Помощь студентам в учебе
ИССЛЕДОВАНИЕ ПОРИСТОСТИ МИКРОЧАСТИЦ ДИОКСИДА КРЕМНИЯ МЕТОДАМИ ОПТИЧЕСКОЙ ФОТОМЕТРИИ
|
Введение
Глава 1. Обзор литературы 7
1.1. Классификация фотонных кристаллов 7
1.2. Изготовление фотонных кристаллов 11
Глава 2. Синтез фотонных кристаллов 14
2.1. Метода самопроизвольного формирования фотонных кристаллов ... 14
2.2. Синтез коллоидных фотонных кристаллов на основе диоксида
кремния 19
2.3. Структура коллоидных фотонных кристаллов 22
Глава 3. Исследование пористости микрочастиц диоксида кремния 24
3.1 Исследование пористости микрочастиц диоксида кремния 24
3.2 Исследование пористости микрочастиц диоксида кремния 28
Результаты и выводы 32
Список литературы 33
Глава 1. Обзор литературы 7
1.1. Классификация фотонных кристаллов 7
1.2. Изготовление фотонных кристаллов 11
Глава 2. Синтез фотонных кристаллов 14
2.1. Метода самопроизвольного формирования фотонных кристаллов ... 14
2.2. Синтез коллоидных фотонных кристаллов на основе диоксида
кремния 19
2.3. Структура коллоидных фотонных кристаллов 22
Глава 3. Исследование пористости микрочастиц диоксида кремния 24
3.1 Исследование пористости микрочастиц диоксида кремния 24
3.2 Исследование пористости микрочастиц диоксида кремния 28
Результаты и выводы 32
Список литературы 33
В настоящее время фотонные кристаллы (ФК) вызывают большой интерес в связи с их различными приложениями в фотонике и оптоэлектронике [1, 2]. Так, например, они могут быть использованы как частотные фильтры и волноводы. Фотонные кристаллы представляют собой материал, как правило, искусственный, с периодически распределенной в пространстве диэлектрической функцией [3-6]. Такое распределение диэлектрической функции может быть достигнуто, например, путем внедрения периодического массива из элементов с одной диэлектрической проницаемостью в среду с иной диэлектрической проницаемостью. В качестве составляющих элементов внедряемого в среду массива могут быть использованы диэлектрики [5, 6], полупроводники, металлы [7, 8] и сверхпроводники [9-12].
Запрещенные зоны фотонного кристалла представляют собой спектральные области, в пределах которой распространение света в фотонном кристалле подавлено во всех (полная фотонная запрещенная зона) или в некоторых избранных направлениях. Возникновение запрещенных зон связано с дифракцией света на периодической структуре ФК, поэтому очевидно, что в ФК, имеющих запрещенные зоны в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах, указанная периодичность должна быть на субмикронном масштабе. Благодаря зонной структуре энергетического спектра, фотонные кристаллы часто рассматривают как оптический аналог электронных полупроводников [13]. Наличие полной запрещенной зоны должно приводить, например, к подавлению спонтанного излучения из образца [3] и другим важным оптическим эффектам [14]. Создавая точечные дефекты (или резонансные полости) в таком кристалле, можно захватить фотоны в «ловушки» запрещенной зоны (локализовать фотоны в полостях дефекта), а затем определенным образом использовать. Регулярные структуры
интегральных оптических волноводов (или диэлектрических стержней) с круглым, прямоугольным или шестигранным сечением позволяют формировать диэлектрическую (оптическую) и даже гибридную (диэлектрически- металлическую) кристаллические структуры, которые обладают удивительными свойствами.
Важно отметить, что с фотонными кристаллами связывают будущее современного материаловедения. В настоящее время проводитсяактивное изучение свойств фотонных кристаллов. Разрабатываются теоретические методы их исследования, разрабатываются и изучаются различные устройства с фотонными кристаллами, также проводят практическую реализацию теоретически предсказанных эффектов в фотонных кристаллах. В частности, предполагается, что:
• Использование фотонных кристаллов в лазерах позволит получить малосигнальную лазерную генерацию, что приведет к созданию так называемых низкопороговых и безпороговых лазеров;
• Основанные на фотонных кристаллах волноводы могут обладать малыми потерями и способны изменять направление света при минимальном радиусе изгиба;
• Среды с отрицательным показателем преломления, созданные при помощи фотонных кристаллов, могут осуществить возможность фокусировать свет в точку размерами меньше длины волны («суперлинзы»);
• Фотонные кристаллы обладают существенными дисперсионными свойствами (их свойства зависят от длины волны проходящего через них излучения), это даст возможность создать суперпризмы;
• Новый класс дисплеев, в которых манипуляция цветом пикселей осуществляется при помощи фотонных кристаллов, частично или полностью заменит существующие дисплеи;
• Благодаря упорядоченному характеру явления удержания фотонов в фотонном кристалле, на основе этих сред возможно построение оптических запоминающих устройств и логических устройств [15,16].
• При определенных температурах фотонные сверхпроводники [17, 18] могут проявлять свои сверхпроводящие свойства. Такие фотонные кристаллы можно использовать в качестве полностью оптических датчиков температуры, способны работать с большими частотами и совмещаются с фотонными изоляторами и полупроводниками.
Существуют различные методы для создания ФК, такие как литография, голография, метод травления, интерференционная голография и самосборка коллоидных частиц. У каждого подхода есть, как и свои преимущества, так и недостатки. В данной работе образцы ФК были получены при помощи метода самосборки. Данный метод довольно прост с точки зрения аппаратурного оформления, также нет ограничений на количество ФК, производимых за один синтез. Фотонные кристаллы, изготовленные с помощью метода самосборки коллоидных частиц, именуют синтетическими опалами из-за аналогии с широко известными природными минералами. При этом синтез самих частиц представляет собой сложный, многоступенчатый физико-химический процесс, из-за чего структура частиц обладает сложной внутренней структурой, которая крайне чувствительна к условиям синтеза. Поэтому развитие методов определение пористости частиц диоксида кремния, полученных в результате синтеза, является актуальной задачей. Таким образом, целью данной работы является исследование пористости микрочастиц диоксида кремния с помощью методов оптической фотометрии. Для достижения этой цели в работе решались следующие задачи:
• получение коллоидного раствора сферических частиц SiO2 методом
В.Штобера и А.Финка
• синтез пленочных ФК методом вертикального осаждения полученных частиц на стеклянную подложку
• исследование зависимости эффективного показателя преломления синтезированных ФК от продолжительности температурной обработки
• вычисление на основе экспериментальных данных величины пористости частиц.
Запрещенные зоны фотонного кристалла представляют собой спектральные области, в пределах которой распространение света в фотонном кристалле подавлено во всех (полная фотонная запрещенная зона) или в некоторых избранных направлениях. Возникновение запрещенных зон связано с дифракцией света на периодической структуре ФК, поэтому очевидно, что в ФК, имеющих запрещенные зоны в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах, указанная периодичность должна быть на субмикронном масштабе. Благодаря зонной структуре энергетического спектра, фотонные кристаллы часто рассматривают как оптический аналог электронных полупроводников [13]. Наличие полной запрещенной зоны должно приводить, например, к подавлению спонтанного излучения из образца [3] и другим важным оптическим эффектам [14]. Создавая точечные дефекты (или резонансные полости) в таком кристалле, можно захватить фотоны в «ловушки» запрещенной зоны (локализовать фотоны в полостях дефекта), а затем определенным образом использовать. Регулярные структуры
интегральных оптических волноводов (или диэлектрических стержней) с круглым, прямоугольным или шестигранным сечением позволяют формировать диэлектрическую (оптическую) и даже гибридную (диэлектрически- металлическую) кристаллические структуры, которые обладают удивительными свойствами.
Важно отметить, что с фотонными кристаллами связывают будущее современного материаловедения. В настоящее время проводитсяактивное изучение свойств фотонных кристаллов. Разрабатываются теоретические методы их исследования, разрабатываются и изучаются различные устройства с фотонными кристаллами, также проводят практическую реализацию теоретически предсказанных эффектов в фотонных кристаллах. В частности, предполагается, что:
• Использование фотонных кристаллов в лазерах позволит получить малосигнальную лазерную генерацию, что приведет к созданию так называемых низкопороговых и безпороговых лазеров;
• Основанные на фотонных кристаллах волноводы могут обладать малыми потерями и способны изменять направление света при минимальном радиусе изгиба;
• Среды с отрицательным показателем преломления, созданные при помощи фотонных кристаллов, могут осуществить возможность фокусировать свет в точку размерами меньше длины волны («суперлинзы»);
• Фотонные кристаллы обладают существенными дисперсионными свойствами (их свойства зависят от длины волны проходящего через них излучения), это даст возможность создать суперпризмы;
• Новый класс дисплеев, в которых манипуляция цветом пикселей осуществляется при помощи фотонных кристаллов, частично или полностью заменит существующие дисплеи;
• Благодаря упорядоченному характеру явления удержания фотонов в фотонном кристалле, на основе этих сред возможно построение оптических запоминающих устройств и логических устройств [15,16].
• При определенных температурах фотонные сверхпроводники [17, 18] могут проявлять свои сверхпроводящие свойства. Такие фотонные кристаллы можно использовать в качестве полностью оптических датчиков температуры, способны работать с большими частотами и совмещаются с фотонными изоляторами и полупроводниками.
Существуют различные методы для создания ФК, такие как литография, голография, метод травления, интерференционная голография и самосборка коллоидных частиц. У каждого подхода есть, как и свои преимущества, так и недостатки. В данной работе образцы ФК были получены при помощи метода самосборки. Данный метод довольно прост с точки зрения аппаратурного оформления, также нет ограничений на количество ФК, производимых за один синтез. Фотонные кристаллы, изготовленные с помощью метода самосборки коллоидных частиц, именуют синтетическими опалами из-за аналогии с широко известными природными минералами. При этом синтез самих частиц представляет собой сложный, многоступенчатый физико-химический процесс, из-за чего структура частиц обладает сложной внутренней структурой, которая крайне чувствительна к условиям синтеза. Поэтому развитие методов определение пористости частиц диоксида кремния, полученных в результате синтеза, является актуальной задачей. Таким образом, целью данной работы является исследование пористости микрочастиц диоксида кремния с помощью методов оптической фотометрии. Для достижения этой цели в работе решались следующие задачи:
• получение коллоидного раствора сферических частиц SiO2 методом
В.Штобера и А.Финка
• синтез пленочных ФК методом вертикального осаждения полученных частиц на стеклянную подложку
• исследование зависимости эффективного показателя преломления синтезированных ФК от продолжительности температурной обработки
• вычисление на основе экспериментальных данных величины пористости частиц.
1. Получен коллоидный раствор сферических частиц SiO2 методом В.Штобера и А.Финка;
2. Синтезированы пленочные фотонные кристаллы методом вертикального осаждения полученных частиц на стеклянную подложку;
3. Исследована зависимость эффективного показателя преломления синтезированных фотонных кристаллов от продолжительности температурной обработки;
4. На основе экспериментальных данных величины вычислена пористость частиц;
5. Предложенный метод может быть использован для уточнения результатов, полученных в рамках других методов.
2. Синтезированы пленочные фотонные кристаллы методом вертикального осаждения полученных частиц на стеклянную подложку;
3. Исследована зависимость эффективного показателя преломления синтезированных фотонных кристаллов от продолжительности температурной обработки;
4. На основе экспериментальных данных величины вычислена пористость частиц;
5. Предложенный метод может быть использован для уточнения результатов, полученных в рамках других методов.