Оптические свойства глобулярных фотонных кристаллов на

УДК 535(06)+004(06)
В.Н. МОИСЕЕНКО, М.П. ДЕРГАЧЁВ, Т.В. ШВЕЦ, С.А. ГОРБАНЬ
Днепропетровский национальный университет им. О. Гончара
ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГЛОБУЛЯРНЫХ ФОТОННЫХ КРИСТАЛЛОВ НА ОСНОВЕ
СИНТЕТИЧЕСКИХ ОПАЛОВ, ИНФИЛЬТРОВАННЫХ МЕДЬЮ
С использованием метода электрохимического осаждения получены фотонные кристаллы на основе
синтетических опалов с порами, заполненными медью. Исследованы спектры отражения образцов с
различным содержанием меди в диапазоне 380 – 650 нм для углов падения в интервале 170 – 600.
Установлено, что поведение максимума отражения удовлетворительно описывается в рамках брэгговской
дифракции, а увеличение концентрации меди приводит к смещению полосы отражения в длинноволновую
область.
Металлодиэлектрические фотонные кристаллы являются перспективными объектами при создании
структур с отрицательным преломлением и реализации новых способов управления светом [1]. Особый
интерес для практических задач наноплазмоники и сенсорики представляют фотонные кристаллы,
содержащие металлы с частотами поверхностных плазмонов в видимой области (Ag, Au, Cu). Прогресс в
этом направлении может быть достигнут при использовании в качестве исходных фотонно-кристаллических
матриц синтетических опалов – трехмерных структур, составленных из глобул SiO2 постоянного диаметра
[2, 3]. Цель данной работы состояла в получении фотонных кристаллов на основе синтетических опалов с
различным содержанием меди и исследовании их оптических свойств.
Объемные опалы были получены методом естественной седиментации глобул SiO2, синтезированных
модифицированным методом Штёбера [4] при высоких концентрациях воды. Диаметр глобул в среднем
составил 261 нм. Образцы представляли собой плоскопараллельные пластины толщиной около 2 мм и
площадью больших сторон около 1 см2. Плоскости {111} ГЦК-решетки опалов были ориентированы
параллельно этим сторонам. Контроль размеров глобул, а также определение центра λc и ширины Δλg
фотонной стоп-зоны в исходных опалах осуществлялись путем регистрации спектров пропускания (θ = 00) и
отражения (θ = 170).
Медь в поры синтетических опалов вводилась методом электрохимического осаждения. Для повышения
эффективности внедрения на одну из больших сторон образцов предварительно наносился тонкопленочный
подслой меди методом термовакуумного испарения. Варьированием параметров электрохимического
осаждения были получены два набора образцов с разным содержанием меди в порах опалов. Максимальная
степень заполнения медью составила около 3 % объема пор. Измерения спектров отражения от плоскостей
{111} полученных образцов выполнялись в зеркальной геометрии для углов падения 17 0, 300, 450 и 600.
Освещение образцов производилось сколлимированным световым пучком диаметром менее 2 мм. Анализ
спектрального состава отраженного излучения производился с использованием модернизированного
спектрометра ДФС-12 в диапазоне 380 – 650 нм. Регистрация оптического сигнала осуществлялась
охлаждаемым ФЭУ-79 в режиме счета фотонов.
Введение меди в поры опалов приводит к смещению полосы отражения, соответствующей фотонной
стоп-зоне в направлении <111>, в длинноволновую область спектра. С увеличением содержания меди
величина сдвига увеличивается. Для полученных наборов образцов сдвиг составил 27 и 72 нм,
соответственно. Также для образцов с большим содержанием меди зарегистрировано сужение полосы
отражения на 35 % (11 нм) от ширины полосы отражения в спектре исходных опалов.
Наблюдаемые смещения полосы отражения, отслеживающие изменение положения фотонной стоп-зоны,
и изменение ширины полосы отражения интерпретированы нами в рамках модификации эффективной
диэлектрической проницаемости  eff образцов по мере заполнения пор.
Угловые зависимости максимума полосы отражения инфильтрованных опалов удовлетворительно
описываются соотношением для брэгговской дифракции света в фотонных кристаллах
m ( )  2d  eff  sin 2  , где d - межплоскостное расстояние. Наилучшее согласие с экспериментальными
результатами достигается при значениях  eff 1 = 2.01 ± 0.03 для опалов с меньшим содержанием меди и  eff 2
= 2.35 ± 0.02 для опалов с большим содержанием меди. В исходном опале –  eff = 1.86.
Работа выполнена при финансовой поддержке Украинско-Российского проекта №71-02-10 “Свечение
трехмерных фотонных кристаллов при оптическом и электрическом возбуждении” (договор № РФФД/4-1024).
Список литературы
1. Тиходеев С.Г., Гиппиус Н.А., Успехи физических наук, 179, 2009, с.1003-1007.
2. Войнов Ю.П. и др., Неорганические материалы, 45, 2009, с.1211-1216.
3. Саласюк А.С. и др., Физика твердого тела, 52, 2010, с.1098-1103.
4. Stöber W., Fink A., Bohn E., J. Colloid and Interface Sci., 26, 1968, p.62-69.
УДК 535(06)+004(06)