1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Неорганические материалы
  4. T. 56, № 11, 2020

Неорганические материалы, 2020, T. 56, № 11, стр. 1163-1167

Сегнетоэлектрический фотонный кристалл анодного оксида алюминия, заполненный нитритом натрия

В. С. Горелик 1, 2, *, П. П. Свербиль 1

1 Физический институт им. П.Н. Лебедева Российской академии наук
119991 Москва, Ленинский пр., 53, Россия

2 Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет)
105005 Москва, ул. 2-я Бауманская, 5, Россия

* E-mail: gorelik@lebedev.ru

Поступила в редакцию 22.04.2020
После доработки 15.06.2020
Принята к публикации 23.06.2020

Полный текст (PDF)

Аннотация

На основе заполнения пористого анодного оксида алюминия нитритом натрия создан одномерный сегнетоэлектрический фотонный кристалл. Обнаружен батохромный сдвиг на 40 нм спектрального положения стоп-зоны исходного фотонного кристалла при введении в его поры нитрита натрия. Показана возможность применения композитных фотонных кристаллов на основе оксида алюминия в качестве селективных узкополосных зеркал.

Ключевые слова: сегнетоэлектрический фотонный кристалл, стоп-зона, заполнение пор, узкополосный фильтр, спектр отражения

ВВЕДЕНИЕ

Характерным свойством фотонных кристаллов (ФК) является наличие в их энергетическом спектре т. н. стоп-зон [1–4], в области которых имеет место сильное отражение электромагнитного излучения. В связи с этим открывается возможность для создания новых типов селективных зеркал и светофильтров с управляемыми оптическими свойствами.

Ранее исследовались оптические свойства пористых глобулярных ФК, построенных в виде гранецентрированной кубической решетки плотно упакованных шариков (глобул) кремнезема (SiO2) [5–24]. На основе метода электрохимического окисления (анодирования) алюминия [25–31] в последние годы были созданы одномерные ФК пористого анодного оксида алюминия. Период решетки таких кристаллов может изменяться в диапазоне 100–500 нм в зависимости от режима травления. Свойства таких ФК без заполнения пор кристаллическими наночастицами исследовались в работах [31–41].

В данной работе была поставлена задача исследования спектров отражения композитных ФК на основе пористого оксида алюминия с заполнением пор наночастицами нитрита натрия и возможности их применения в качестве селективных узкополосных зеркал. Нитрит натрия является биоактивным материалом и присутствует в некоторых биообъектах. Кроме того, этот материал является пьезоэлектриком и сегнетоэлектриком и представляет интерес для изучения нелинейных оптических процессов. Аналогичные свойства характерны для нецентросимметричных биологических структур: триглицинсульфата, сегнетовой соли, хиральных кристаллических аминокислот, белков и др. Выбор нитрита натрия связан также с удобством его введения в пористый оксид алюминия ввиду высокой растворимости в воде.

МЕТОДИКА И РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТА

Измерения проводились с ФК в виде тонких многослойных пленок оксида алюминия, полученных с помощью электрохимического анодирования алюминия [25–31, 42]. В процессе изготовления образцов через алюминиевую подложку, погруженную в смесь кислот, пропускался периодически изменяющийся ток плотностью 0.4–1.2 А/см2 при напряжении до 20 В. При этом на поверхности алюминия образовывался анодный оксид, в котором протравливались поры (каналы) диаметром 55–85 нм и глубиной, зависящей от времени травления (пространственная структура напоминает пчелиные соты). Плотность пор на единицу площади подложки и их размеры зависели от плотности тока и его зависимости во времени. В частности, в работе [4] относительная площадь пор на поверхности пленки составляла 45%. В процессе травления периоды Т1 и Т2 большой и малой плотности тока многократно повторялись. В результате образовывались чередующиеся слои 1 и 2 анодного оксида алюминия различной пористости и, соответственно, с различными эффективными показателями преломления. После окончания процесса (получения требуемого количества слоев) центральная часть алюминиевой подложки с обратной стороны вытравливалась. В результате получалась многослойная периодическая структура ФК диаметром около 1 см, края которой переходили в алюминиевый кольцодержатель диаметром около 2 см. Толщина ФК составляла ∼20 мкм, период – около 390 нм. Схема экспериментальной установки для регистрации спектров отражения излучения галогенной лампы от поверхности ФК аналогична приведенной в [40, 41]. Измерялись спектры зеркального отражения исходных ФК и ФК с введенным в поры оксида алюминия нитритом натрия в диапазоне длин волн 400–700 см при углах 0°–40° падения света на поверхность ФК. ФК пропитывался насыщенным водным раствором нитрита натрия и затем высушивался с образованием нанокристаллов в порах образца. В работе [41] были зарегистрированы спектры пропускания этого ФК без введения каких-либо веществ в поры. В этих спектрах были обнаружены три стоп-зоны с центрами вблизи 1070, 535 и 360 нм.

На рис. 1 приведены зарегистрированные в диапазоне длин волн 400–700 нм при нормальном падении света спектры отражения исследуемого одномерного ФК и ФК, заполненного нитритом натрия.

Рис. 1.

Спектры отражения ФК анодного оксида алюминия без заполнения (1) и кристалла, заполненного нитритом натрия (2), в диапазоне длин волн 400–700 нм.

Видно, что в спектре отражения исходного (не заполненного нитритом натрия) образца обнаруживается максимум в области второй стоп-зоны, соответствующей длине волны 535 нм. После заполнения образца нитритом натрия максимум отражения сдвигается к длине волны 573 нм (см. рис. 1).

На рис. 2 приведены зарегистрированные в диапазоне длин волн 400–700 нм спектры отражения заполненного нитритом натрия ФК при различных углах падения света.

Рис. 2.

Спектры зеркального отражения ФК анодного оксида алюминия с заполнением нитритом натрия в диапазоне длин волн 400–700 нм при углах падения 0° (1), 25° (2) и 40° (3).

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Спектральные положения стоп-зон в зависимости от угла падения излучения на поверхность ФК задаются соотношением Вульфа–Брэгга [43, 44]:

(1)
${m{{{\lambda }}_{m}} = {\text{2}}d\sqrt {n_{{ef}}^{{\text{2}}} - {\text{si}}{{{\text{n}}}^{{\text{2}}}}{\theta }} }.$
Здесь m – номер соответствующей стоп-зоны (в нашем случае m = 2); λm – длина волны, соответствующая спектральному положению соответствующей стоп-зоны; d = a1+ a2 – период ФК; a1, a2 – толщины однородных слоев ФК; θ – угол падения излучения на поверхность ФК, nef – эффективный показатель преломления ФК
(2)
$n_{{ef}}^{2} = \frac{{{{a}_{1}}}}{{{{a}_{1}} + {{a}_{2}}}}n_{1}^{2} + \frac{{{{a}_{2}}}}{{{{a}_{1}} + {{a}_{2}}}}n_{2}^{2},$
где n1, n2 – показатели преломления однородных слоев ФК.

Показатель преломления каждого слоя ФК n1, 2 связан с пористостью слоя оксида алюминия и коэффициентом заполнения выражением

(3)
${{{n}_{j}} = \sqrt {{\text{(1}} - {{{\delta }}_{j}}{\text{)}}n_{a}^{{\text{2}}} + {{{\delta }}_{j}}{\text{(1}} - {{{\eta }}_{j}}{\text{)}}n_{{\text{0}}}^{{\text{2}}} + {{{\delta }}_{j}}{{{\eta }}_{j}}n_{f}^{{\text{2}}}} }.$

Здесь j = 1, 2; δj – пористость слоев 1 и 2; na, n0 и nf – показатели преломления монокристалла оксида алюминия (na = 1.76), воздуха (n0 = 1) и заполняющего вещества (для нитрита натрия nf = 1.34); ηj – коэффициент заполнения пор ФК нитритом натрия. Ширина Δλm и спектральное положение λm стоп-зоны с порядковым номером m связаны с показателями преломления слоев соотношением [44]

(4)
${\frac{{{\Delta }{{{\lambda }}_{m}}}}{{{{{\lambda }}_{m}}}} = \frac{{\text{4}}}{{{\pi }m}}\frac{{\left| {{{n}_{{\text{1}}}} - {{n}_{{\text{2}}}}} \right|}}{{{{n}_{{\text{1}}}} + {{n}_{{\text{2}}}}}}}.$

В работе [41] на основании спектров пропускания ФК, с учетом формул (1)–(4), были получены следующие значения параметров незаполненного ФК: nef = 1.37, n1 = 1.3, n2 = 1.44. Исходя из сдвига спектра отражения ФК с заполнением нитритом натрия (см. рис. 1) при нулевом угле падения рассчитано значение эффективного показателя преломления ФК, заполненного нитритом натрия: $n_{{ef}}^{'}$ = 1.47.

На рис. 3 приведены экспериментальные зависимости спектрального положения центра второй стоп-зоны ФК анодного оксида алюминия без заполнения (пустые кружки) и с заполнением (закрашенные кружки) нитритом натрия от угла падения света (θ = 0°–45°). Сплошные линии проведены в соответствии с расчетом по формуле (1) при двух значениях эффективного показателя преломления ФК: 1.37 и 1.47.

Рис. 3.

Зависимости спектрального положения центра второй стоп-зоны ФК анодного оксида алюминия без заполнения (1) и с заполнением (2) нитритом натрия от угла падения света (θ = 0°–45°); сплошные линии – расчет по формуле (1) при значении эффективного показателя преломления 1.37 (нижняя кривая) и 1.47 (верхняя кривая).

В результате поворота исследуемого образца на 0°–40° по отношению к направлению луча света спектральное положение центра второй стоп-зоны плавно перестраивается на 0–40 нм. Таким образом может быть осуществлена точная подстройка полосы отражения селективного зеркала к требуемой длине волны.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Создан сегнетоэлектрический ФК на основе пористого анодного оксида алюминия, обеспечивающий возможность создания управляемых селективных фильтров и зеркал, а также новых эффективных преобразователей частоты лазерного излучения при генерации оптических гармоник. Измерен сдвиг спектрального положения второй стоп-зоны для заполненного сегнетоэлектриком нитритом натрия ФК на 40 нм в длинноволновую область. Это соответствует увеличению эффективного показателя преломления ФК на 0.1 при заполнении его нитритом натрия. Точная подстройка полосы зеркального отражения ФК к заданной длине волны может быть достигнута при его повороте на определенный угол в соответствии с формулой (1).

Выполненная работа открывает возможность для создания новых композитных материалов посредством введения в поры ФК оксида алюминия пьезоэлектрических, сегнетоэлектрических и хиральных биоактивных сред. Созданные фотонно-кристаллические структуры могут также использоваться как высокочувствительные сенсоры для биомедицинских применений [45].

Список литературы

  1. Быков В.П. Спонтанное излучение в периодической структуре // ЖЭТФ. 1972. Т. 62. С. 505–513.

  2. Yeh P., Yariv A., Hong C.-S. Electromagnetic Propagation in Periodic Stratified Media // J. Opt. Soc. Am. 1977. V. 67. P. 423–428.

  3. Yablonovitch E. Inhibited Spontaneous Emission in Solid-State Physics and Electronics // Phys. Rev. Lett. 1987. V. 58. P. 2059–2062.

  4. John S. Strong Localization of Photons in Certain Disordered Dielectric Superlattices // Phys. Rev. Lett. 1987. V. 58. P. 2486–2487.

  5. Astratov V.N., Bogomolov V.N., Kaplyanskii A.A., Prokofiev A.V., Samoilovich L.A., Samoilovich S.M., Vlasov Yu.A. Optical Spectroscopy of Opal Matrices with CdS Embedded in Its Pores: Quantum Confinement and Photonic Band Gap Effects // Il Nuovo Cimento D. 1995. V. 17. P. 1349–1354.

  6. Romanov S.G., Johnson N.P., Fokin A.V., Butko V.Y., Yates H.M., Pemble M.E., Sotomayor Torres C.M. Enhancement of the Photonic Gap of Opal-Based Three-Dimensional Gratings // Appl. Phys. Lett. 1997. V. 70. P. 2091–2093.

  7. Bogomolov V.N., Gaponenko S.V., Germanenko I.N., Kapitonov A.M., Petrov E.P., Gaponenko N.V., Prokofiev A.V., Ponyavina A.N., Silvanovich N.I., Samoilovich S.M. Photonic Band Gap Phenomenon and Optical Properties of Artificial Opals // Phys. Rev. E. 1997. V. 55. P. 7619–7625.

  8. Reynolds A., Lypez-Tejeira F., Cassagne D., Garcнa-Vidal F.J., Jouanin C., Sбnchez-Dehesa J. Spectral Properties of Opal-Based Photonic Crystals Having a SiO2 Matrix // Phys. Rev. B. 1999. V.60. P. 11422–11426.

  9. Vlasov Yu.A., Astratov V.N., Baryshev A.V., Kaplyanskii A.A., Karimov O.Z., Limonov M.F. Manifestation of Intrinsic Defects in Optical Properties of Self-Organized Opal Photonic Crystals // Phys. Rev. E. 2000. V. 61. P. 5784.

  10. Galisteo-Lypez J.F., Palacios-Lidyn E., Castillo-Martнnez E., Lypez C. Optical Study of the Pseudogap in Thickness and Orientation Controlled Artificial Opals // Phys. Rev. B. 2003. V. 68. P. 115109.

  11. Pavarini E., Andreani L.C., Soci C., Galli M., Marabelli F., Comoretto D. Band Structure and Optical Properties of Opal Photonic Crystals // Phys. Rev. B. 2005. V. 72. P. 045102.

  12. Pokrovsky A.L., Kamaev V., Li C.Y., Vardeny Z.V., Efros A.L., Kurdyukov D.A., Golubev V.G. Theoretical and Experimental Studies of Metal-Infiltrated Opals // Phys. Rev. B. 2005. V. 71. P. 165114.

  13. Gajiev G.M., Golubev V.G., Kurdyukov D.A., Medvedev A.V., Pevtsov A.B., Sel’kin A.V., Travnikov V.V. Bragg Reflection Spectroscopy of Opal-Like Photonic Crystals // Phys. Rev. B. 2005. V. 72. P. 205115.

  14. Ивченко Е.Л., Поддубный А.Н. Резонансные трехмерные фотонные кристаллы // ФТТ. 2006. Т. 48. № 3. С. 540–547.

  15. Baryshev A.V., Kosobukin V.A., Samusev K.B., Usvyat D.E., Limonov M.F. Light Diffraction from Opal-Based Photonic Crystals with Growth-Induced Disorder: Experiment and Theory // Phys. Rev. B. 2006. V. 73. P. 205118.

  16. Горелик В.С. Оптика глобулярных фотонных кристаллов // Квант. электроника. 2007. Т. 37. С. 409–432.

  17. Kapitonov A.M. One-Dimensional Opal Photonic Crystals // Photonics Nanostr. – Fundam. Appl. 2008. V. 6. P. 194–199.

  18. Ding B., Pemble M.E., Korovin A.V., Peschel U., Romanov S.G. Three-Dimensional Photonic Crystals with an Active Surface: Gold Film Terminated Opals // Phys. Rev. B. 2010. V. 82. P. 035119.

  19. Muskens O.L., Koenderink A.F., Vos W.L. Broadband Coherent Backscattering Spectroscopy of the Interplay between Order and Disorder in Three-Dimensional Opal Photonic Crystals // Phys. Rev. B. 2011. V. 83. P. 155101.

  20. Rybin M.V., Sinev I.S., Samusev A.K., Samusev K.B., Trofimova E.Yu., Kurdyukov D.A., Golubev V.G., Limonov M.F. Dimensionality Effects on the Optical Diffraction from Opal-Based Photonic Structures // Phys. Rev. B. 2013. V. 87. P. 125131.

  21. Boiko V., Dovbeshko G., Dolgov L., Kiisk V., Sildos I., Loot A., Gorelik V. Angular Shaping of Fluorescence from Synthetic Opal-Based Photonic Crystal // Nanoscale Res. Lett. 2015. V. 10. P. 97.

  22. Войнов Ю.П., Горелик В.С., Зайцев К.И., Злобина Л.И., Свербиль П.П., Юрченко С.О. Вторая оптическая гармоника вблизи поверхности сегнетоэлектрических фотонных кристаллов и фотонных ловушек // ФТТ. 2015. Т. 57. № 3. С. 443–449.

  23. Zaytsev K.I., Katyba G.M., Yakovlev E.V., Gorelik V.S., Yurchenko S.O. Band-Gap Nonlinear Optical Generation: The Structure of Internal Optical Field and the Structural Light Focusing // J. Appl. Phys. 2014. V. 115. P. 213505.

  24. Yurchenko S.O., Zaytsev K.I., Gorbunov E.A, Yakovlev E.V., Zotov A.K., Masalov V.M., Emelchenko G.A., Gorelik V.S. Enhanced Third-Harmonic Generation in Photonic Crystals at Band-Gap Pumping // J. Phys. D: Appl. Phys. 2017. V. 50. 055105.

  25. Masuda H., Ohya M., Asoh H., Nakao M., Nohtomi M., Tamamura T. Photonic Crystal Using Anodic Porous Alumina // Jpn. J. Appl. Phys. 1999. V. 38. P. L1403.

  26. Choi J., Luo Y., Wehrspohn R.B., Hillebrand R., Schilling J., Gosele U. Perfect Two-Dimensional Porous Alumina Photonic Crystals with Duplex Oxide Layers // J. Appl. Phys. 2003. V. 94. P. 4757–4762.

  27. Wang B., Fei G.T., Wang M., Kong M.G., Zhang L.D. Preparation of Photonic Crystals Made of Air Pores in Anodic Alumina // Nanotechnology. 2007. V. 18. P. 365601.

  28. Liu Yisen, Chang Yi, Ling Zhiyuan, Hu Xing, Li Yi. Structural Coloring of Aluminum // Electrochem. Commun. 2011. V. 13. P. 1336–1339.

  29. Li S.-Y., Wang J., Wang G., Wang J.-Z., Wang C.-W. Fabrication Of One-Dimensional Alumina Photonic Crystals by Anodization Using a Modified Pulse-Voltage Method // Mater. Res. Bull. 2015. V. 68. P. 42–48.

  30. Горелик В.С., Климонский С.О., Филатов В.В., Напольский К.С. Oптические свойства одномерных фотонных кристаллов на основе пористых пленок анодного оксида алюминия // Оптика и спектроскопия. 2016. Т. 120. № 4. С. 562–568.

  31. Gorelik V.S., Bi D., Fei G.T. Optical Properties of Mesoporous Photonic Crystals, Filled with Dielectrics, Ferroelectrics and Piezoelectrics // J. Adv. Dielectr. 2017. V. 7. P. 1750038.

  32. Su Y., Fei G.T., Zhang Y., Li H., Yan P., Shang G.L., Zhang L.D. Anodic Alumina Photonic Crystal Heterostructures // J. Opt. Soc. Am. B. 2011. V. 28. P. 2931–2933.

  33. Bellingeri M., Scotognella F. Light Transmission Behaviour as a Function of the Homogeneity in One Dimensional Photonic Crystals // Photonics Nanostr. – Fundam. Appl. 2012. V. 10. P. 126–130.

  34. Shang G.L., Fei G.T., Zhang Y., Yan P., Xu S.H., Hao Miao Ouyang, Zhang L.D. Fano Resonance in Anodic Aluminum Oxide Based Photonic Crystals // Sci. Rep. 2014. V. 4. P. 3601.

  35. Ferrй-Borrull J., Rahman M.M., Josep Pallarиs J., Marsal L.F. Tuning Nanoporous Anodic Alumina Distributed-Bragg Reflectors with the Number of Anodization Cycles and the Anodization Temperature // Nanoscale Res. Lett. 2014. V. 9. P. 416.

  36. Wang G., Wang J., Li S.-Y., Zhang J.-W., Wang C.-W. One-Dimensional Alumina Photonic Crystals with a Narrow Band Gap and Their Applications to High-Sensitivity Concentration Sensor and Photoluminescence Enhancement // Superlattices Microstr. 2015. V. 86. P. 546–551.

  37. Chen Y., Santos A., Wang Y., Kumeria T., Ho D., Li J., Wang C., Losic D. Rational Design of Photonic Dust from Nanoporous Anodic Alumina Films: A Versatile Photonic Nanotool for Visual Sensing // Sci. Rep. 2015. V. 5. P. 12893.

  38. Santos A. Nanoporous Anodic Alumina Photonic Crystals: Fundamentals, Developments and Perspectives // J. Mater. Chem. C. 2017. V. 5. P. 5581.

  39. Горелик В.С., Яшин М.М., Bi D., Fei G.T. Спектры пропускания и оптические свойства мезопористого фотонного кристалла на основе анодного оксида алюминия // Оптика и спектроскопия. 2018. Т. 124. № 2. С. 171–177.

  40. Gorelik V.S., Sverbil P.P., Filatov V.V., Bi D., Fei G.T., Xu S.H. Transmission Spectra of One-Dimensional Porous Alumina Photonic Crystals // Photonics Nanostr. – Fundam. Appl. 2018. V. 32. P. 6–10.

  41. Свербиль П.П., Горелик В.С., Bi D., Fei G.T., Xu S.H., Gao X.D. Угловые зависимости спектров пропускания фотонно-кристаллических пленок на основе оксида алюминия // Оптика и спектроскопия. 2019. Т. 127. № 4. С. 548–550.

  42. Sverbil P.P., Gorelik V.S. Reflection Spectra of Composite Photonic Crystals Based on Anodic Alumina Filled with Ferroelectric Sodium Nitrite // Phys. Wave Phenomena. 2019. V. 27. P. 275–279.

  43. Борн М., Вольф Э. Основы оптики. М.: Наука, 1973. 713 с.

  44. Ярив А., Юх П. Оптические волны в кристаллах. М.: Мир, 1987. 615 с.

  45. Ashurov M., Gorelik V., Napolskii K., Klimonsky S. Anodic Alumina Photonic Crystals as Refractive Index Sensors for Controlling the Composition of Liquid Mixtures // Photonic Sens. 2020. V. 10. P. 147–154.

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска содержание выпуска

Неорганические материалы

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал