Способ получения люминесцентных фотонных кристаллов с контролируемой направленностью излучения

Изобретение относится к технологии оптоэлектронных приборов и может быть использовано для получения люминесцентных фотонно-кристаллических средств отображения информации с контролируемой направленностью излучения. Способ получения люминесцентных фотонных кристаллов с контролируемой направленностью излучения предусматривает использование в качестве матрицы фотонного кристалла упорядоченной структуры на основе монодисперсных микросфер полистирола, упрочненной при 100°С. В качестве люминесцирующего вещества используются слои органических комплексов редкоземельных элементов HEuEDTA, Tb(pyca)3 с узкой менее 20 нм полушириной линий излучения, не подверженные концентрационному тушению. Способ обеспечивает получение люминесцентных фотонных кристаллов с контролируемой направленностью излучения, пригодных для производства оптоэлектронных приборов с направленным излучением на длинах волн λ=620 и 580 нм в интервале углов 0-30°. 5 ил.

 

Изобретение относится к технологии оптоэлектронных приборов и может быть использовано для получения люминесцентных фотонно-кристаллических средств отображения информации с контролируемой направленностью излучения.

В настоящее время для получения люминесцентных фотонных кристаллов используют методы, основанные на эпитаксиальных и литографических процессах (JP 2004296538 от 2004-10-21, US 2005174797 от 2005-08-11, US 2007013991 от 2007-01-18, US 2008142810 от 2008-06-19). Основными материалами, которые используются в этих методах, являются материалы группы AΙΙΙBV. Недостатком этих методов является использование токсичных веществ, сложность литографической технологии и необходимость использования для их реализации дорогостоящего оборудования. Рост потребностей в оптоэлектронных приборах на основе фотонных кристаллов стимулирует поиск более экономичных, простых и экологически чистых технологий.

Альтернативой литографическим методам могут стать более простые методы, основанные на самоорганизации коллоидных микросфер (CN 1387069 от 2002-12-25, CN 1828952 от 2006-09-06, US 2006270081 от 2006-11-30, US 2004170352 от 2004-09-02), которые получили свое развитие при получении фотонных кристаллов со структурой инвертированного опала (JP 2005328040 от 2005-11-24, WO 2007098838 от 2007-09-07). Данные способы позволяют получать прямые фотонные кристаллы, микросферы в которых упорядочены в ГЦК решетку, а пустоты между ними полностью заполнены кристаллофосфором или люминесцентными квантовыми точками. Инвертированные фотонные кристаллы, наоборот, представляют собой сеть микросферических пустот, заполненных кристаллофосфором или

люминесцентными квантовыми точками. Стоит отметить, что данные методы могут быть реализованы при достаточно высоких температурах 500°С, так как структурными элементами фотонных кристаллов служили микросферы диоксида кремния.

Недостатками методов получения самоорганизующихся фотонных кристаллов являются:

1. Полное заполнение пустот прямого фотонного кристалла кристаллофосфором, которое, как известно, может привести к концентрационному тушению люминесценции и тем самым снизить эффективность свечения.

2. Использование в качестве активных центров люминесценции квантовых точек, ширина спектра излучения которых больше ширины запрещенной зоны фотонных кристаллов, что снижает эффективность преобразования излучения в области наиболее низких и высоких длин волн.

3. Достаточно высокая температура процесса, что ограничивает возможности применения данного метода при производстве изделий микроэлектроники, микрооптики и оптоэлектронных интегральных схем.

Основной задачей, на решение которой направлен заявленный способ, - создание люминесцентных фотонно-кристаллических структур с низким эффектом концентрационного тушения, узким спектром свечения и возможностью их получения при температурах менее 110°С.

Технический результат изобретения заключается в снижении эффекта концентрационного тушения за счет уменьшения доли объема люминесцирующего вещества, повышении цветовых характеристик за счет использования узколинейчатых активных центров, низкой температуре процесса их получения, а также в получении люминесцирующих фотонно-кристаллических структур, пригодных для производства оптоэлектронных приборов на их основе.

Указанный технический результат достигается тем, что:

1. В качестве люминесцирующего вещества используются растворы органических комплексов редкоземельных элементов HEuEDTA, Tb(руса)3 с высоким квантовым выходом. Использование раствора комплексов позволяет легко заполнить матрицу фотонного кристалла, а также точно контролировать концентрацию растворенного вещества и снизить до минимума концентрационное тушение.

2. В качестве активных центров органических комплексов используются трехвалентные редкоземельные ионы Тb3+, обладающие узкими полосами свечения с полушириной не более 20 нм.

3. В качестве матрицы фотонного кристалла используется упорядоченная структура на основе монодисперсных микросфер полистирола. При этом упрочнение структур на основе полистирола можно проводить при температуре 100°С.

Способ получения тонких фотонных кристаллов, обладающих направленной люминесценцией, заключается в следующем. В качестве фотонного кристалла используется матрица, полученная методом вертикального осаждения микросфер полистирола под действием каппилярных сил. Диаметр полистирольных частиц составляет 225 нм. Исходная матрица отжигается при температуре 100°С. Изображение полистирольного фотонного кристалла после отжига, полученное на электронном микроскопе, показано на фиг.1. На вставке фиг.1 показана Фурье-трансформация микрофотографии. Спектр пропускания полистирольного фотонного кристалла, иллюстрирующий наличие фотонной запрещенной зоны в видимой области, показан на фиг.2

Для заполнения пустот матрицы люминесцирующим агентом готовится раствор люминесцентных органических комплексов HEuEDTA, Tb(руса)3 с водой в молярном соотношении 1:2. Спектр люминесценции органического комплекса HEuEDTA, Tb(руса)3 показан на фиг.3.

Отожженный фотонный кристалл опускается в раствор комплекса HEuEDTA, Tb(руса)3 и выдерживается в течение 24 часов.

В дальнейшем осуществляется сушка заполненного люминесцирующим агентом фотонного кристалла при температуре 70°С в течение 10 часов.

Диаметр полистирольных частиц выбран на основании расчета пространственно-угловой плотности фотонных состояний в зависимости от длины волны света для направления [111] гранецентрированной кубической решетки на основе полистирольных микросфер. Теоретический анализ показывает, что люминесцентные фотонные кристаллы, в которых длина волны свечения перекрывается с фотонной запрещенной зоной, характеризуются высоконаправленным излучением. Зависимость пространственно-угловой плотности фотонных состояний от длины волны света для направления [111] показана на фиг.4.

Выбор температуры отжига исходной матрицы объясняется тем, что при температуре 100°С происходит упрочнение полистирольного фотонного кристалла за счет частичного спекания микросфер в местах их соприкосновения. При этом именно при 100°С происходит наиболее эффективное спекание без нарушения структурного совершенства кристалла.

Молярное соотношение раствора органического комплекса HEuEDTA, Tb(руса)3 в воде было выбрано исходя необходимости, с одной стороны, ввести в фотонный кристалл достаточную для наблюдения эффективной люминесценции концентрацию активных центров свечения, с другой стороны, для того чтобы минимизировать процессы концентрационного тушения, приводящие к снижению эффективности свечения.

Время выдержки фотонного кристалла в растворе комплекса HEuEDTA, Tb(руса)3 было выбрано исходя из необходимости полного заполнения пустот матрицы раствором. Тем самым достигается равномерность заполнения пор фотонного кристалла активным люминесцирующим агентом.

Время сушки фотонного кристалла, заполненного люминесцирующим агентом, выбрано исходя из необходимости полного удаления растворителя (воды), а также физически адсорбированной воды на стенках микросфер. Это приводит к кристаллизации люминесцирующего агента в порах фотонного кристалла.

В результате получаются люминесцирующие фотонные кристаллы, обладающие контролируемой направленностью излучения, что иллюстрируют угловые зависимости интенсивности фотолюминесценции основных линий свечения Tb3+ (фиг.5). Полные, интегрированные по всем углам интенсивности свечения для упорядоченно структурированных (фотонный кристалл) и разупорядоченных полистирольных матриц (образец сравнения) не различались, однако для линий λ=620 и 580 нм (фиг.5,а и б) в интервале углов 0-30° наличие упорядоченной микроструктуры приводило к значительному усилению, а в интервале 40-60° - к значительному ослаблению интенсивности свечения. Такое пространственное перераспределение света можно объяснить тем, что при малых углах через указанные полосы свечения тербия проходит сначала длинноволновый край фотонной стоп-зоны, где имеется высокая плотность оптических состояний, а при больших - ее середина, где плотность фотонных состояний мала.

В свою очередь, зонная структура фотонного кристалла практически не изменяет интенсивность свечения линии Tb3+ λ=544 нм (фиг.5,в), поскольку данный пик люминесценции не попадает в область фотонной стоп-зоны.

Способ получения люминесцентных фотонных кристаллов с контролируемой направленностью излучения, основанный на самоорганизации коллоидных микросфер, отличающийся тем, что в качестве матрицы фотонного кристалла используется упрочненная при 100°С упорядоченная структура на основе монодисперсных микросфер полистирола, заполненная слоем люминесцентной примеси HEuEDTA, Tb(pyca)3, не подверженным концентрационному тушению и обладающим узколинейчатым спектром свечения.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к технологии линз для оптических систем современных оптоэлектронных и оптических приборов, работающих в ультрафиолетовой, видимой и ИК областях спектров, и может быть использовано при получении полусферических линз из лейкосапфира.

Изобретение относится к распыляемой мишени для получения тонкой прозрачной проводящей пленки. .

Изобретение относится к тонкопленочным интерференционным покрытиям для просветления оптических элементов. .

Изобретение относится к фотохромной композиции, применяемой в качестве матрицы для фотохромных пластиковых линз. .

Изобретение относится к технологии получения новых композиционных материалов, которые могут быть использованы в квантовой оптоэлектронике и телекоммуникационной индустрии.

Изобретение относится к области терморегулирующих покрытий, эксплуатирующихся преимущественно в составе космической техники. .

Изобретение относится к области оптического приборостроения, космической, лазерной оптики, квантовой и оптической наноэлектроники, а также полезно для дисплейной и телевизионной техники, где требуется высокое пропускание оптических покрытий и элементов в видимом и ближнем ИК-диапазоне спектра.

Изобретение относится к области терморегулирующих покрытий, эксплуатирующихся преимущественно в составе космической техники. .

Изобретение относится к технологии получения сверхпрочного монокристалла алмаза, выращенного с помощью индуцированного микроволновой плазмой химического осаждения из газовой фазы

Изобретение относится к области оптического приборостроения, а именно к технологии производства дифракционных оптических линз (ДОЛ)

Изобретение относится к устройствам, способствующим обозрению измерительных приборов, а именно к устройству (10) для улучшения видимости подводного устройства под водой

Изобретение относится к физике жидких сред, а точнее к оптике жидких сред

Изобретение относится к области оптического приборостроения, в частности к конструированию оптических элементов объективов и телескопов, где требуется высокое пропускание оптических элементов и их высокая износостойкость; к конструкции электро- и светоуправляемых жидкокристаллических пространственно-временных модуляторов света (ЖК-ПВМС), где необходима высокая лазерная прочность и высокий контраст при записи-считывании оптической информации, преобразовании сигнала из одного частотного диапазона в другой, при переключении потоков излучения без существенных потерь, при ограничении излучения; изобретение относится к конструкции линз, призм, оправ, световодов, голограммных элементов, нелинейных оптических фильтров, вращателей плоскости поляризации, др., где требуется высокая адгезия защитного или светопропускающего покрытия к поверхности подложки для предотвращения царапин, микроскопических щелей, других дефектов, существенно изменяющих процессы прохождения светового излучения через указанные оптические элементы и могущих вызвать изменение плоскости поляризации последних

Изобретение относится к улучшенным материалам для офтальмологических или отоларингологических изделий
Изобретение относится к монокристаллам для видимого и инфракрасного (ИК) диапазонов спектра и может быть использовано для изготовления методом экструзии одно- и многомодовых ИК-световодов для спектрального диапазона от 2 до 45 мкм

Изобретение относится к улучшенным материалам, применяемым в офтальмологических и отоларингологических устройствах

Изобретение относится к области получения оптических сред, включая среды с избирательным пропусканием, с высокой лучевой прочностью

Изобретение относится к технологии оптоэлектронных приборов и может быть использовано для получения люминесцентных фотонно-кристаллических средств отображения информации с контролируемой направленностью излучения

Наверх