шаховой_юзюк_квантовая и оптоэлектроника

Шаховой Р.А., Юзюк Ю.И.

Преимущество метода ИЛН по сравнению с другими – очень высокая скорость роста пленок. Предельно допустимые скорости роста составляют около 105 нм в секунду!

Катодное распыление

Метод импульсного лазерного напыления имеет большие преимущества в сравнении с другими методами выращивания кристаллических пленок, однако он имеет существенный недостаток – это очень дорогой метод. Гораздо более дешевым методом создания наноразмерных гет е- роэпитаксиальных пленок является катодного распыление. Упрощенная схема установки для получения тонких пленок данным методом показана на рис. V.4.

Как и в случае импульсного лазерного напыления в этом методе используется керамич е- ская мишень 1 требуемого состава. Она крепится к специальному диэлектрическому окну 5, с обратной стороны которого приклеивают электрод 4. Напротив мишени располагают кристаллическую подложку 2, прикрепленную к специальному держателю 3 со встроенным нагревателем. Все это находится внутри вакуумной камеры 6. Следует заметить, что если данная методика применяется для выращивания оксидных пленок, то через систему прокачивается кислород.

К электроду 4 прикладывают высокочастотное (ВЧ) напряжение, создавая возле мишени электрическое поле. Электрон, который за счет туннельного эффекта или холодной электронной эмиссии может оказаться над поверхностью вещества, ускоряется в этом поле. Набрав определенную энергию, он может выбить из атома кислорода (мы ведь пропускаем O2 в качестве буферного газа) внешний (валентный) электрон, превратив его в положительно заряженный ион. Этот ион, ускоренный в электрическом поле, разгонится и ударится об мишень, выбив из нее атом или молекулу. Все эти процессы зачастую будут сопровождаться испусканием фотонов, т.е. мы будем ви-

деть свечение – электрический разряд.

Рис. V.4. Като дное распыление : 1 – керамическая мишень, 2 – по дложка, 3 – держатель с нагревателем, 4 –электрод, 5 – диэлектрическое окно, 6 – вакуумная камера.

Таким образом, мишень, бомбардируемая ионизированным газом, будет постепенно испаряться, а вырванные с поверхности атомы будут попадать на подложку. Конечно, процессы, происходящие при катодном распылении, гораздо более сложные, но картина происходящего приблизительно такая.

Зачастую в данном методе распыляют не мишень, наклеенную на электрод, а сам катод 4, откуда и происходит название данной методики. При этом сам принцип распыления может быть таким же. В общем же случае испарение вещества катода может происходить под действием нагревания, электронно-лучевых пучков, электрической дуги и др.

Получение микро- и нанокристаллов

Представим себе, что на монокристаллической подложке кремния находится частица золота. При определенной температуре золото расплавится и смешается с кремнием, атомы которого «проникнут» в жидкость (расплав) за счет диффузии. В итоге на поверхности подложки образуется капля раствора кремния в золоте (рис. V.5). Эта система может находиться в равновесии очень

91

На пути в эру нанотехнологий…

долго. Если над ней при пониженной температуре пропустить газовую смесь SiCl4 с H2, то преимущественно над каплей будет происходить химическая реакция: SiCl4 + 2H2 → Si + 4HCl. Кремний, восстанавливаемый в этой реакции, будет диффундировать к подложке. В результате раствор на границе жидкость-кристалл станет пересыщенным – концентрация кремния там будет очень высока. Так как температура достаточно низкая (при этой температуре чистый кремний находится в твердом состоянии), то кремний начнет кристаллизоваться, а капля при этом приподнимется над вновь образованным кристаллическим слоем Si. По мере возвышения капли над подложкой под ней будет расти кристаллический столбик ( рис. V.5). Важно отметить, что рост происходит только на участке, покрытом жидкой фазой, т.е. диаметр растущего нанокристалла определяется диаметром капли.

Рис. V.5. Схема роста нано кристаллов кремния по механизму пар -жидкость -кристалл.

Если нанести на кристаллическую кремниевую подложку тонкий слой золота, а затем эту систему нагреть, то на подложке образуется жидкая пленка раствора кремния в расплаве золота. Эта пленка, однако, неустойчива и под действием поверхностного натяжения разбивается на отдельные капли. Понятно, что размеры этих капель будут разные, причем разброс по размерам м о- жет быть довольно широким. Средний размер капель определяется толщиной исходной пленки, а также температурой. В частности, при толщине исходной пленки золота около 10 нм диаметры капель составляют примерно от 30 нм до нескольких микрон. Каждая капля дает начало, как правило, единственному нитевидному нанокристаллу, диаметр которого, как мы уже говорили, мало отличается от диаметра капли.

92

Шаховой Р.А., Юзюк Ю.И.

Пленка золота в описанном выше

этому в результате на подложке вырастают регулярные решетки стройных нитевидных нанокристаллов.

На сегодняшний день сформировано огромное количество разнообразных методов создания наносистем. Каждый из этих методов имеет определенные преимущества и недостатки, поэтому для создания отдельных объектов используют индивидуальные методики.

Локальное зондовое окисление

Интересным способом создания на поверхности подложки определенного рельефа (нанорельефа) является метод локального зондового (анодного) окисления. Суть метода связана с протеканием реакции окисления металлической пленки в строго ограниченной области под проводящим зондом, который подводится к поверхности (рис. V.7). Обычно зондовое окисление проводят в атмосферных условиях. Во влажной атмосфере на поверхности зонда и подложки имеется несколько атомных слоев адсорбированной влаги, которая образует соединяющий мениск 2.

93

На пути в эру нанотехнологий…

Рис. V.7. Принципиальная схема нанооксидации: 1 – проводящее по крытие; 2 – водный мениск; 3 – анодный оксид; 4 – окисляемая пленка металла.

Электропроводящий зонд подводится к металлической поверхности и между ними создается разность потенциалов. Под действием электрического поля, создаваемого между зондом и проводящей поверхностью, на подложке образуются нанометровые окисленные участки. В качестве окислителя как раз и выступает атмосферная влага. Следует сказать, что в начальный момент на поверхности имеется всего несколько атомных слоев Н2О, что является недостаточным для формирования нужного количества оксида. Доставка воды в зазор между зондом и подложкой осуществляется под действием электрического поля, которое оказывает ориентирующее действие на полярные молекулы воды и притягивает их в область зазора.

Размеры образующихся окисленных областей зависят от нескольких факторов: от режима подаваемого напряжения, от внешних атмосферных условий, а также от расстояния между зондом и поверхностью. Так, одним из путей уменьшения размеров окисленной области является увеличение расстояния между зондом и подложкой. Толщина образующегося оксида зависит от приложенного потенциала и длительности процесса.

Для проведения локального анодного окисления используют специальные зоды. Основой для их создания является кремний, на который напыляют обычно тонкую пленку благородного металла (Pt, Au). Для напыления используют именно благородные металлы, так как они обладают химической инертностью и, следовательно, не окисляются в процессе работы.

94

Шаховой Р.А., Юзюк Ю.И.

VI. ФОТОННЫЕ КРИСТАЛЛЫ

Во второй главе уже упоминались технологии, позволяющие строить искусственные атомы

– квантовые точки. Они являются ярким примером искусственных материалов, которые сегодня умеет создавать человек. Под созданием материалов мы подразумеваем не химический синтез новых веществ, а формирование рукотворных атомов («квазиатомов») и на их основе искусственных сред с необычными свойствами. Примером таких сред являются метаматериалы. В интернете можно найти следующее определение: «Метаматериалы – это среды, свойства которых обусловлены их структурой, а не свойствами отдельных веществ, из которых метаматериалы состоят». Таким образом, поведение таких сред определяется не физико-химическими свойствами составляющих их атомов, а их расположением в пространстве. По этой причине мы будем называть метаматериалы также структурированными материалами (средами). Частным случаем структурированных сред являются так называемые фотонные кристаллы, которые, как многие утверждают, имеют огромные технические возможности.

Пластинка с пузырьками

Первое знакомство с фотонными кристаллами мы начнем с мысленного эксперимента. Предположим, что у нас имеется стеклянная пластинка, в которой присутствует крошечный пузырек воздуха. Будем посылать на пластинку свет, содержащий волны только красного и оранжевого цветов. Смотря на пузырек под микроскопом, увидим, что свет на нем преломляется, отражается, и это рассеяние придает ему своеобразный блеск. Если поместить рядом с первым пузырьком еще один, точно такой же, то помимо простого рассеяния в игру вступит интерференция волн, и в результате возникнет более сложная картина. Если рядом разместить еще несколько пузырьков, то, наблюдая стеклышко под разными углами, мы увидим интересную игру света. Правда, никаких разноцветных переливов не будет, потому что пластинка освещается только частью светового спектра.

Теперь представим, что в стеклышке «сидят» тысячи и даже миллионы одинаковых пузырьков, причем расположены они в строгом порядке, т.е. периодично. Что произойдет теперь? Первый ответ, который приходит в голову, – ничего особенного не случится, просто наблюдаемая картина еще больше усложнится. Такое действительно возможно. Однако может случ иться так, что мы вообще ничего не увидим, т.е. свет вовсе не будет проходить сквозь такую пластинку, и мы будем наблюдать темноту. Может также произойти, что свет, напротив, очень хорошо будет проходить сквозь стеклышко, причем мы не увидим ни одного пузырька – стекло будет казаться однородно прозрачным. Куда же исчезли пузырьки?

На самом деле, пузырьки никуда не делись, просто свет теперь проходит сквозь стекло, не замечая их. Дабы полностью избавиться от рассеяния, необходимо, чтобы длина волны падающего света была согласована с периодом расположения пузырьков. Такого согласования невозможно добиться для всех длин волн одновременно, поэтому мы и ограничились лишь узким диапазоном светового спектра.

Итак, под красно-оранжевым светом пластинка выглядит однородной. Если же теперь осветить стеклышко зеленой лампой, то пузырьки вновь появятся, и мы снова увидим игру света на пузырьках, окрашенных теперь в зеленый цвет. Осветив пластинку источником синего или фиолетового света, мы увидим новое явление – синий и фиолетовый свет через пластинку не проходят.

Такие интересные явления обусловлены дифракцией и интерференцией света. Следует также понимать, что при взаимодействии света с веществом должен выполняться закон сохранения энергии. Это означает, что энергия падающего излучения перераспределяется между отраженной и прошедшей волнами. Правда, часть энергии еще расходуется за счет поглощения света веществом, но мы считаем, что в нашем веществе поглощение очень мало. Таким образом, если энергия отраженного света велика, то волна в основном отражается, если отраженная энергия мала, то излучение хорошо проходит сквозь структуру.

В нашем стеклышке на одних длинах волн (частотах) свет после многочисленных актов отражения интерферирует деструктивно. Это означает, что отраженные волны оказываются в противофазе, т.е. гасят друг друга. В этом случае энергия отраженной волны равна нулю, следовательно, свет беспрепятственно проходит сквозь пластинку. Для других частот отраженные вол-

95

На пути в эру нанотехнологий…

ны, напротив, оказываются синфазны, т.е. усиливают друг друга. В этом случае говорят о конструктивной интерференции; теперь вся энергия падающей волны будет переходить в отраженную волну, поэтому свет не будет проходить через пластинку.

Мы пришли к интересному выводу: для одних частот света наша пластинка с пузырьками является совершенно прозрачной, для других коэффициент прохождения вообще равен нулю. Следовательно, мы можем сказать, что смоделированный нами материал обладает частотными

окнами прозрачности и окнами полного отражения. Следует сказать, что подобные окна сущест-

вуют и у обычных «неструктурированных» веществ. Вспомните хотя бы поглощение света в полупроводниках (рис. I.12). Большинство полупроводников прозрачно в ИК области, тогда как видимое излучение очень сильно ими поглощается. Однако в случае обычных материалов уменьшение прозрачности происходит в связи с ростом коэффициента поглощения. В случае же нашего стеклышка коэффициент поглощения для всех длин волн видимого излучения примерно одинаков (можно считать, что он равен нулю). Здесь изменение прозрачности происходит из-за интерференционных эффектов: при деструктивной интерференции отраженных волн материал прозрачен, при конструктивной – непрозрачен. Таким образом, коренное отличие рассматриваемого нами структурированного материала от обычного состоит в том, что в последнем прозрачность вещества убывает за счет увеличения поглощения, а в оптически периодичных средах – из-за роста отраженной энергии.

Выдуманная пластинка с пузырьками представляет собой своеобразный кристалл, в кот о- ром роль атомов играют пузырьки воздуха, а роль электронов проводимости – фотоны. Причем подобная аналогия является не просто интересным наблюдением, но оказывается, что для теоретического описания такой системы можно применять модели, существующие в физике твердого тела для описания свойств обычных кристаллов. По этой причине подобные материалы называют фотонными кристаллами. Таким образом, определение для фотонных кристаллов может звучать примерно так: это периодические материалы, которые взаимодействуют с распространяющимися по ним фотонами так, как взаимодействуют атомы с движущимися по кристаллу электронами.

Еще раз подчеркнем, что для создания фотонных кристаллов оптические «квазиатомы» (в нашем случае пузырьки) необходимо сделать одинаковыми и расположить их строго упорядоченно. Кроме того, для наблюдения оптических эффектов нужно, чтобы период созданной оптической структуры был по порядку величины сравним с длиной волны излучения.

Типы фотонных кристаллов

Итак, свойства фотонных кристаллов определяются, в первую очередь, оптическими элементами, из которых они состоят. Под оптическим элементом мы понимаем элемент, который периодически повторяется в фотонном кристалле. В случае рассмотренной выше пластинки опт и- ческими элементами являются пузырьки воздуха. Однако не менее важную роль в формировании свойств фотонного кристалла играет тип оптических элементов и характер их расположения в пространстве, поэтому фотонные кристаллы классифицируют именно по характеру этого расположения.

Пластинка с пузырьками является трехмерным фотонным кристаллом, поскольку пузырьки расположены упорядоченно во всех трех направлениях, т.е. образуют пространственную «кр и- сталлическую» решетку. Наряду с трехмерными фотонными кристаллами выделяют двумерные и одномерные фотонные кристаллы (рис. VI.1). Их обозначают 1D-, 2D- и 3D-кристаллами (D – первая буква английского слова «dimension» – измерение).

Рис. VI.1. Типы фотонных кристаллов.

96

Шаховой Р.А., Юзюк Ю.И.

Одномерными фотонными кристаллами являются многослойные пленки с прозрачными слоями, имеющими различные показатели преломления. Роль оптических элементов здесь играют чередующиеся слои. 1D-кристаллы мы рассмотрим достаточно подробно чуть ниже. Примером двумерных фотонных кристаллов может служить прозрачная пластинка, в которой просверлены цилиндрические отверстия. Естественно, эти отверстия должны быть расположены упорядоченно. В 2D-кристаллах оптическими элементами являются воздушные цилиндры.

Одномерный фотонный кристалл

Рассмотрим физические процессы, происходящие в фотонных кристаллах на примере 1-D кристалла. Как уже было сказано, фотонным кристаллом такого типа является пленка с чередующимися прозрачными слоями. Рассмотрим оптическую ячейку одномерного фотонного кристалла, состоящую из двух тонких диэлектрических слоев с показателями преломления n1 и n2 (рис. VI.2). Для определенности будем считать, что n1>n2. Излучение, падающее на ячейку, будет претерпевать многократные отражения от поверхностей раздела между слоями. После каждого последующего отражения энергия волны будет убывать, поэтому основной вклад в интерференцию будут вносить только те волны, которые претерпели небольшое количество отражений. Эти волны мы и будем рассматривать: они обозначены цифрами 1, 2 и 3 на рис. VI.2.

Рис. VI.2. Многолучевая интерференция в дву хслойной пластине.

Рассматриваемые волны претерпевают лишь однократные отражения: первая – от слоя n1, граничащего с воздухом, вторая – от поверхности раздела слоев n1 и n2, а третья – от границы слоя n2, также соприкасающегося с воздухом. Если мы хотим, чтобы рассматриваемая оптическая ячейка отражала большую часть излучения, необходимо, чтобы волны 1, 2 и 3 интерферировали конструктивно, т.е. были синфазны. Другими словами, разность хода между ними должна быть равна целому числу длин волн. Так как волна 1 отражается от оптически более плотного слоя (показатель преломления воздуха меньше n1), то при отражении она «теряет» половину своей длины, т.е. меняет фазу на . Волна 2, находясь в слое n1, отражается от слоя n2; так как n1>n2, то фаза при отражении не меняется. Волны 1 и 2 будут синфазными, если вторая волна тоже наберет фазу . Так как она проходит слой n1 дважды (туда и обратно), то такая фаза «набежит», если толщина

слоя n1 будет равна , где – длина волны падающего света в вакууме. Другими словами, вол-

ны 1 и 2 будут синфазными, если слой n1 будет четвертьволновым. Волна 3 дважды проходит слой n1 и слой n2, и при отражении вновь не происходит изменения фазы. Третья волна будет конструктивно интерферировать с первыми двумя в том случае, если второй слой будет полуволно-

вым, т.е. если его толщина будет равна . Итак, изображенная на рис. VI.2 оптическая ячейка

будет отражать падающий свет, если первый слой будет четвертьволновым, а второй – полуволновым.

В фотонном кристалле слой n2 будет граничить не с воздухом, а со следующим за ним сло-

ем n1, следовательно, третья волна при отражении изменит свою фазу на . По этой причине в фотонном кристалле второй слой тоже должен быть четвертьволновым, а не полуволновым, как в индивидуальной оптической ячейке. Таким образом, одномерный фотонный кристалл с четверть-

волновыми слоями будет полностью отражать излучение с длиной волны . Если мы хотим реализовать деструктивную интерференцию, то слои нужно сделать полуволновыми. В этом случае

фотонный кристалл будет хорошо пропускать свет с длиной волны .

1-D фотонные кристаллы уже давно применяются в оптике. Это хорошо известные просветляющие покрытия, имеющие огромное число приложений, начиная от обычных очков, закан-

97

На пути в эру нанотехнологий…

чивая гигантскими оптическими телескопами. Это так называемые диэлектрические зеркала, используемые, например, в резонаторах лазеров (см. пункт «Лазеры с вертикальным резонатором»).

Запрещенные фотонные зоны

Понятие запрещенной зоны, перекочевавшее в оптику из физики твердого тела, напрямую связано с отражением света от фотонного кристалла. По сути, фотонная запрещенная зона – это набор длин волн, которые не могут пройти сквозь материал за счет конструктивной интерференции отраженного света. Отдельная оптическая ячейка 1-D кристалла (рис. VI.2) не имеет запрещенной зоны, так как существенная часть излучения с длиной волны все же проходит сквозь ячейку, даже несмотря на синфазное отражение лучей. Запрещенная зона будет сформирована только в случае достаточно большого числа чередующихся слоев, хотя даже в этом случае крошечная доля падающего излучения «просочится» сквозь фотонный кристалл. Правда эта доля настолько мала, что ни один фотоприемник не зарегистрирует прошедший свет. В общем, настоящую запрещенную зону можно получить только в фотонном материале бесконечной протяженности.

Внимательный читатель наверняка заметил некоторое несоответствие между приведенным определением фотонной запрещенной зоны и данным только что объяснением. Действительно, из определения следует, что запрещенной зоне должен соответствовать набор длин волн, т.е. целый

спектральный интервал, тогда как выше мы говорили только о волне длиной , для которой выполняется условие интерференции. Однако на самом деле в достаточно протяженном фотонном кристалле проходящее излучение будет само себя гасить даже в том случае, если разность фаз ме-

жду лучами не равна строго . Это результат так называемой многолучевой интерференции. В результате, распространение света через кристалл будет запрещено не только для резонансной дли-

ны волны, но и для волн, имеющих длины близкие к . Вот и получается, что запрещенной зоне будет соответствовать спектральный интервал конечной ширины. Следует сказать, что ширина запрещенной зоны будет зависеть от количества оптических ячеек. Действительно, чем больше количество слоев, тем больше лучей, участвующих в интерференции, и разброс их фаз уже менее значим. Следовательно, увеличение количества оптических ячеек приводит к росту ширины запрещенной зоны.

Рис. VI.3. Разрешенные и запрещенные направления распространения света в о дномерных и дв умерных фотонных кристаллах.

Везде выше мы рассматривали нормальное падение света, т.е. излучение распространялось перпендикулярно слоям 1-D кристалла. Очевидно, что если свет будет падать под углом, то условия интерференции изменятся. Действительно, оптическая длина пути луча при таком падении уже будет другой, следовательно, изменится и резонансное значение . В итоге границы (края) запрещенной зоны сместятся в коротковолновую область, причем ширина зоны станет меньше.

98

Шаховой Р.А., Юзюк Ю.И.

Таким образом, при изменении угла падения, волны, распространение которых было запрещено в случае нормального падения, теперь смогут пройти сквозь фотонный кристалл. В этом случае говорят, что запрещенная зона является неполной.

В случае 2D-фотонного кристалла уже можно будет найти лучи с такими длинами волн, распространение которых будет запрещено при любом угле в пределах некоторой плоскости, например, перпендикулярной осям стержней (рис. VI.3). Теперь, для того чтобы запрещенная волна смогла пройти сквозь фотонный кристалл, необходимо поменять плоскость падения света. Следовательно, запрещенная зона двумерного фотонного материала является более полной по сравнению с одномерным кристаллом, поэтому ее иногда еще называют квазиполной. По-настоящему полная запрещенная зона возможна только в трехмерном фотонном кристалле, где можно подобрать период кристаллической решетки таким образом, что свет на определенных длинах волн не сможет попасть внутрь кристалла ни при каких условиях.

Фотонные кристаллы в природе

Несмотря на то, что фотонные кристаллы являются явно искусственными материалами, у них существуют естественные, т.е. природные аналоги. Таковым является, например, минерал опал, представляющий собой непрозрачный камень, окрашенный обычно в мут ный «молочный» цвет. Он состоит из плотноупакованных наноразмерных сфер из кремнезема SiO2. На этих сферах, как и на оптических элементах искусственных фотонных кристаллов, происходит интерфе ренция света, что часто вызывает интересную игру цвета в этом полудрагоценном камне. Причудливые цветовые переливы и дали имя этому минералу: опал с латинского означает «чарующий зрение».

Стоит заметить, что в природном опале отсутствует идеальная периодичность. Это вызывает гораздо более красивые оптические эффекты, нежели в настоящих фотонных кристаллах, однако отсутствие строгого порядка делает его непригодным для технических применений. Сегодня уже научились изготавливать искусственные опалы, которые являются наиболее перспективными трехмерными фотонными кристаллами, работающими в видимом диапазоне. Чуть подробнее о синтетических опалах мы поговорим ниже.

Фотонные кристаллы можно найти не только в земной коре, но даже увидеть их летающими по воздуху или плавающими в океане. Так, глубоководный морской червь genus Aphrodita, называемый часто «морской мышью», имеет необычный «мех». Если смотреть на эту мышь под некоторым углом, то она кажется разноцветной: одни волоски красные, другие зеленые, синие и т.д. Если поменять угол зрения, то мех меняет свою окраску: красные волоски станут синими и наоборот – животное будет переливаться всеми цветами радуги! Такой удивительный оптический эффект возникает благодаря строению ворсинок меха морского червя. Если посмотреть на срез волоска под электронным микроскопом, то получится изображение, напоминающее пчелиные соты. Это означает, что ворсинки имеют двумерную периодичную структуру. Таким образом, волоски представляют собой 2D-фотонные кристаллы, чем и объясняются цветные переливы «мышиного» меха.

Одномерные фотонные кристаллы можно встретить и в раковинах моллюсков, внутренние поверхности которых покрыты многочисленными слоями арагонита – кристаллического карбоната кальция. Такое покрытие обычно называют перламутром; он состоит из тончайших пластинок, которые и придают ему специфический блеск.

Радужные переливы чешуек некоторых бабочек объясняются не столько цветом их пигментов, сколько их периодической структурой. Так, под электронным микроскопом видно, что на крыльях бабочки Morpho rhetenor сформирована упорядоченная структура в форме решета с отверстиями субмикронного размера. Такая структура обладает свойствами одномерного фотонного кристалла; это объясняет синий цвет крыльев этих бабочек, что в природе встречается очень редко. Однако фотонная структура крыла является не просто прихотью талантливой природы, но участвует в терморегуляции, не давая крылышкам перегреваться под солнечными лучами. Интересно, что северные подвиды этих бабочек, обитающие в менее жарких регионах, не имеют столь редкого окраса и довольствуются светло-коричневыми цветами крылышек. К слову сказать, такую способность фотонных материалов к терморегуляции планируется использовать для изготовления одежды, предназначенной для работы в открытом космосе и в пустыне.

99

На пути в эру нанотехнологий…

Изготовление фотонных кристаллов

Одномерные фотонные кристаллы научились создавать еще задолго до появления термина «фотонный кристалл». Так, первые просветляющие покрытия, являющиеся прообразами современных многослойных пленок, были изготовлены компанией Carl Zeiss еще в 1935 году. Сегодня с развитием совершенной методики вакуумного напыления – молекулярно-лучевой эпитаксии – изготовление одномерных фотонных кристаллов не представляет труда.

Двумерные и трехмерные фотонные кристаллы удалось получить только в конце 80-х годов двадцатого века. Первый трехмерный фотонный кристалл, работающий, правда, в микроволновом диапазоне, был создан в 1991 году сотрудником Bell Communications Research Эли Яблоновичем. В честь изобретателя он был назван яблоновитом. Для изготовления яблоновита использовался пластмассовый брусок, в котором по трем направлениям были просверлены цилиндрические отверстия под углом 35˚ к вертикали и 120˚ друг к другу. При таком расположении отверстий в толще образца возникала трехмерная решетка, напоминающая кристаллическую структуру алмаза.

Интересным методом создания трехмерных фотонных кристаллов является так называемый метод Лина-Флеминга. На кремниевую подложку наносят слой кварца SiO2, затем в нем вырезают параллельные борозды и заполняют их поликремнием. Поликремний – это наиболее чистая форма промышленного кремния, практически не содержащая примесей. Затем сверху этой разлинованной пленки напыляют следующий слой кварца, в котором вновь нарезают борозды, причем их направление перпендикулярно бороздам первого слоя. Их также заполняют поликремнием. Этот процесс повторяют многократно, постоянно чередуя направление борозд. После этого полученную структуру помещают в специальный растворитель, который «вымывает» кварц, оставляя трехмерный каркас из поликремниевых полос, показанный на РИСУНКЕ.

Изготовление трехмерных фотонных кристаллов, работающих в видимом диапазоне, является гораздо более сложным процессом, так как размеры неоднородностей должны быть сопост а- вимы с длиной волны видимого света, т.е. не должны превышать несколько сот нанометров. Сегодня создание таких фотонных кристаллов возможно благодаря развитию современных методик роста наноструктур и использованию нанотехнологий.

В нанотехнологиях обычно принято выделять две основные стратегии: «сверху-вниз» («top-down»), и «снизу-вверх» («bottom-up»). К первой стратегии в основном относятся физические методы создания материалов путем размельчения, разрезания, диспергирования больших (макроскопических) заготовок до наноразмерных объектов. Так, методы Яблоновича и ЛинаФлеминга можно отнести к типу «сверху-вниз». Стратегия «снизу-вверх» включает химические способы, как то химическое осаждение или формирование наночастиц из отдельных молекул и атомов. Методику «bottom-up» часто называют самосборкой. Самосборка обеспечивает быстрый и сравнительно простой метод создания фотонных кристаллов.

В большинстве методов, использующих самопроизвольное формирование фотонных кристаллов, применяются очень мелкие частицы (их называют коллоидными), находящиеся в жидкости. Когда жидкость испаряется, частицы осаждаются друг на друга, формируя трехмерный фотонный кристалл. Возможен также другой метод, называемый сотовым. В его основе лежит фильтрация коллоидных частиц через микроскопические поры. И хотя такой метод позволяет д о- вольно быстро выращивать фотонные кристаллы, при высыхании в структуре возникает многочисленные дефекты.

Для создания двумерных фотонных кристаллов лучше всего подходят методы травления. Здесь на поверхность будущего фотонного кристалла наносится маска, создаваемая с помощью фотолитографии. Маска может иметь вид, например, массива окружностей, т.е. попросту решета. В процессе травления в местах, где нет фоторезиста, материал будет растворяться, а под круглыми фоторезистивными островками будут «вырастать» цилиндры, высота которых зависит от времени травления. После достижения нужной глубины травления фоторезист смывается.

Все вышеперечисленные виды фотонных кристаллов обладают одним существенным недостатком: ширина и положение их запрещенной зоны являются заданными величинами, определяемыми структурой фотонного материала. Однако значительно удобнее было бы, если положение запрещенной зоны можно было бы изменять, делая кристалл прозрачным то в синей, то в красной области спектра, в зависимости от наших требований. Британские и канадские ученые научились делать именно такие перестраиваемые фотонные кристаллы. Изготовлены они были следующим образом. На плоский электрод были высажены миллионы кварцевых шариков диа-

100