| 1 |
2 августа 2022 г.-30 июня 2023 г. |
Совершенствование функциональных характеристик трехмерных фотонных кристаллов на основе анодного оксида алюминия |
| Результаты этапа: В ходе четвертого года реализации проекта получены следующие результаты:
1. Показана возможность управления оптическими свойствами трехмерных фотонных кристаллов на основе анодного оксида алюминия (3D ФК АОА) путем химического травления в растворе кислоты, которое приводит к увеличению диаметра пор. Принимая во внимание модуляцию диаметра пор по толщине 3D ФК АОА и линейное увеличение диаметра пор, указанное травление приводит к увеличению разницы между диэлектрической проницаемостью соседнимх слоев. Как следствие, наблюдается кратное увеличение ширины фотонных запрещенных зон (ФЗЗ), а также уменьшение коэффициента пропускания в пределах ФЗЗ вплоть до нулевого пропускания. Также имеет место спектральный сдвиг ФЗЗ в коротковолновую область из-за уменьшения эффективного показателя преломления ФК, что приводит к перекрыванию ФЗЗ различных порядков.
2. Предложена методика формирования 3D ФК АОА путем анодирования алюминия в 3 М H3PO3 при 20 °С и периодическом изменении напряжения в диапазоне 95÷125 В. Полученный материал характеризуется гексагонлаьной упаковкой каналов и латеральным периодом структуры 284 нм на площади ~ 80×120 мкм2. Последовательное сокращением периода модуляции напряжения в процессе анодирования позволило добиться сходной длины оптического пути для верхних и нижних слоев АОА и уменьшить спектральную ширину ФЗЗ до 40 нм. Частотно-угловые зависимости пропускания демонстрируют широкие ФЗЗ различных порядков, что может быть связано как с неоднородностью структуры по толщине из-за высокой температуры электролита, так с дефектностью структуры в плоскости из-за анодирования в условиях, которые не приводят к самопроизвольному упорядочению АОА в гексагональный массив.
3. Анодированием алюминия в 1 М H3PO3 при температуре 5 °С и периодическом изменении напряжения в диапазоне 130÷170 В получен 3D ФК АОА с двумерным дефектом в структуре в виде сдвига модуляции пористости по толщине на полпериода на середине толщины. Частотно-угловые зависимости пропускания полученной структуры демонстрируют наличие микрорезонаторной моды (максимум отражения в области минимума пропускания) лишь для области АОА с одномерной периодичностью. В области с 3D периодичностью указанной особенности не наблюдается, что может быть связано с меньшей добротностью ФЗЗ в данной области по сравнению с 1D структурой, а также с отклонением толщин слоев 3D ФК АОА от заданных при анодировании.
4. Рекристаллизационный отжиг титановой фольги толщиной 200 мкм и чистотой 99,6% при 850 °С в течение 84 часов в атмосфере аргона приводит к увеличению среднего размера зерен более чем на порядок по сравнению с исходной фольгой до 138 мкм и формированию выраженной текстуры в направлении 001. Шероховатость поверхности титана после рекристаллизационного отжига и электрохимической полировки составляет 3,8 нм.
5. Структурирование поверхности титана с помощью фокусированного ионного пучка (ФИП) в виде гексагонального массива зародышей пор с глубиной ~ 10 нм возможно без промежуточной стадии формирования жертвенного барьерного слоя анодного оксида титана (АОТ). Анодирование структурированной титановой фольги в электролите на основе этиленгликоля (0,9 M NH4F, 0,09 M CH3COONH4 и 1,2 M H2O) при 60 В и 30 °С приводит к формированию на поверхности металла пористой оксидной пленки с латеральным периодом 125 нм и структурой 2D ФК. Доля пор в гексагональном окружении для сформированного 2D ФК АОТ превышает 97% на площади 93×70 мкм2.
Результаты реализации проекта опубликованы в двух статьях в международных научных изданиях, входящих в Q1: https://doi.org/10.1088/1361-6528/ac8e75 и https://doi.org/10.1364/OL.486279. |
| 2 |
1 июля 2023 г.-30 июня 2024 г. |
Трехмерные фотонные кристаллы на основе анодного оксида титана |
| Результаты этапа: 1. Частотно-угловые зависимости пропускания 3D ФК АОА с двумерным дефектом в структуре (рис. 2), полученным в процессе анодирования путем сдвига фазы модуляции U(Q) на различную величину, демонстрируют резонансный максимум внутри минимума пропускания для образцов со сдвигом фазы на 7/4π и 6/4π (рис. 3, 4).
2. Апробирована методика контролируемого внедрения одномерного дефекта в структуру 3D ФК АОА путем локального удаления сплошного барьерного слоя на нижней поверхности пористой пленки с помощью ФИП (30 кВ, 50 пА, 55°, время экспонирования 12 с/мкм2) с последующим химическим травлением (5 масс. % H3PO4, 60°C, 7 мин). Получаемый одномерный дефект в структуре 3D ФК АОА хорошо визуализируется с помощью РЭМ и оптической микроскопии (рис. 6), что может быть связано с локальным уменьшением neff за счет увеличения диаметра каналов при химическом травлении.
3. Апробирована методика контролируемого внедрения одномерного дефекта в структуру 3D ФК АОА путем локального увеличения глубины зародышей пор на стадии ФИП структурирования. В указанной области наблюдается локальное нарушения упаковки каналов в плоскости (рис. 7), что приводит к появлению дополнительного длинноволнового минимума в спектре пропускания в диапазоне длин волн от 900 до 1100 нм (рис. 9). Вероятно, в области дефекта имеет место больший период структуры вдоль направления роста пор (Dz), который вызван более быстрой кинетикой зарождения пор при анодировании из-за большей глубины индуцированных зародышей.
4. Исследование 3D ФК АОА (Dxy = 400 нм, Dz = 370 нм) методом малоугловой рентгеновской дифракции (МУРД) синхротронного излучения при нормальном падении рентгеновского излучения на поверхность пористой пленки позволяет получить точечные двумерные дифракционные картины с отчетливо различимыми дифракционными рефлексами вплоть десятого порядка (рис. 10). Мозаичность двумерного массива, оцененная путем аппроксимации ширины дифракционных максимумов в азимутальном направлении, составляет 5,4°, что двукратно превышает аналогичную величину по данным статистической обработки РЭМ изображений.
5. Увеличение периода структуры в плоскости для пористых пленок анодного оксида титана до 240 нм достигнуто путем увеличения количества воды в используемом электролите на основе этиленгликоля до следующего состава: 0,09 M NH4F, 0,09 M CH3COONH4 и 6 M H2O, а также увеличением напряжения анодирования до 80 В (табл. 1).
6. Оптимальным подходом к формированию 1D ФК АОТ с периодом структуры в плоскости 240 нм с использованием вышеуказанного электролита является синусоидальное изменение напряжения анодирования в зависимости от прошедшего заряда в диапазоне 70-90 В (рис. 13).
7. Предложена методики получения 3D ФК АОТ путем анодного окисления ФИП структурированной титановой фольги при температуре 30 °С в электролите на основе этиленгликоля состава 0,09 M NH4F, 0,09 M CH3COONH4 и 6 M H2O с использованием синусоидального профиля изменения напряжения в диапазоне 7090 В и плотности заряда на цикл 0,333 Кл/см2 (рис. 15). Полученный материал демонстрирует наличие ФЗЗ первого порядка в оптическом спектре при длине волны 710 нм при нормальном падении излучения (рис. 16). Визуализация ФЗЗ высоких порядков в оптическом спектре затруднена из-за существенного поглощения АОТ при длинах волн менее 550 нм. |
