Способ изготовления трехмерного фотонного кристалла для видимой области спектра

СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТРЕХМЕРНОГО ФОТОННОГО КРИСТАЛЛА ДЛЯ ВИДИМОЙ ОБЛАСТИ СПЕКТРА(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт порошковой металлургии(72) Авторы Витязь Петр Александрович Шелехина Виктория Михайловна Прохоров Олег Александрович Лютич Андрей Андреевич(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт порошковой металлургии(57) Способ изготовления трехмерного фотонного кристалла для видимой области спектра,включающий получение суспензий монодисперсных порошков кремнезема диаметром 200-400 нм, осаждение порошков из суспензий до формирования упорядоченной суперструктуры, высушивание полученной суперструктуры и ее спекание при температуре 950 С, отличающийся тем, что осаждение производят путем центрифугирования в интервале ускорений 6000-20000 м/с 2, высушивание осуществляют при комнатной температуре, а спекание производят в течение двух часов. Спектры нормального отражения от поверхности материалов, полученных на основе порошков кремнезема диаметром 2094 нм при различных режимах осаждения 7371 1 2005.09.30 Изобретение относится к технологии изготовления трехмерных фотонных кристаллов- периодических структур в субмикронном диапазоне размеров, способных отражать узкий диапазон длин волн спектра, падающего на поверхность материала излучения, которые могут использоваться в оптике и оптоэлектронике в качестве элементов оптических фильтров, волноводов, оптических переключателей, лазерной техники и т.д. Структура фотонного кристалла (ФК), в самом общем виде, представляет собой трехмерную периодическую решетку, сформированную из диэлектрического или полупроводникового материала 1, 2. При падении на поверхность фотонного кристалла световых волн видимого диапазона(400-760 нм) наблюдается рассеяние, дифракция и интерференция света, обусловленные регулярной структурой ФК. В результате этих явлений происходит селективное отражение части излучения в узком диапазоне длин волн, соответственно в спектре пропускания наблюдается фотонная запрещенная зона (ФЗЗ), соответствующая длинам волн, отраженным от поверхности ФК. Интенсивность и ширина этой спектральной зоны в значительной степени обуславливаются регулярностью структуры и отсутствием дефектов. Известно 8, что свойствами фотонных кристаллов обладают трехмерные периодические упаковки сферических монодисперсных порошков оксида кремния. Расположение частиц оксида кремния в таких суперструктурах аналогично расположению атомов в кристаллической решетке гранецентрированного кубического типа. Для видимой части спектра размер частиц, формирующих структуру ФК, согласно закону Вульфа-Брэгга, должен лежать в интервале 200-400 нм 8. Известны способы получения трехмерных фотонных кристаллов, включающие свободное осаждение монодисперсных порошков оксида кремния из жидкой среды, их самоорганизацию в высокоупорядоченную трехмерную суперструктуру гранецентрированного кубического типа и термообработку сформованного материала для удаления влаги и его упрочнения 8. В 6, 7 описан метод осаждения порошков на текстурированную подложку,при этом параметры упорядоченной структуры материала предопределяются характером текстуры поверхности такой подложки. Однако использование такой методики ограничивается сложностью и высокой стоимостью оборудования, необходимого для производства таких подложек. В качестве прототипа выбран способ 9, основанный на получении суспензии монодисперсных порошков кремнезема по методу Штобера 3, основанному на гидролизе тераэтилортосиликата в спиртоводной среде в присутствии аммиака, трехмерной периодической упаковке частиц в процессе свободного осаждения и спекании (950 С). Таким образом получены образцы ФК толщиной от нескольких монослоев до 3 мм, проявляющие хорошие оптические характеристики (отражают световые волны в узком диапазоне,полуширина спектральной линии отражения составляет порядка 30 нм). Процессы получения фотонных кристаллов, основанные на свободном осаждении ультрадисперсных порошков, отличаются существенной длительностью процесса формирования структуры кристалла. Технической задачей заявляемого способа является снижение временных затрат на стадии формирования структуры без ухудшения спектральных характеристик материала. Решение данной задачи достигается тем, что в способе изготовления трехмерного фотонного кристалла для видимой области спектра, включающем получение суспензий монодисперсных порошков кремнезема диаметром 200-400 нм, осаждение порошков из суспензий до формирования упорядоченной суперструктуры, высушивание полученной суперструктуры на воздухе и ее спекание при температуре 950 С в течение двух часов,осаждение производят путем центрифугирования в интервале ускорений 6000-20000 м/с. Причем, чем меньше размер частиц порошков, тем выше ускорение осаждения для получения ФК с оптимальными оптическими характеристиками. 2 7371 1 2005.09.30 Ускорение в центробежном поле на три порядка больше ускорения свободного падения (9,81 м/с 2). В связи с этим формирование ФК в заявляемом способе происходит за гораздо меньшее время чем в прототипе. Осаждение в центрифуге, как и при свободном осаждении порошков оксида кремния(концентрация в жидкости порядка 1,5 вес. ) происходит в два этапа. На первом этапе частицы движутся независимо друг от друга. На втором этапе, вблизи подложки, тормозящей движение частиц, происходит их сближение. Здесь начинают играть роль силы взаимодействия между частицами, обусловленные как их взаимным притяжением (силы Ван-дер-Ваальса-Лондона) так и отталкиванием (в результате наличия отрицательного заряда на поверхности оксида кремния, возникающего при его синтезе) 4. Совокупность взаимодействия этих сил при формировании фотонного кристалла вызывает появление энергетического барьера, который определяет взаимное расположение частиц друг относительно друга. При свободном осаждении моноразмерных сферических частиц энергетически выгодно трехмерное регулярное расположение частиц которое со временем приводит к образованию правильных твердотельных структур гранецентрированного кубического типа. Действие центробежного поля оказывает большое влияние на баланс сил, ускоряет процесс сближения частиц друг с другом и формирование структуры фотонного кристалла. При одном и том же ускорении чем выше размер частиц, тем больше центробежные силы действующие на них. В центробежных полях существует оптимальный интервал ускорений, при которых формируется материал с регулярной структурой. Центробежные силы, превышающие оптимальный уровень (20000 м/с 2), вследствие значительного снижения величины энергетического барьера ведут к ухудшению регулярности пространственного расположения частиц, определяющего формирование регулярной структуры. Нижняя граница интервала ускорений (6000 м/с 2) объясняется следующими причинами. При малых ускорениях частицы в жидкости формируют регулярную структуру, но силы недостаточны, чтобы их жестко зафиксировать в правильной твердотельной суперструктуре. Таким образом, система подвижна и, вследствие этого, возможно разупорядочение структуры при последующих операциях. При свободном осаждении отвердевание структуры происходит за счет длительности процесса и прохождения химических реакций между частицами через жидкую среду. Для оценки качества проводилось сравнение спектров отражения образцов, полученных свободным осаждением по прототипу и в центробежных полях. Сравнивалась полуширина линии отражения, характеризующая оптические свойства и регулярность структуры материалов. Сущность изобретения иллюстрируется следующими примерами. Пример 1. Синтезированные по методу Штобера суспензии порошков кремнезема с размером частиц 2094 нм, 2947 нм и 3869 нм (1,5 вес.твердой фазы) помещались в пробирки длиной 12 см и подвергались центрифугированию до полного осаждания. Полученные образцы (высотой порядка 3 мм) высушивались на воздухе при комнатной температуре и подвергались термической обработке 950 С (2 ч). Типичная структура полученного материала представлена на фиг. 1. Оптические спектры отражения от верхней поверхности образцов приведены на фиг. 2-4. Зависимость оптических характеристик полученных материалов от режима осаждения приведены в таблице. Пример 2 (прототип). Синтезированные по методу Штобера суспензии порошков кремнезема с размером частиц 2094 нм, 2947 нм и 3869 нм (1,5 вес.твердой фазы) помещались в про 3 7371 1 2005.09.30 бирку длиной 12 см и выдерживались до полного осаждения. Оптические спектры нормального отражения от верхней поверхности образцов приведены на фиг. 2-4. Зависимость оптических характеристик полученных материалов от режима осаждения приведены в таблице. Время полного осаждения Заявляемый способ 17000 47 мин 20000 41 мин 23000 35 мин 7000 52 мин 10000 38 мин 13000 31 мин 3000 64 мин 6000 32 мин 9000 21 мин Прототип 9,81 31 сут. 9,81 16 сут. 9,81 9 сут. Спектральное Полуширина положение пика ФЗЗ , нм отражения, нм 395 400 400 560 560 560 725 730 735 Как следует из примеров, использование осаждения в центробежных полях 600020000 м/с 2 порошков оксида кремния (200-400 нм) позволяет получать трехмерные фотонные кристаллы, характеризующиеся высоким уровнем упорядоченности структуры(фиг. 1) и спектральными характеристиками (полуширина пика отражения 33-36 нм), не уступающими прототипу (34-36 нм). Кроме этого, предложенный способ обеспечивает в сравнении с известным способом снижение времени формирования фотонного кристалла от 9-31 суток до 32-41 мин, т.е. в 400-1000 раз. Источники информации 1..-// Фиг. 1 Спектры нормального отражения от поверхности материалов, полученных на основе порошков кремнезема диаметром 2947 нм при различных режимах осаждения Фиг. 3 Спектры нормального отражения от поверхности материалов, полученных на основе порошков кремнезема диаметром 3869 нм при различных режимах осаждения Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.