Тип работы:
Предмет:
Язык работы:


РАСЧЕТ ОПТИЧЕСКИХ И СТРУКТУРНЫХ СВОЙСТВ ГИБРИДНЫХ И ПОРИСТЫХ СТРУКТУР НА ОСНОВЕ ФОТОННЫХ КРИСТАЛЛОВ

Работа №40013

Тип работы

Магистерская диссертация

Предмет

физика

Объем работы48
Год сдачи2019
Стоимость5700 руб.
ПУБЛИКУЕТСЯ ВПЕРВЫЕ
Просмотрено
337
Не подходит работа?

Узнай цену на написание


ВВЕДЕНИЕ 3
ГЛАВА 1 ГИБРИДНЫЕ СТРУКТУРЫ В РАЗЛИЧНЫХ ПРИЛОЖЕНИЯХ. 6
1.1 Свойства гибридных плазмон-фотонных кристаллов и их применение 6
1.2 Свойства гибридных частиц и их применение 11
1.3 Метод конечных разностей во временной области 14
ГЛАВА 2. ЧИСЛЕННЫЙ РАСЧЕТ СПЕКТРОВ ПРОПУСКАНИЯ СВЕТА ЧЕРЕЗ ОДНОМЕРНЫЙ ГИБРИДНЫЙ ПЛАЗМОН-ФОТОННЫЙ КРИСТАЛЛ 20
2.1 Условия и параметры моделирования 20
2.2 Зависимость оптических свойств 20одномерного гибридного плазмон-фотонного кристалла от толщины золотого слоя 22
2.3 Зависимость оптических свойств одномерного гибридного плазмон- фотонного кристалла от толщины буферного слоя 23
2.4 Зависимость оптических свойств одномерного гибридного плазмон- фотонного кристалла от показателя преломления буферного слоя 29
2.5 Выводы 30
ГЛАВА 3. ЧИСЛЕННЫЙ РАСЧЕТ ПОРИСТОСТИ ЧАСТИЦ 31
3.1 Фотометрический метод определения пористости частиц 31
3.2 Условия и параметры моделирования 35
3.3 Зависимость пропускания света частицы от показателя преломления 37 среды
3.4 Выводы 40
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 41
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 43

Актуальность работы заключается в создании совершенно новых фотонно-кристаллических структур и полному их изучению, все это необходимо для того, чтобы в дальнейшем реализовать их в практических устройствах фотоники. За последние годы, огромное количество исследований, были заинтересованы прежде всего на изучение уникальных оптических свойств фотонно-кристаллических структур, а также взаимодействие, влияющее на их материальную структуру. В нашей работе исследуются актуальные вопросы, такие как влияние функциональных материалов при сочетании с фотонно-кристалическими структурами, и их взаимодействие в перспективных композитных фотонно-кристаллических структурах.
Большой интерес представляют пористые частицы. Поэтому наш интерес привлек пористый кремний, так как на сегодняшний день он является наиболее активно используемым материалом (наноматериалом), потому что его структура представляет собой кремний, который пронизан развитой сетью полых пор [1]. Пористый кремний обладает огромным количеством уникальных свойств, которые нехарактерны для объемной структуры Si (кремний). Одной из главных особенностей пористого кремния является то, что он является материалом не биологическим происхождения. За счет этой особенности он без проблем может взаимодействовать с биологическими системами, поэтому кристалл пористого кремния является биосовместимым материалом [2 - 3]. Таким образом, данное свойство можно применить в биомедицине для переноса лекарств и питательных веществ [4 - 5]. Одним наиболее интересным применением частиц диоксида кремния является создание фотонных кристаллов на их основе.
Фотонный кристалл — это материал с диэлектрической проницаемостью, периодически меняющейся в пространстве, и период, которого допускает брэгговскую дифракцию света. Главным отличием фотонных кристаллов является наличие у них фотонной запрещенной зоны. Одним из популярных методов создания фотонных кристаллов, на сегодняшний день является метод само-сборки. В процессе создания ФК данным методом, микрочастицы диоксида кремния образуют плотноупакованную структуру, которую часто называют синтетическим опалом. Данные структуры состоят из плотноупакованных микрочастиц. Таким образом, частицы, образующиеся в результате синтеза, имеют разное количество пор.
Огромный интерес на сегодняшний день вызывают таммовские плазмон поляритоны (ТПП). Подобного рода интерес связан с их потенциальным применением в новых типах лазеров [6] и высокочувствительных датчиках [7 - 9]. Таммовские плазмоны имеют ряд преимуществ по сравнению с другими плазмонными модами. ТПП может быть получен путем прямого оптического возбуждения и может существовать как в TE, так и в ТМ-поляризациях. ГГПП характеризуется пиком пропускания в фотонной запрещенной зоне спектра пропускания [10 - 11]. Фотонная запрещенная зона - это частотное окно, в котором распространение света через кристалл затруднено [12]. Пик ТПП появляется из-за сосредоточения электромагнитного поля в резонаторе Фабри-Перо, где фотонный кристалл и металл являются зеркалами резонатора [10].
Таммовские плазмон поляритоны были предсказаны теоретически в 2007 году [10]. Впервые экспериментально наблюдались в 2010 году в одномерном плазмон- фотонных кристаллах в виде пика пропускания в запрещенной зоне фотона[11]. Так же в 2010 году был предложен способ как можно использовать Таммовские- плазмон-экситон-поляритонные моды в экситон-поляритонных интегральных схемах [13]. ТПП находят применение в генерации второй и третьей гармоник [14 - 15], флуоресценции, рефрактометрии и в поглощение света внутри-резонаторными металлическими слоями в микрополости позволяющей возбуждение таммовских плазмонов.
Добавление буферного слоя позволяет управлять вкладом компонент в гибридную моду и тем самым, изменять оптические свойства. Таким образом, можно подобрать ГФПК с определёнными параметрами буферного слоя для решения различных задач фотоники, например, при разработке оптических интегральных фотонных схем, биосенсоров и резонаторов для сильного взаимодействия света с веществом, в спонтанном параметрическом рассеянии света[16].
Целью данной работы является разработка методов управления оптическим откликом спектральных свойств гибридных плазмон-фотонных кристаллов и пористых фотонно-кристаллических структурах.
Задачи:
1. Моделирование распространения света в одномерном ФК, покрытым слоем металла. Анализ спектральных особенностей ПФК.
2. Моделирование распространения света в одномерном ПФК, содержащего буферный слой между ФК и слоем металла.
3. Моделирование распространения света в пористой фотонно-кристаллической структуре.

Возникли сложности?

Нужна помощь преподавателя?

Помощь студентам в написании работ!


Основные результаты и выводы:
1. Выполнено моделирование прохождения света через одномерный ГПФК и через пористую фотонно-кристаллическую структуру методом конечных разностей во временной области.
2. На основе результатов моделирования были выявлены зависимости длины волны и интенсивности пика пропускания в диапазон длин волн ЗЗ от показателя преломления и толщины буферного слоя.
3. Найден эффективный показатель преломления пористой фотоннокристаллической структуры n-1,417 ± 0,020.
4. Рассчитана пористость структуры: 20,3 ± 0,3 %.
С помощью варьирования показателя преломления и толщины буферного слоя, можно менять длину волны пика пропускания в пределах связанной с ним запрещенной зоны. Предполагается, что буферный слой можно использовать для управления оптическим откликом 1М ГФПК. Модель пористой структуры как эффективной среды является достоверной. Предполагается, что дальнейшим шагом является моделирование пористых ГПФК для увеличения функциональности сенсоров и активных сред.


1. Labunov V // Thin Solid Films. 1986. Vol. 137. P. 123-134
2. Canham, L.T //Adv. Mater. 1995. Vol. 7, №12. P. 1033-1036.
3. LowьS,.P. // Biomaterials. 2009. Vol. 30. P. 2873-2880.
4. Anglin, J. // Advanced drug delivery reviews. 2008. Vol. 60. P. 1266-1277.
5. Salonen, J. // Journalofcontrolledrelease. 2005. Vol. 108. P. 362-374.
6. Koryukin, A.V, Akhmadeev A.A, Sitdikova A.F, Modeling transmission light in photonic band gap of one-dimensional photonic-plasmonic crystals with buffer layer//Journal of Physics: Conference Series. - 2018. - Vol.1068, Is.1. - Art. № 012010.
7. Koryukin, A. V., Akhmadeev A. A., Calculation of the Transmission Peak at the Band Gap of One-Dimensional Photonic Crystal with an Active Layer//Uchenye zapiski kazanskogo universiteta-seriya fiziko-matematicheskie nauki. - 2018. - Vol.160, Is.1. - P.89-99.
8. Koryukin, A.V, Akhmadeev A.A, Gazizov A.R, Hybrid Mode of Optical States in Opal-like Plasmonic-Photonic Crystals//Plasmonics. - 2018. - Vol.,
9. Хамадеев, М. А. Корюкин, А. В. Ситдикова, А. Ф. Расчет пика
пропускания в запрещенной зоне одномерного гибридного фотон- плазмонного кристалла с буферным слоем / Когерентная оптика и оптическая спектроскопия: сборник статей. - Казань: Казанский
университет. - 2018. - Вып. 22. - С. 114-117.
10. Корюкин, А. В. Хамадеев, М. А. Шмакова, А. Л. Сенсоры на основе
фотонных кристаллов и плазмонных структур / Когерентная оптика и оптическая спектроскопия: сборник статей. - Казань: Казанский
университет. - 2017. - Вып. 21. - С. 131-134.
11. Корюкин, А. В. Хамадеев, М. А. Валитова, А. Ф. Спектрофотометрия гибридных фотон-плазмонных кристаллов / Когерентная оптика и
оптическая спектроскопия: сборник статей. - Казань: Казанский
университет. - 2017. - Вып. 21. - С. 151-154.
12. Корюкин, А. В. Ахмадеев, А.А. Салахов, М. С. Гибридная мода оптических состояний в опалоподобных плазмон- фотонных кристаллаха / Когерентная оптика и оптическая спектроскопия: сборник статей. - Казань: Казанский университет. - 2018. - Вып. 22. - С. 83-86.
13. Корюкин, А. В. Газизов, А. Р. Ахмадеев, А. А. Салахов, М. Х.
Моделирование пропускания света в запрещенной зоне одномерного гибридного фотон-плазмонного кристалла / Когерентная оптика и оптическая спектроскопия: сборник статей. - Казань: Казанский
университет. - 2017. - Вып. 21. - С. 123-126.
14. Koryukin A.V, Akhmadeev A.A, SalakhovM.Kh., Methods of characterization of synthetic opal films//Journal of Physics: Conference Series. - 2013. - Vol.478, Is.1. - Art. № 012013.
15. Корюкин, А. В. Метод зонда Кельвина в атомно-силовой микроскопии и его применения / // Когерентная оптика и оптическая спектроскопия: сборник статей. - Казань: Казанский университет. - 2012. - Вып. 16. - С. 65-68.
16. Шмакова, А. Л. Ахмадеев, А. А. Корюкин, А.В. Хамадеев, М.А. Влияние условий синтеза и осаждения коллоидного раствора частиц из диоксида кремния на качество образования двумерного фотонного кристалла/ Когерентная оптика и оптическая спектроскопия: сборник статей. - Казань: Казанский университет. - 2018. - Вып. 22. - С. 154-156.
17. V. Kuzmiak, A.A. Maradudin, Localized defect modes in a two-dimensional triangular photonic crystal // Phys. Rev. B. - 1987. - Vol. 57. - P. 1524215250.
18. E. Centeno, D. Felbacq, Light propagation control by finite-size effects in photonic crystals // Physics Letters A. - 2000. - Vol. 269. - P. 165-169.
19. C. Monat, C. Seassal, X. Letartre, P. Regreny, P. Rojo-Romeo, P. Viktorovitch, M. Le Vassord'Yerville, D. Cassagne, J.P. Albert, E. Jalaguier, S. Pocas, B.
Aspar, In P based photonic crystal microlasers on silicon wafer III Physica E. - 2003. - Vol. 17. - P. 475-476.
20. M.D.B. Charlton, M.E. Zoorob, G.J. Parker et al., Polarisation-dependent mixing in photonic crystal filled optical resonators II Mater. Sci. Engin. B. - 2000. - Vol. 74. - P. 17-27.
21. T. A. Birks, D. Mogilevtsev, J. C. Knight et al. Dispersion compensation using single material fibers. II IEEE Photonics Technol. Lett. - 1999. - Vol. 11. - P. 674-680.
22. V. Berger, Nonlinear Photonic Crystals II Phys. Rev. Lett. - 1998. - Vol. 81. -
P. 4136-4139.
23. K. Sakoda, K. Ontaka, Sum-frequency generation in a two-dimensional photonic lattice II Phys.Rev. B. - 1996. - Vol. 54. - P. 5742-5749.
24. Eli Yablonovitch. Inhibited Spontaneous Emission in Solid-State Physics and Electronics II Phys. Rev. Lett.— 1987.— Vol. 58.— Pp. 2059-2062.
25. Eli Yablonovich. Photonic band-gap crystals II J. Phys.: Condens. Matter.— 1993.— Vol. 5.— P. 2443-2446.
26. Susumu N. Spontaneous-emission control by photonic crystals and nanocavities I Susumu N., Masayuki F., Takashi A. II Nat. Photon. — 2007.— Vol. 1,no. 8.— Pp. 449-458.
27. Л. Новотный, Б.Хехт, Основы нанооптики, Москва, Физматлит 2011
28. Fan X., Wang G. P., Lee J. C. W., Chan C. T. All-Angle Broadband Negative Refraction of Metal Waveguide Arrays in the Visible Range: Theoretical Analysis and Numerical Demonstration // Physical Review Letters. - 2006.- V. 97, № 7.- P. 073901.
29. Zhang J., Jiang H., Gralak B., Enoch S., Tayeb G., Lequime M. Towards -1
effective index with one-dimensional metal-dielectric metamaterial: a
quantitative analysis of the role of absorption losses // Opt. Express. - 2007. - V. 15, № 12. - P. 7720-7729.]
30. Vinogradov A., Dorofeenko A., Nechepurenko I. Analysis of plasmonic Blochwaves and band structures of 1 D plasmonic photonic crystals // Metamaterials. - 2010. - V. 4, № 4. - P. 181-200.
31. Lheureux G., Azzini S., Symonds C., Senellart P., Lemaitre A., Sauvan C., Hugonin J.-P., Greffet J.-J., Bellessa J. Polarization-controlled confined Tamm plasmon lasers // ACS Photonics. — 2015.— т. 2, № 7.— с. 842-848. 19
32. Bruckner, R. Sudzius M., Hintschich S. I., Frob H., Lyssenko V. G., Kaliteevski M. A., Iorsh I., Abram R. A., Kavokin A. V., Leo K. Parabolic polarization splitting of Tamm states in a metal-organic microcavity // Appl. Phys. Lett. — 2012. — т. 100, № 6. — с. 062101. 19, 21
33. Braun T., Baumann V., Iff O., Hofling S., Schneider C., Kamp M. Enhanced single photon emission from positioned InP/GaInP quantum dots coupled to a confined Tamm-plasmon mode // Appl. Phys. Lett. — 2015. — т. 106, № 4. — с. 041113. 19
34. Gessler J., Baumann V., Emmerling M., Amthor M., Winkler K., Hofling S., Schneider C., Kamp M. Electro optical tuning of Tamm-plasmon exciton- polaritons // Appl. Phys. Lett. — 2014. — т. 105, № 18. — с. 181107. 19
35. Г алагудза, М. М., Королев Д. В., Сонин Д. Л. и др. Направленная доставка лекарственных препаратов — итоги последних лет и перспективы // Нанотехнологии экология производство. 2010. № 1. С. 132-138.
36. Галагудза, М. М., Королев Д. В., Сонин Д. Л. и др. Пассивная направленная доставка лекарственных препаратов в ишемизированный миокард с использованием наночастиц кремнезема // Российские нанотехнологии. 2010. Т. 5, № 11-12. С. 92-97.
37. Г алагудза, М. М., Королев Д. В., Сонин Д. Л. и др. Направленная доставка лекарственных препаратов — итоги последних лет и перспективы // Нанотехнологии экология производство. 2010. № 1. С. 132-138.
38. Трансляционная медицина / Под ред. член-корр. РАМН, проф. Е. В. Шляхто. СПб., 2010. 425 с.
39. Ивонин А. Г., Пименов Е. В., Оборин В. А. и др. Направленный транспорт
лекарственных препаратов: современное состояние вопроса и
перспективы // Известия Коми научного центра УрО РАН. 2012. Вып. 1 (9). С. 46-55.
40. Zhang, H. Diatom silica microparticles for sustained release and permeation enhancement following oral delivery of prednisone and mesalamine [Text] / H. Zhang, M. Shahbazi. da Silva T. H. // Biomaterials. - 2013. - V. 34, N. 36. - P. 9216 - 9219.
41. Koryukin, A. V. Methods of characterization of synthetic opal films [Text] / A. V. Koryukin, A. A. Akhmadeev, M. Kh. Salakhov // Journal of Physics: Conference Series - 2013. - V. 478. - P. 1 - 5.
42. K. S. Yee, Numerical solution of initial boundary value problems involving Maxwell’s equations in isotropic media // IEEE Trans. AntennasPropagat. - 1966. - Vol. AP-14 - P. 302- 307.
43. Ильгамов ,M. A. ГильмановД. H. Неотражающие условия на границах расчетной области. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2003. - 240 с.
44. Berenger, J. P. Three-Dimensional Perfectly Matched Layer for the Absorption of Electromagnetic Waves // Journal of Computational Physics. - 1996. - Vol. 127. - P.363-379.
45. Закиров, ,А. В Левченко, В. Д. Эффективный алгоритм для трехмерного моделирования распространения электромагнитных волн в фотонных кристаллах // Препринты ИПМ им. М.В.Келдыша. - 2008. - № 21. - 20 с.
46. Maex K., Baklanov M.R., Shamiryan D., Iacopi F., Brongersma S.H., Yanovitskaya Z.S. // J. Appl. Phys. 2003. V. 93. N 2. P. 8793-8841.
47. Фенелонов, В. Б. Введение в физическую химию формирования супрамолекулярной структуры адсорбентов и катализаторов. / В.Б. Фенилонов. - Новосибирск: изд. СО РАН, 2004. - 442с.
48. Айлер, Р. Химия кремнезема. / Р. Айлер. - М.:Мир, 1982. Ч. 1. - 416 с.
49. Maleki, H. An overview on silica aerogels synthesis and different mechanical reinforcing strategies. / H. Maleki, L. Duraes, A. Portugal. - Journal of NonCrystalline Solids, 2014. - V. 385. - P. 55-74.
50. Карнаухов, А. П. Адсорбция. Текстура дисперсных и пористых
материалов / А.П. Карнаухов. - Новосибирск: Наука, 1999. - 411с.
51. Standeker S. Adsorption of toxic organic compounds from water with hydrophobic silica aerogels. / S. Standeker, Z. Novak, J. Knez. - Journal of colloid and interface science, 2007. - V. 310. - P. 362-368.
52. Kadib, El. A. Functionalized inorganic monolithic microreactors for high productivity in fine chemicals catalytic synthesis. / A. El Kadib, R. Chimenton. - Angewandte Chemie, 2009. - V. 48. - P. 4969-4972.
53. Пармузина, Л. В. Подготовка и исследование кернов. Определение
пористости [Текст] / Л.В. Пармузина, Е.В. Алфертьева. - Ухта: УГТУ, 2010. - 20 с.
54. Si, T. Effed оf аш^гс аcidweightpеrcеntаgе оnthepоrе sizе ^О1У (N- Isоprоpylаcrylаmide-cо-аcrуlic аcid) micrоsphеrеs [Тех^ / T. Si, Y. Whng, W. Wеi, P. Lu, G. Ма, SuZ. // RеаctFunctPоlуm. - 2011. -V. 71. -P. 728 - 735.
55. Stober, W. Control led growth of monodisperse silica
spheresinthemicronsizerange [Text] / W. Stober, A. Fink, E. Bohn // J. Colloid Interface Sci. - 1968. - V. 26. - P. 62 - 69.
56. Камашев, Д. В. Влияние условий синтеза аморфного кремнезема на морфологию частиц [Текст] / Д.В. Камашев // Новые идеи и концепции в минералогии. - 2002. - С. 185-186.
57. Wiederseiner, Sebastien Refractive-index and density matching in concentrated particle suspensions: a review [Text] / Sebastien Wiederseiner, A. Nicolas, E-C Gael, A. Christophe // Fluids Exp. - 2011. - V. 50. - P. 1183-1206.
58. Ефимова, А. И. Инфракрасная спектроскопия твердотельных систем пониженной размерности [Текст] / А.И. Ефимова, Л.А. Головань, П.К. Кашкаров, В.М. Сенявин, В.Ю. Тимошенко. - Уч. Пособие СПб, 2016. - С. 29 - 31.

Работу высылаем на протяжении 30 минут после оплаты.




©2024 Cервис помощи студентам в выполнении работ