуждения оптических таммовских состояний. Установлена зависимость влияния длины волны, ширины диапазона длин волн и интенсивности пика пропускания оптического таммовского состояния от толщины буферного слоя и структур золотого и буферного слоев. В нашей работе показано, что оптические свойства структур с различной формой поверхностного слоя не зависят от поляризации света, за исключением структуры с гофрированным золотым и с гофрированным буферным слоями. Полоса пропускания структуры с гофрированным слоем золота обладает поляризационной чувствительностью и имеет меньшую ширину. Оптические характеристики гибридных структур претерпевают значительные изменения при добавлении буферного слоя различной формы между ФК и слоем золота. На спектрах пропускания при модернизации фотон-плазмонного кристалла происходит изменение ширины пика пропускания и увеличение его интенсивности относительно фона.
Практическая значимость работы заключается в демонстрации расширения функциональных возможностей оптических материалов на основе коллоидных ФК с различной формой поверхностного и буферного слоев.
Цель настоящего исследования - оптимизация структуры поверхностного слоя гибридных опалоподобных фотон-плазмонных кристаллов для эффективного возбуждения оптических таммовских состояний.
Достоверность полученных результатов обеспечена корректностью использования выбранных моделей и численного метода, а также соответствием результатов теоретическим и экспериментальным данным.
В данной работе с помощью метода вертикального осаждения синтезированы ФК на основе диоксида кремния. Методами спектральной фотометрии, атомно-силовой микроскопии и лазерной дифракции проведено комплексное измерение характеристик синтезированных образцов ФК: диаметра микросфер, эффективного показателя преломления, межплоскостного расстояния, среднего разброса по размерам, которые в пределах экспериментальных погрешностей согласуются с литературными данными и между собой. Мы рассмотрели прохождение света через ГФПК с семью различными структурами поверхностного слоя. Исследовали влияние внедрения различных форм буферного слоя на спектральные характеристики структур. Добавление буферного слоя приводит к тому, что спектры пропускания структур становятся качественно похожими друг на друга. Таким образом, оптические свойства таких ГФПК больше зависят от фотонной моды буферного слоя. Такой слой может быть рассмотрен как волновод. Несмотря на то, что пик пропускания более интенсивен у одномерного ГФПК, чем у трехмерных ГФПК, при решении задач, где необходим контроль света внутри ФК во всех направлениях, трехмерный ГФПК с плоским слоем золота и буферным слоем имеет преимущества. Более того, такая структура имеет лучше выраженный пик пропускания среди опалоподобных ГФПК. Было показано, что пики пропускания в спектрах пропускания структур с плоской формой золотого слоя не чувствительны к поляризации падающего света. Это свидетельствует о возбуждении традиционных ОТС в таких структурах. Пики пропускания спектров пропускания структур с гофрированной формой золотого слоя зависят от поляризации. Это свидетельствует о возбуждении гибридной фотонной и плазмонной моды. Следует отметить, что длина волны, ширина диапазона длин волн и интенсивность пика пропускания ОТС зависит от толщины буферного слоя и структур золотого и буферного слоев. Управление таким параметром, как толщина буферного слоя, позволяет контролировать оптические свойства ГФПК. Таким образом, можно подобрать ГФПК с необходимой структурой поверхностного слоя для различных применений, например, для интегральных схем, биосенсоров и резонаторов для сильного взаимодействия света с веществом.
1) На основе результатов моделирования получены зависимости пика пропускания от толщины золотого и буферного слоев для семи структур, отличающихся геометрией поверхностного слоя.
2) Максимальное значение пика пропускания соответствует структуре с гофрированным слоем золота и буферным слоем. Он имеет лучше выраженный пик пропускания среди опалоподобных ГФПК.
3) Оптимизация структуры позволяет улучшить распространение света в среде с определенной структурой поверхностного слоя, что может найти применение при создании оптоэлектронных устройств с улучшенными спектральными характеристиками и в различных задачах фотоники.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
