Способ получения полифункциональных фотонных кристаллов со структурой инвертированного опала
Владельцы патента RU 2383082:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Северо-Кавказский государственный технический университет" (RU)
Изобретение относится к технологии оптоэлектроники и может быть использовано для получения полифункциональных пленочных инвертированных фотонных кристаллов с запрещенной зоной в видимой и ИК-области спектра, и пригоден для производства оптоэлектронных (электрооптических и магнитооптических) приборов на основе инвертированных фотонных кристаллов. Способ получения полифункциональных фотонных кристаллов со структурой инвертированного опала предусматривает использование в качестве темплата прямые фотонные кристаллы на основе полистирола. В качестве материалов, составляющих фотонный кристалл со структурой инвертированного опала, используются соединения с комбинированными оптическими, электрическими и магнитными свойствами Zn2SiO4, LiFe5O8, BaFe12O19, BaTiO3, SrTiO3, MgAl2O4 и Y3Al5O12. Способ обеспечивает получение полифункциональных фотонных кристаллов со структурой инвертированного опала с низкой концентрацией дефектов (порядка одного на 2 мкм2) и обладающих фотонной запрещенной зоной в видимой и ближней ИК-области спектра. 3 ил.
Изобретение относится к технологии оптоэлектроники и может быть использовано для получения полифункциональных пленочных инвертированных фотонных кристаллов с запрещенной зоной в видимой и ИК-области спектра.
Наиболее распространенным методом получения фотонных кристаллов является метод, основанный на упорядочивании микросфер SiO2 (CN 1808214 от 2006-07-26) или полистирола (US 2005270633 от 2005-12-08) в структуру прямого опала. Такие методики позволяют создавать фотонные кристаллы, имеющие низкий оптический контраст, что приводит к уменьшению полуширины их фотонной запрещенной зоны, а следовательно, ограничивает возможности применения.
Лишены этого недостатка способы, позволяющие получать фотонные кристаллы со структурой инвертированного опала (US 2005175774 от 2005-08-11, CN 1880519 от 2006-12-20). В этом случае каркас из микросфер SiO2 или полистирола используется в качестве темплата (матрицы), которая в процессе химической или термической обработки удаляется, а на месте пустот исходной матрицы формируется материал с высокой диэлектрической проницаемостью. Такие методы позволяют создавать инвертированные кристаллы с высоким оптическим контрастом на основе TiO2, SiO2. В то же время используемые в них материалы обладают низкими функциональными возможностями и пригодны для создания только оптических структур на их основе.
Основной задачей, на решение которой направлен заявленный способ, является получение полифункциональных инвертированных кристаллов на основе материалов с комбинированными оптическими, электрическими и магнитными свойствами с низкой концентрацией дефектов.
Технический результат изобретения заключается в использовании в качестве активного материала фотонного кристалла различных материалов, обладающих уникальными физическими свойствами и техническими характеристиками, а также в получении инвертированных фотонно-кристаллических структур, пригодных для производства оптоэлектронных (электрооптических и магнитооптических) приборов на их основе.
Указанный технический результат достигается тем, что в качестве материала фотонного кристалла используются:
- силикаты Mg2SiO4 и Zn2SiO4, являющиеся широкоиспользуемыми матрицами для люминесцентных ионов;
- ферриты LiFe5O8 и BaFe12O19 с магнитными свойствами;
- титанаты BaTiO3 и SrTiO3 с сегнетоэлектическими свойствами;
- алюминаты MgAl2O4 и Y3Al5O12 с ценными оптическими свойствами.
Технологический процесс получения полифункциональных инвертированных фотонно-кристаллических структур на основе сложных оксидов по заявленному способу представлен на схеме (фиг.1). Здесь: а - формирование темплата на основе монодисперсных микросфер полистирола; б - пропитка темплата веществом прекурсором; в - термическое удаление темплата и синтез в его пустотах необходимого соединения.
Способ получения пленочных фотонных кристаллов со структурой инвертированного опала заключается в следующем. Синтез инвертированных фотонных кристаллов осуществляется в соответствии с общей схемой, приведенной на фиг.1. На первом этапе, готовится суспензия монодисперсных микросфер полистирола с концентрацией 1 мас.% микросфер в воде. Затем монодисперсные коллоидные микросферы равномерно «упаковывают» в виде трехмерных решеток (коллоидных кристаллов), методом осаждения на вертикальную подложку под действием капиллярных сил при температуре 50°С фиг.1а. В зависимости от условий синтеза размер микросфер может варьироваться в интервале 400-1000 нм.
На втором этапе, пустоты темплатной структуры заполняют веществом прекурсором, фиг.1б. В зависимости от того, какое вещество необходимо получить использовали различные насыщенные (до выпадения осадка) растворы прекурсоров в воде.
В случае инвертированных опалов Mg2SiO4 и Zn2SiO4 для пропитки темплатной матрицы использовали смеси тетраэтоксисилана Si(OC2H5)4 и нитрата магния Mg(NO3)2 или цинка Zn(NO3)2 соответственно в мольном соотношении Mg(NO3)2:Si(OC2H5)4=2:1 и Zn(NO3)2:Si(OC2H5)4=2:1.
В случае инвертированных опалов BaTiO3 и SrTiO3 для пропитки темплатной матрицы использовали смеси бутилата титана Ti(OC4H9)4 и нитрата бария Ba(NO3)2 или стронция Sr(NO3)2 соответственно в мольном соотношении 1:1.
В случае инвертированных опалов LiFe5O8 и BaFe12O19, MgAl2O4 и Y3Al5O12, готовили растворы нитратов LiNO3, Fe(NO3)3 в мольном соотношении 1:5, Ba(NO3)2, Fe(NO3)3 в мольном соотношении 1:12, Mg(NO3)2, Al(NO3)3 в мольном соотношении 1:2, Y(NO3)3, Al(NO3)3 в мольном соотношении 3:5. Далее, подложку с приготовленным темплатом погружали в раствор прекурсора на 24 часа, в результате чего происходит заполнение пустот. После чего образец высушивается при температуре 80°С в течение 5 часов.
На последнем этапе формируется фотонный кристалл со структурой инвертированного опала фиг.1в. Для этого образцы подвергают медленному нагреву со скоростью 0,1°С/мин и последующему отжигу при температуре 500°С в течение 10 часов. В результате полистирольная матрица удаляется, а на месте ее пустот формируется необходимый материал требуемого состава.
Концентрация монодисперсных микросфер полистирола выбрана на основании экспериментальных данных по исследованию структуры и функциональности растущего слоя. При концентрациях менее 1 мас.% получаются пленки малой толщины, и энергетический спектр фотонов в таких кристаллах становится чувствительным к рассеянию света на поверхностных неоднородностях, что ограничивает возможности применения данного метода. При концентрациях более 1 мас.% получаются пленки с высокой концентрацией точечных и линейных дефектов, а также с неупорядоченной доменной структурой.
Температура осаждения микросфер на вертикальную подложку под действием капиллярных сил выбрана исходя из экспериментальных данных по влиянию температуры на скорость формирования кристалла. При температурах менее 50°С скорость осаждения мала, так как мала скорость испарения растворителя - воды. При более высоких температурах в растущем слое наблюдаются флуктуации положения микросфер, связанные с броуновским движением, что приводит к росту структурных дефектов в кристалле.
Задание интервала размеров микросфер полистирола объясняется необходимостью получения инвертированных фотонных кристаллов с фотонной запрещенной зоной в видимой и ближней ИК-области спектра. Микросферы с размерами не входящими в этот интервал позволяют получать инвертированные кристаллы для ультрафиолетовой и дальней ИК-области спектра.
Мольные соотношения прекурсоров Zn(NO3)2:Si(OC2H5)4=2:1, Mg(NO3)2:Si(OC2H5)4=2:1, Ti(OC4H9)4:Ba(NO3)2=1:1, Ti(OC4H9)4:Sr(NO3)2=1:1, LiNO3:Fe(NO3)3=1:5, Ba(NO3)2:Fe(NO3)3=1:12, Mg(NO3)2:Al(NO3)3=1:2, Y(NO3)3:Al(NO3)3=3:5 выбраны из необходимости получения инвертированных фотонных кристаллов на основе материалов Mg2SiO4, Zn2SiO4, LiFe5O8, BaFe12O19, BaTiO3, SrTiO3, MgAl2O4 и Y3Al5O12, обладающих стехиометрией. Нестехиометричные материалы, указанные в заявке, характеризуются отсутствием уникальных оптических, электрических и магнитных свойств, что затруднит их практическое применение.
Время выдерживания подложки с темплатом в растворе прекурсора выбрано из необходимости полного заполнения пустот полистирольной матрицы веществами прекурсорами. При выдерживании подложки в растворе менее 24 часов, темплат пропитывается не полностью. В дальнейшем это приводит к тому, что инвертированная структура не формируется. В выдерживании подложки более 24 часов необходимость отсутствует, так как пустоты темплата уже полностью заполнены прекурсором.
Температура и время сушки темплата, заполненного прекурсором, выбрана исходя из необходимости удаления растворителя (воды). Как показали экспериментальные результаты, сушка образца при температуре 80°С в течение 5 часов приводит к наиболее интенсивному испарению остаточной воды без повреждения структурного каркаса образца.
Скорость нагрева при отжиге выбрана исходя из необходимости медленного разложения полистирола с сохранением структуры инвертированного опала.
Температура и время отжига темплата, заполненного прекурсором, выбраны на основании структурных исследований материала, составляющего каркас инвертированного кристалла. Как показали эти исследования отжиг при температуре 500°С в течение 10 часов позволяет получить фотонные кристаллы со структурой инвертированного опала на основе всех заявленных материалов.
В результате получаются фотонные кристаллы со структурой инвертированного опала, электронно-микроскопическое изображение которых показано на фиг.2. Как видно из этих изображений все инвертированные фотонные кристаллы, имеют упорядоченную микроструктуру. В поверхностном слое полученных образцов присутствуют такие дефекты как вакансии и их скопления с концентрацией порядка одного дефекта на 2 мкм2. Все инвертированные фотонные кристаллы имели фотонные запрещенные зоны в видимом и ИК-диапазоне спектра. В качестве примера на фиг.11 приведены спектры пропускания инвертированного фотонного кристалла на основе силиката магния Mg2SiO4, снятые при различных углах падения света от 0° (нижний спектр) до 67.5° (верхний спектр) с шагом 2.5°. Спектры смещены в вертикальном направлении для наглядности. Наличие смещения глубины провала в спектрах пропускания характерно для инвертированных фотонных кристаллов.
Способ получения полифункциональных фотонных кристаллов со структурой инвертированного опала с низкой концентрацией дефектов порядка одного на 2 мкм2, основанный на темплатном методе, отличающийся тем, что в качестве материалов, из которых формируется каркас фотонного кристалла, используются соединения с комбинированными оптическими, электрическими и магнитными свойствами Zn2SiO4, LiFe5O8, BaFe12O19, BaTiO3, MgAl2O4 и Y3Al5O12.
