Эксπир
Регистрация / Вход

Исследование способов управления оптическими и диэлектрическими свойствами фотоннокристаллических материалов с наноразмерными дефектами

Стадии проекта
Предложение принято
Конкурс завершен
Проект закончен
Проект
02.513.11.3074
Организация
ИФ СО РАН
Руководитель работ
Шабанов Василий Филиппович
Продолжительность работ
2007, 7 мес.
Бюджетные средства
1,9 млн
Внебюджетные средства
1 млн

Работы должны проводиться в рамках критической технологии «Нанотехнологии и наноматериалы» Работы должны соответствовать по предполагаемому исполнению лучшим мировым стандартам. Создаваемый научно-технический задел должен обеспечивать в будущем проведение опытно-конструкторских и технологических работ на конкурентном уровне. Результаты работ должны способствовать дальнейшему инновационному развитию российских технологий в данном приоритетном направлении Программы.

Этапы проекта

1
22.03.2007 - 10.07.2007
Экспериментально исследованы спектры пропускания одномерного фотонного кристалла, образованного двумя многослойными диэлектрическими зеркалами и планарно-ориентированным слоем нематического жидкого кристалла между ними в качестве дефекта структуры. Изучены особенности поведения спектра дефектных мод при изменении угла падения света на кристалл для двух поляризаций – параллельной и перпендикулярной направлению директора жидкого кристалла, при этом директор был ориентирован как в плоскости падения, так и перпендикулярно ей. Показано, что для рассматриваемых вариантов положения максимумов дефектных мод смещаются в коротковолновую область при увеличении угла падения зондирующего излучения, причем эта тенденция проявляется более сильно для параллельно поляризованной компоненты, когда директор ориентирован в плоскости падения. В последнем случае также происходит заметное уменьшение ширины фотонной запрещенной зоны. Исследованы температурные зависимости поляризованных компонент спектра пропускания ФК для нормального падения света. Продемонстрирован спектральный сдвиг дефектных мод на 10-20 нм за счет изменения показателя преломления жидкого кристалла при нагреве до изотропной фазы. Показано, что в реальных фотонных кристаллах амплитуда дефектных мод уменьшается по мере приближения к центру запрещенной зоны, а также при увеличении числа слоев в диэлектрических зеркалах. Теоретические зависимости спектров пропускания исследуемых фотонных кристаллов, рассчитанные на основе метода рекуррентных соотношений с учетом затухания дефектных мод, хорошо согласуются c экспериментальными данными.
Разработан численный метод расчета конфигурации директора в эллипсоидальных каплях нематических и холестерических жидких кристаллах с сильным поверхностным сцеплением при воздействии однородного магнитного поля произвольной ориентации. Получено соотношение для определения величины порога Фредерикса, соответствующего началу переориентации центральной области нематической капли при ортогональном расположении вектора поля и биполярной оси. Рассмотрено влияние нарушения условия ортогональности на пороговый характер ориентационного процесса. Магнитооптическим методом исследована переориентация ансамбля биполярных капель нематического ЖК 5ЦБ, капсулированных в поливинилбутиральной пленке. Проведен сравнительный анализ расчетных данных и измеренных значений порогового поля.
Методом трансфер-матрицы, модифицированным для описания нелинейных эффектов, исследовано влияние керровской нелинейности на прохождение лазерного излучения в одномерном фотонном кристалле. Рассматриваемый кристалл представляет собой тонкопленочную многослойную среду с таким пространственным распределением показателя преломления, которое позволяет устранить в спектре пропускания боковые полосы с каждой стороны фотонной запрещенное зоны и в значительной степени усилить крутизну кривой пропускания. Особенности на краях фотонной зоны наиболее ярко проявились при исследовании анизотропии пропускания мощного лазерного излучения в слоистой среде. Показано, что фотонный кристалл обладает сильным анизотропным оптическим пропусканием, аналогичным пропусканию электронного диода.
Исследована нелинейная дифракция в несегнетоэлектрическом кристалле тетрабората стронция (SBO) на частоте второй и третьей гармоник Nd:YAG лазера. Это свидетельствует о существовании частично упорядоченной структуры, состоящей из чередующихся противоположно ориентированных доменов. Форма и ориентация доменов аналогичны таковым в кристалле KTP, принадлежащем к тому же классу симметрии mm2. Толщина доменов имеет случайное распределение; пространственный Фурье-спектр нелинейной восприимчивости лежит в диапазоне от /6 до /0.2 мкм-1. Полученные результаты показывают, что в кристалле SBO имеется тенденция к образованию доменов. Эти домены, однако, не являются столь легко управляемыми, как в KTP.
Показана возможность модификации спектральных свойств ФК, используя резонансные среды в качестве дефектного слоя. Наличие резонансных включений в дефектный слой приводит к расщеплению дефектной моды. Форма расщепленных линий зависит от расстройки между резонансными частотами атомов и дефектной моды, а также от угла падения света на ФК. Аналогичные эффекты можно наблюдать и в двумерных ФК. В качестве прототипа таких систем можно предложить полые фотонно-кристаллические волноводы, технология получения которых уже хорошо отработана, в том числе и для света видимого диапазона. Такие структуры ведут себя как ФК, когда свет распространяется в поперечном направлении.
Показано, что наиболее важной и универсальной характеристикой фрактальных агрегатов металлических наночастиц с плазмонным поглощением, лежащей в основе их уникальных электродинамических свойств, является локальная анизотропия окружения частиц в таких агрегатах. Отмечается, что именно эта морфологическая особенность, а не фрактальное распределение частиц в агрегатах как таковое играет доминирующую роль в проявлении эффектов усиления локального поля. При этом фрактальные агрегаты обладают способностью усиливать локальные электромагнитные поля лишь по причине присущей им локальной анизотропии; макроскопические характеристики агрегатов не оказывают заметного влияния на их электродинамические взаимодействия с внешним полем. Введена количественная характеристика локальной анизотропии. Установлена статистическая взаимосвязь между фактором локальной анизотропии и фрактальной размерностью агрегатов в диапазоне . Обнаружена независимость локальной анизотропии от фрактальной размерности в широком диапазоне значений , за исключением диапазона , соответствующего агрегатам с плотной упаковкой частиц, в котором фактор локальной анизотропии стремится к нулю. Обнаружена сильная корреляция в пространственном расположении в агрегатах частиц с максимальным значением локальной анизотропии окружения и напряженности локального электромагнитного поля на примере наноагрегатов серебра для видимого диапазона спектра; обнаружена поляризационная зависимость этой корреляции. Обращается внимание на возможность использования характеристик локальной анизотропии для разработки оптических методов определения степени дефектности коллоидных кристаллов.
Развернуть
2
11.07.2007 - 31.10.2007
2. Работы, выполненные на отчетном этапе:
Проведен комплекс теоретических и экспериментальных исследований по изучению особенностей распространения электромагнитных волн в одномерных и двумерных микрополосковых фотонных кристаллах. Разработаны рекомендации по использованию результатов НИР.
3. Результаты:
Показано, что структура, состоящая из диэлектрических слоев с резкими границами, может служить одновременно фильтром нижних частот, полосно-пропускающим фильтром и полосно-отражающим зеркалом. Наилучшими селективными свойствами обладает фильтр, построенный на двухподрешеточном одномерном фотонном кристалле, так как в этом случае у него наибольшая относительная ширина фотонных запрещенных зон справа и слева от полосы пропускания. Доказано, что для создания полосно-пропускающего фильтра на двумерном фотонном кристалле необходимо, чтобы в нем взаимодействие между резонаторами в сквозных цепочках было существенно выше, чем между резонаторами различных цепочек. Только в этом случае можно достичь высоких характеристик частотно-селективного устройства. Показана возможность создания перестраиваемого фильтра с хорошими характеристиками на дифракционных резонансах двумерного фотонного кристалла.
При использовании результатов НИР для достижения предельно высоких характеристик любого из вышеперечисленных устройств необходимо руководствоваться следующими рекомендациями. Во-первых, нужно обеспечить скачок волновых сопротивлений наружных слоев ФК с волновыми сопротивлениями входа и выхода, которым определяется заданная полоса пропускания (заграждения) устройства. Во-вторых, подбором диэлектрических проницаемостей слоев установить баланс связей между слоями-резонаторами, который также должен соответствовать заданной полосе пропускания (заграждения). И, наконец, в-третьих, подбором электрических длин слоев добиться совпадения их собственных частот с центральной частотой первой полосы пропускания.
Развернуть

Программа

Программа "Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годы"

Программное мероприятие

1.3 Проведение проблемно-ориентированных поисковых исследований и создание научно-технического задела в области индустрии наносистем
Продолжительность работ
2007, 7 мес.
Бюджетные средства
2 млн
Организация
ИНХ СО РАН
профинансировано
Тема
Работы по проведению проблемно-ориентированных поисковых исследований и созданию научно-технического задела в области индустрии наносистем и материалов по критической технологии «Нанотехнологии и наноматериалы» (мероприятие1.3 Программы)
Продолжительность работ
2007, 7 мес.
Бюджетные средства
92 млн
Количество заявок
241
Тема
Работы по проведению проблемно-ориентированных поисковых исследований и созданию научно-технического задела в области индустрии наносистем и материалов по критической технологии «Нанотехнологии и наноматериалы» (мероприятие 1.3 Программы)
Продолжительность работ
2007 - 2008, 11 мес.
Бюджетные средства
16 млн
Количество заявок
72
Тема
Работы по проведению проблемно-ориентированных поисковых исследований и созданию научно-технического задела в области живых систем
Продолжительность работ
2007, 8 мес.
Бюджетные средства
72 млн
Количество заявок
48
Тема
Работы по проведению проблемно-ориентированных поисковых исследований и созданию научно-технического задела в области живых систем по критической технологии «Биомедицинские и ветеринарные технологии жизнеобеспечения и защиты человека и животных»
Продолжительность работ
2007, 8 мес.
Бюджетные средства
72 млн
Количество заявок
136
Тема
Работы по проведению проблемно-ориентированных поисковых исследований и созданию научно-технического задела в области живых систем по критической технологии «Геномные и посттеномные технологии создания лекарственных средств» (мероприятие 1.2 Программы)
Продолжительность работ
2007, 8 мес.
Бюджетные средства
72 млн
Количество заявок
43