Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования, 2021, № 11, стр. 75-79

ВВЕДЕНИЕ

Терагерцовая (ТГц) область электромагнитного спектра располагается в диапазоне частот между инфракрасным (ИК) и микроволновым диапазонами и занимает от 0.1 до 10 ТГц. На протяжении последних десятилетий ТГц технологии хорошо зарекомендовали себя в решении многих актуальных проблем прикладной и теоретической физики с выходом на различные фундаментальные и практические приложения [1]. ТГц излучение нашло свое применение в решении задач контроля безопасности [2], фармакологии [3], астрофизики [4, 5], физики конденсированного состояния [6–9], биологии и медицины [10–15] и многих других областей науки и техники [16, 17]. Несмотря на большой прогресс и перспективы, дальнейшее развитие ТГц технологий тормозится недостатком ТГц материалов для синтеза и оптимизации ТГц систем. В настоящее время существует лишь ограниченное количество полимеров и кристаллических материалов, подходящих для применения в ТГц диапазоне. Такие материалы обычно выбираются из-за их небольшой или умеренной дисперсии групповых скоростей и низкого поглощения электромагнитных волн [18–22].

Однако полимеры, как правило, имеют сравнительно большую дисперсию, не обладают химической стойкостью и термостойкостью, а также имеют низкие значения коэффициентов преломления, что усложняет синтез и оптимизацию оптических систем с их участием. Технологические сложности получения и обработки кристаллических материалов, а также дороговизна оборудования для их синтеза существенно увеличивает стоимость самих кристаллических материалов и изготовленных из них элементов ТГц оптики.

В работах [23, 24] в качестве альтернативы традиционным материалам ТГц оптики продемонстрирована очень хорошая перспектива использования пористых сред для разработки и усовершенствования оптических элементов ТГц диапазона. Пространственно изменяемая субволновая пористость и аддитивные технологии были использованы для разработки оптических компонентов ТГц диапазона, таких как линзы и фазовые пластины. Этот подход может дать широкий спектр в управлении ТГц характеристиками за счет управления пористостью, но требует использование 3D-принтеров с высоким разрешением, для которых, как правило, характерно отсутствие материалов с низкими потерями в ТГц диапазоне, совместимых с аддитивным производством.

В качестве нового перспективного материала ТГц оптики предлагаются искусственные пористые опалы, которые синтезируются путем осаждения коллоидной суспензии аморфных глобул SiO₂ с последующим отжигом при температурах 200–1500°C [25–27]. Пористость в исходных структурах может достигать 50% по объему в зависимости от условий синтеза, а дальнейший отжиг может уменьшать пористость вплоть до ее исчезновения, что позволяет контролируемым образом в широком диапазоне изменять оптические свойства.

Таким образом, целью данной работы является исследование свойств отожженных опаловых матриц в ТГц диапазоне.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Искусственные опалы представляют собой коллоидные кристаллы, состоящие из сферических глобул, сложенных в ГЦК-решетку (рис. 1а). Рост кристалла в данном случае осуществляется по нормали к плоскости [111]. В зависимости от условий синтеза, формирующие кристалл глобулы имеют размеры от сотен до тысяч нанометров. Также от условий синтеза значительно зависит объемная пористость глобулы. В данной работе использовались глобулы диаметром 300 нм (рис. 1б), полученные разращиванием затравок SiO₂ в спирто-водно-аммиачной смеси с использованием модифицированного метода Штобера–Финка–Бона [28, 29]. Глобулы с отклонением в диаметре менее 3% имели гладкую поверхность и слоистую внутреннюю структуру.

Рис. 1.

Коллоидный кристалл опаловой матрицы: a – 3D-модель коллоидного кристалла с отображением плоскостей [100] и [111], б – РЭМ-изображение выращенных глобул SiO₂, в – схема процесса прямой седиментации коллоидной суспензии.

Получение опаловой матрицы проводилось седиментацией коллоидной суспензии из глобул (рис. 1в) без использования электростатических или температурных полей.

После сушки опаловых матриц проводился их отжиг в диапазоне температур 200–1500 °С. Далее из отожженных образцов были подготовлены плоскопараллельные пластинки для исследования ТГц свойств на ТГц импульсном спектрометре с временным разрешением, подробная схема которого детально описана в работе [30]. Спектрометр работает в частотном диапазоне от 0.2 до 4.0 ТГц с максимальным частотным разрешением до 0.015 ТГц. Но из-за дифракции ТГц пучка на апертуре диафрагмы, а также френелевских потерь на пропускание и отражение, происходит падение чувствительности установки как на низких, так и на высоких частотах, и диапазон работы спектрометра составляет 0.25–2.5 ТГц. Генерация и детектирование ТГц излучения осуществляется LT-GaAs фотопроводящими антеннами. В оптической схеме нашего спектрометра коллимация ТГц излучения на диафрагму с образцом осуществлялась с помощью двух пар внеосевых параболических зеркал с золотым покрытием. Для уменьшения влияния паров воды на спектр приходящего сигнала, спектрометр был помещен в вакуумную камеру, и эксперименты проводили при давлении в камере 0.1 мбар. Также из опаловой матрицы, отожженной при 1000°С, была изготовлена плоско-выпуклая цилиндрическая линза, показанная на рис. 2.

Рис. 2.

ТГц-линза из опаловой матрицы, отожженной при 1000°С. Длина линзы составляет 18 мм, ширина 10 мм, толщина 6 мм, радиус кривизны 30 мм.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

По данным ТГц импульсного спектрометра с помощью известного алгоритма [31] были восстановлены оптические характеристики опаловых матриц с различной температурой отжига (рис. 3а, 3б). Из полученных результатов следует, что для частоты 1 ТГц при изменении температуры отжига от 900 до 1100°С оптические свойства опаловой структуры изменяются наиболее сильно, это связано с полным исчезновением пористости из матрицы. При таком изменении пористости показатель преломления увеличивается с 1.6 до 1.95, в то время как амплитудный показатель поглощения уменьшается с 7 до 0.4 см^–1. Пористость отожженных опаловых матриц была определена с помощью метода гидростатического взвешивания. По зависимости пористости от температуры на основе уравнения Бруггемана была разработана математическая модель (рис. 3в, 3г.) для двухкомпонентной среды, состоящей из воздуха и SiO₂ в его состоянии без пор (при температуре отжига 1500°С). Расхождение с теорией в низкотемпературной (до 800°С) области объясняется наличием связанной воды в глобулах, которая сильно поглощает ТГц излучение и не была учтена в модели. Она же определяет дисперсию в низкочастотной области для низкотемпературных образцов.

Рис. 3.

Восстановленные оптические характеристики опаловых матриц и математическая модель на основе уравнения Бруггемана для двухкомпонентной среды: а – показатель преломления образцов на частоте 1 ТГц для разных температур отжига, б – амплитудный коэффициент поглощения, в – модель Бруггемана для показателей преломления в зависимости от температуры отжига на частоте 1 ТГц, пунктиром показана температурная зависимость пористости опаловой матрицы, г – модель Бруггемана для амплитудного коэффициента поглощения на частоте 1 ТГц, пунктиром показана температурная зависимость пористости опаловой матрицы, градиентом показано неучтенное влияние связанной воды в глобулах.

Таким образом, согласно полученным результатам, можно сделать вывод, что опаловые матрицы являются перспективным материалом для ТГц оптики с возможностью изменения оптических свойств в широком диапазоне путем отжига, низким поглощением и отсутствием дисперсии, что является ключевыми факторами для синтеза ТГц-компонент.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Были синтезированы и исследованы опаловые матрицы в качестве материала для ТГц оптики. Показано, что при повышении температуры отжига с 200 до 1500°С показатель преломления такой структуры на частоте 1 ТГц увеличивается с 1.6 до 1.95, в то время как амплитудный коэффициент поглощения уменьшается с 7 до 0.4 см^–1. Разработана математическая модель на основе теории эффективной среды, а именно, уравнения Бруггемана, для описания изменения оптических свойств опаловой структуры в зависимости от температуры отжига. На основе полученных результатов можно сделать вывод, что опаловые матрицы являются достаточно перспективным материалом для ТГц областей применений.