Ю.Д. Третьяков - Микро- и наномир современных материалов (975562), страница 8
Текст из файла (страница 8)
Открыта возможность нового подхода по управлениюпроцессами биокристаллизации – взаимодействие растущих кристаллитов снесимметричным поверхностным рельефом приводит к изменению режима(механизма) роста отдельных кристаллитов, скорости их роста и морфологии, чтоможет позволить разделять оптические изомеры биологически активных веществ.«Анизотропный микрореактор с «первичным бульоном». Анизотропноесмачивание подложки с искусственным рельефом приводит к образованиюкапель раствора аминокислот («первичного бульона») анизотропной формы(оптическая микроскопия в конфигурации «на отражение», микроскоп Ломо Метам РВ21, Россия).
Подобные капли выступают в качестве своеобразного«микрореактора» с маточным раствором, в котором происходит кристаллизацияорганического вещества. Искусственно достигаемая асимметричность каплиприводит к росту кристаллов аминокислот асимметричной формы (в данномслучае на поверхности кристалла формируется ростовой слой, закрученныйвправо), что может быть использовано на практике для разделения «оптических49антиподов» (изомеров). Радужные полосы при съемке возникают из-заинтерференции света в тонком слое жидкости.«Аминозвезды».
Образование кристаллов аминокислоты L-лизина наэлементахискусственногорельефаповерхности(спирали)прикристаллизации из искусственно осажденных капель «росы» (оптическаямикроскопия в конфигурации «на отражение» (микроскоп Ломо - Метам РВ21,Россия). Любой дефект идеально гладкой поверхности благоприятствуетпротеканию гетерогенного зародышеобразования из-за снижения энергетическогобарьера образования зародышевых кристаллов. Поверхностный рельефпредставляет собой периодически расположенные рельефные спирали, наличиекоторых вызывает формирование первых кристаллов именно на элементахискусственного рельефа.
Образование кристаллов происходит, тем не менее, придостаточно больших пересыщениях в системе из-за органической природыкристаллизуемого вещества. В силу этого рост уже образовавшихся кристалловпроисходит с большой скоростью и приводит к образованию неравновесных формкристаллов, имеющих большое число граней («звезды»). Показана возможностьконтролируемой кристаллизации веществ органической или биологическойприроды непосредственно на элементах искусственного рельефа.50Изменение направлений ориентации эмбриокристаллов PbJ2, формирующихся наповерхности первичных пластинчатых кристаллов иодида свинца в присутствииадсорбированных на поверхности D или L- изомеров аминокислот.51Фотонные кристаллы*изготовленияфотонныхкристалловсоптическим контрастом и структурой,удовлетворяющихдостижениюполнойфотонной запрещенной зоны в видимой иближней инфракрасной областях спектра.Однако даже используя самые современные идорогостоящиеметодысубмикроннойэлектронной литографии и анизотропногоионного травления, к настоящему моментуудалось искусственно изготовить фотонныекристаллы с толщиной менее 10 структурныхячеек.Бурный прогресс в микроэлектронике играндиозныепроектыразвитияинформационных технологий в последнеевремя все ближе сталкиваются с проблемойсуществованияфундаментальныхограничений быстродействия полупроводниковых устройств.
В связи с этим все большеечисло исследований посвящается разработкепринципиальныхосновальтернативныхполупроводниковой электронике областей –микроэлектроникесверхпроводников,спинтронике и фотонике.Основой многих устройств фотоникимогут служить фотонные кристаллы –пространственно упорядоченные системы сострогопериодическоймодуляциейдиэлектрической проницаемости (строгопериодическим изменением коэффициентапреломления в масштабах, сопоставимых сдлинами волн излучений в видимом иближнеминфракрасномдиапазонах.).Указанная периодичность, по аналогии сэлектронной зонной структурой в регулярнойкристаллической решетке, обуславливаетвозникновение фотонной запрещенной зоны –спектральной области, в пределах которойраспространение света в фотонном кристаллеподавлено во всех (полная фотоннаязапрещенная зона) или в некоторыхизбранныхнаправлениях(будучипрозрачнымидляширокогоспектраэлектромагнитного излучения, фотонныекристаллы не пропускают свет с длинойволны, сравнимой с периодом структурыфотонного кристалла).
Наличие фотоннойзапрещенной зоны обуславливает эффектлокализациисвета,чтопозволяетосуществлятьконтрольспонтанногоизлучения внутри фотонного кристалла иоткрывает путь к созданию низкопороговыхлазерных излучателей для видимого иближнего инфракрасного диапазонов. Крометого, использование фотонных кристалловприконструированиителекоммуникационных систем может привести к снижениюкоэффициента затухания в оптическихволокнах и созданию не имеющие аналоговсверхбыстрых,полностьюоптических,переключателей потоков информации,.Разработка этого направления началась в1987 году и очень быстро стала модной длямногих ведущих лабораторий мира. Внастоящее время число публикаций попроблеме фотонных кристаллов (в их числемногочисленные статьи в Nature, Science,Advanced Materials и др.) ежегодноудваивается.
В последние годы созываютсяспециализированныепредставительныемеждународныеконференции,целикомпосвященные этой тематике. Лабораторииведущих компаний и университетов мира(IBM, NEC, Sandia National Laboratories, MIT,и др.) в течение последних 10 летприкладываютсерьезныеусилиядляОптическийспектрфотонногокристалла. Минимумы на спектрепропусканиясоответствуютфотонным запрещенным зонам вразличных направлениях.Для получения необходимых фотоннокристаллическихсвойств,весьмаперспективными считаются самопроизвольноформирующиеся синтетические опалы иматериалы на их основе.
Видимымпроявлениемсуществованияфотонныхзапрещенных зон является иризация опалов,образованных монодисперсными микросферами SiO2*xH2O диаметром 150-900 нм,упакованными в кубическую гранецентрированную решетку. Важность разработкиданного направления связана с отсутствиемфундаментальных ограничений на размерыобразцов и возможностью контролируемогоизменения их оптических свойств. Внастоящее время наибольший интереспредставляют фотонные кристаллы, длякоторых запрещенная зона лежит в видимой(400 – 700 нм) или в ближней инфракрасной(1 – 1,5 мкм) областях.
Создание трехмерногофотонного кристалла с запрещенной зоной вуказанном выше интервале длин волностается на протяжении последних десяти летодной из главных задач материаловедения.52является одной из важнейших при созданиифотонных кристаллов. В настоящее времяразличными исследователями предложенцелый ряд методов “сборки” фотонныхкристаллов из коллоидных микрочастиц,такие как естественная седиментация,центрифугирование,электрофорез,упорядочениечастицнаравномерновращающейся подложке под действиемцентростремительных сил и ряд других.Сферические кварцевые микрочастицы наискуственносозданномрельеферассматриваются в качестве “опаловыхчипов” (opal chips) – элементов дляоптических интегральных схем на основефотоники.Влабораториинеорганическогоматериаловедения Химического ФакультетаМГУпроводятсясистематическиеисследования по разработке новых подходовк получению совершенных фотонныхкристаллов в виде объемных и пленочныхобразцов с улучшенными оптическимихарактеристиками.
В качестве объектовисследования в настоящей работе быливыбраны фотонные кристаллы на основемикросфер диоксида кремния и полистирола,а также материалы на их основе.Фотография природных опаловС точки зрения материаловедения,опаловые матрицы представляют собойматериалы, получение которых основано напринципах самосборки, в ряде случаях – напроцессах самоорганизации в сложныхсистемахсмногоуровневымивзаимодействиями между составляющими ееобъектами – коллоидными частицами. Дляфотонных кристаллов принципиально важентщательныйконтролькакфизикохимических,геометрическихидиэлектрических характеристик материала«строительных блоков» (самособирающихсяколлоидных частиц), так и разработка новыхметодик их получения, обеспечивающихсущественное сокращение времени синтеза,минимальное содержание различного родадефектов, в том числе – границ блоковмозаики, а также дающих возможностьлегкой модификации свойств, в частности,возможность создания полифункциональныхфотонных кристаллов за счет кросскорреляцииоптических,магнитных,электрическихидр.характеристикматериала.Являясьвполученногоопределенной степени аналогом обычныхкристаллов,фотонныекристаллычрезвычайно интересны и с методическойточки зрения как модель формированияупорядоченныхструктурнаосновеплотнейших шаровых упаковок, в которыхмогут проявляться и легко визуализироватьсяаналоги точечных и протяженных дефектов,характерных для твердых тел с «атомарным»строением.
Для практического использованиябездефектные области в фотонномкристалледолжны превышать 1000 мкм2. Поэтомупроблема упорядочения сферических частиц* финалистспециальныйфотографиюА.С.Синицкий, В.В.АбрамоваФото: А.В.ГаршевЛитература1. E.Yablonovich. Inhibited SpontaneousEmission in Solid-State Physics and Electronics// Physical Review Letters, 58 (1987) 2059.2.A.S.Sinitskii,A.V.Knot’ko,Yu.D.Tretyakov.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
