ИСТИНА

Основная цель планируемых исследований состоит в выяснении физических механизмов, ответственных за специфику оптического отклика сверхтонких пленок с учетом их неоднородности, обусловленной шероховатостью, и особенностей строения композиционных наноструктур. Решение указанной задачи позволит определить условия резонансного отклика пленок, предсказанного ранее для идеальных структур, и является базой для развития методов высокоселективного управления оптическими свойствами ультратонких пленок. Это позволит предложить новые методы управления светом на основе композиционных наноструктур в широком спектральном диапазоне от ВУФ до ТГц длин волн. В рамках проекта будут разработаны алгоритмы и компьютерные программы полуаналитического и численного расчета линейного оптического отклика тонких пленок металлов, оксидов, полупроводниковых соединений с учетом шероховатости подложки, а также композитных пленок диэлектрик/металл и полупроводник/металл, а также проведены соответствующие расчеты. Будут отобраны и выращены тонкие диэлектрические, полупроводниковые и металлические кристаллические пленки методами термического и магнетронного распыления, твердофазной и молекулярно-лучевой эпитаксии, термохимической нитридизации. Также будут сформированы упорядоченные наноструктуры с параметрами, определенными на основании численных расчетов, методами самоорганизации на наноструктурированных подложках и механической нанолитографии, и кроме этого - композитные пленки диэлектрик/металл и полупроводник/металл. В ходе работы будет проведен комплексный анализ поверхности подложки и строения растущей пленки и композитной наноструктуры на всех этапах подготовки образцов с использованием методов зондовой и электронной микроскопии, рентгеновского рассеяния и дифракции электронов. Для проверки и подтверждения результатов компьютерного моделирования будут проведены многоугловые спектральные эллипсометрические исследования выращенных пленок и сформированных наноструктур, среди которых будут отобраны наиболее подходящие в качестве элементов для перестраиваемых источников излучения, и устройств управления и/или детектирования оптических сигналов. На завершающем этапе выполнения проекта будут выработаны рекомендации по синтезу композиционных наноструктур для задач управления и детектирования оптических сигналов.

Composite metal-semiconductor-oxide nanostructures on the ultra-smooth crystalline surface

Будут разработаны алгоритмы полуаналитического и численного расчета линейного оптического отклика тонких пленок металлов (Au, Ag, Cr, Cu, Ti, Fe…), оксидов (TiO2, Al2O3, Fe2O3, ZnO, CuO, V2O5…), полупроводниковых соединений (CdTe, AlN, SiC, …) с учетом шероховатости. Будут разработаны алгоритмы полуаналитического и численного расчета линейного оптического отклика композитных пленок диэлектрик/металл и полупроводник/металл.

Для теоретического исследования линейных свойств тонких пленок будут использованы метод решения точных векторных уравнений Максвелла на основе рекуррентных соотношений, а также метод на основе теории функционала плотности. Среди развитых группой методов расчета взаимодействия электромагнитного излучения с веществом укажем следующие. - Метод решения точных векторных уравнений Максвелла на основе рекуррентных соотношений, развитый первоначально для описания линейных явлений, в дальнейшем он был обобщен для решения таких нелинейных задач, как генерация суммарных и разностных частот. - Модальный метод позволяет решить задачу дифракции на основе разложения поля в ряд по собственным функциям периодической решетки. - Метод связанных волн (RCWA), основанный на преобразовании Фурье и позволяющий ускорить вычисления при наличии достаточного количества оперативной памяти. Все перечисленные методы допускают распараллеливание вычислений. - Нестационарный метод функционала плотности, который представляет собой самосогласованную теорию линейного электромагнитного отклика металлических пленок малой — вплоть до единиц атомов — толщины. Метод оригинальный и находится на мировом уровне. Для каждого из развитых методов написаны реализующие их компьютерные программы, и с их помощью проведен ряд численных исследований.

Проведен расчет оптических спектров отражения и пропускания для моделей сплошной пленки золота нанометровой толщины на сапфире и периодической наноструктуры золота на сапфире. Выявлены плазмонные резонансы этих структур. Полученные результаты находятся в хорошем соответствии с данными эксперимента. Для повышения точности предсказания оптических свойств тонких пленок и нанорешеток был развит подход на основе нестационарной теории функционала плотности. Проведено моделирование эффективного потенциала и волновых функций электронной плотности тонких – толщиной порядка 1 нм – металлических пленок. Расчет оптических спектров отражения и пропускания проводился для двух моделей: сплошная пленка золота на сапфире толщиной 2 нм и периодическая наноструктура золота на сапфире (период наноструктуры =0.5 мкм, расстояние между полосками золота s=0.25 мкм.) Численное моделирование показывает, что при падении s-поляризованной первичной волны на сплошную пленку спектральные особенности отсутствуют. В случае p-поляризации присутствует минимум в сумме энергетических коэффициентов отражения и пропускания примерно на длине волны 0.68 мкм. Для модели периодической золотой поверхностной решетки толщиной d =3 нм, расположенной на подложке из сапфира (период нанорешетки при ?=0.23 мкм, расстояние между полосками золота s=0.194 мкм, Первичная волна p-поляризована, угол падения =70°, схема дифракции компланарная) в сумме энергетических коэффициентов отражения и пропускания решетки имеется локальный минимум на длине волны =0.565 нм. Поэтому в спектре поглощения на этой длине волны имеет место локальный максимум. Этот локальный экстремум соответствует максимуму «коэффициента поглощения». Последний наблюдается в эксперименте на длине волны ~0.53 нм. Как и в предыдущем случае, экспериментально измеренное положение максимума сдвинуто в высокочастотную область по сравнению с его спектральным положением, полученным путем численного моделирования. Это отличие также можно объяснить влиянием нелокальности отклика тонкой пленки. Модельные расчеты для золотой нанорешетки с параметрами (0.2 мкм, d =3 нм, величина зазора между золотыми полосками меняется от s= 100 нм до s= 160 нм) показали, что следует ожидать глубокого плазмонного резонанса в ИК области и с уменьшением зазора между полосками резонанс должен смешаться в длинноволновую область. Следует отметить, что близость толщины золотых наноструктур на сапфире к масштабу пространственной нелокальности не вносит значительного возмущения в спектральное положение плазмонного резонанса нанорешетки. Относительное отличие рассчитанного и экспериментально измеренного значений резонансной длины волны не превышает 7%. Для повышения точности предсказания оптических свойств тонких пленок и нанорешеток мы с необходимостью перешли к квантово-механическим моделям, в частности, к методам нестационарной теории функционала плотности. Проведено моделирование эффективного потенциала и волновых функций электронной плотности тонких – толщиной порядка 1 нм – металлических пленок. Полученные волновые функции в дальнейшем будут использованы в качестве первого приближения в теории возмущений для моделирования оптического отклика.