Эксπир
Регистрация / Вход

Создание инвертированных фотонных кристаллов с управляемой корреляцией магнитных, оптических и транспортных свойств для устройств оптоэлектроники и фотоники нового поколения

Стадии проекта
Предложение принято
Конкурс завершен
Проект закончен
Продолжительность работ
2007 - 2008, 18 мес.
Бюджетные средства
9,9 млн
Внебюджетные средства
2,48 млн

Создание новых классов инвертированных фотонных кристаллов на основе полимеров, полупроводников, гибридных органо-неорганических материалов и сложных оксидов полифункционального назначения, в том числе для высокоэффективных светоизлучающих элементов, оптических сенсоров, а также быстродействующих устройств управления световыми потоками видимого, ближнего и среднего ИК диапазонов спектра

Соисполнители

Организация
ИОФ РАН

Этапы проекта

1
20.04.2007 - 30.06.2007
1. Предмет и цель работы.
Разработка универсального метода синтеза инвертированных фотонных кристаллов на основе трехмерных пространственно-упорядоченных полимеров, металлов, сложных оксидов, а также гибридных материалов, состоящих из органических матриц с металлическими или полупроводниковыми включениями. Изучение свойств полученных материалов на предмет корреляции магнитных, оптических и транспортных свойств с целью возможного использования для создания высокоэффективных светоизлучающих элементов, оптических переключателей и сенсоров для использования в оптоэлектронике.
2. Методология проведения работы.
В работе проводятся проблемно-ориентированные поисковые исследования фундаментально-прикладного характера, направленные на разработку технологических основ создания инвертированных фотонных кристаллов с управляемой корреляцией магнитных, оптических и транспортных свойств для устройств оптоэлектроники и фотоники нового поколения.
На первом этапе проводилось исследование процессов роста пленочных фотонных кристаллов в процессе самосборки коллоидных микросфер. Изучалось влияния условий роста на функциональные характеристики фотонных кристаллов (геометрические размеры образцов, положение фотонной запрещенной зоны, дефектность). В качестве основных задач этапа выступали: анализ научно-технической литературы, нормативно-технической документации и других материалов, относящихся к разрабатываемой теме, разработка методов синтеза коллоидных кристаллов на основе микросфер из полистирола и SiO2, сравнительный анализ полученных коллоидных кристаллов методами электронной микроскопии, оптической спектроскопии и лазерной дифракции. Место данного этапа исследований в НИР в целом определяется обеспечением возможностей самостоятельного синтеза субмикрокомпозитов с заданными параметрами структуры и химическим составом, а также достижением высокой степени упорядочения элементов для последующего изучения магнитных, оптических и транспортных свойств реально полученных объектов на последующих этапах проекта.
3. Результаты работы.
В процессе выполнения работ по первому этапу нами были синтезированы сферические частицы диоксида кремния со средним диаметром от 270 нм до 400 нм. Монодисперсные сферические микрочастицы на основе полистирола были синтезированы методом гетерофазной безэмульгаторной полимеризации. Размер синтезированных микросфер регулировали и устанавливали в интервале 400-600 нм. Для получения фотонных кристаллов нами использовались различные методы: естественная седиментация, конвекционное осаждение, центрифугирование, упорядочение с использованием вакуума, а также метод действия микрокапиллярных сил на подложке с искусственным рельефом. Проведена аттестация полученных микросфер и фотонных кристаллов на их основе методами электронной и оптической микроскопии.
В результате, нами были синтезированы микрочастицы SiO2 и полистирола, имеющие сферическую форму и характеризующиеся узким распределением по размерам (согласно проведенным расчетам, относительное стандартное отклонение составляло 5-8% в случае SiO2 и <5% для полистирола). Также, в работе впервые предложен способ улучшения распределения полученных микросфер – сепарация микрочастиц в поле силы тяжести. Далее, методом компьютерного моделирования показано, что в процессе осаждения сферических микрочастиц ГЦК упаковка микросфер более энергетически выгодна по сравнению с ГПУ при рассмотрении 2, 3, 4 и большего количества слоев. А при рассмотрении потенциала только одного слоя упаковки ГЦК и ГПУ решетки являются равновероятными. Установлено существенное влияние дефектов на зонный спектр фотонного кристалла. Следует особо отметить бездефектность образцов, синтезированных методом конвекционного осаждения.
В процессе аттестации синтезированных фотонных кристаллов, нами была разработана модель рассеяния света в коллоидных кристаллах. Спектры пропускания всех синтезированных в работе фотонных кристаллов демонстрировали наличие минимума пропускания в интервале 500-1500 нм. Таким образом, нами получены пространственно-упорядоченные фотонные кристаллы на основе массивов полимерных и оксидных коллоидных микросфер с контролируемыми геометрическими характеристиками, пригодными для реализации основных целей настоящего проекта. Определены потенциально наиболее успешные пути решения поставленных задач. Разработана общая методика проведения исследований.
4. Область применения результатов.
Полученные в работе фотонные кристаллы могут быть использованы как эффективные светоизлучающие элементы, оптические переключатели и сенсоры, что в перспективе должно привести к появлению полностью оптических интегральных схем и вычислительных систем. Подобные схемы и системы используются в наукоемком технологическом процессе создания компонентов микро- и наноэлектроники на Российских предприятиях, например, «СвязьТелеКом», «IBS», «НТ-МДТ» и др.
5. Выводы.
1. Оптимизирована методика получения коллоидных частиц SiO2 и полистирола заданного размера для создания фотонных кристаллов со структурой опала. Определены условия синтеза монодисперсных микросфер SiO2 в интервале размеров 270-400 нм и полистирола в интервале размеров 400-700 нм.
2. Впервые предложена методика компьютерного моделирования процесса осаждения коллоидных микрочастиц в поле силы тяжести, позволившая экспериментально получать при сепарации микросферы с относительным стандартным отклонением от среднего размера менее 5%. Показано, что при использовании данной методики процессы самосборки монодисперсных микросфер приводят к получению фотонных кристаллов с существенно улучшенными характеристиками.
3. Впервые с помощью комплекса спектроскопических, электронно-микроскопических и дифракционных методов анализа систематически проанализирована дефектная структура фотонных кристаллов в зависимости от условий их получения. В результате исследований надежно установлено существование корреляций «дефектная структура-свойства» и предложены методы получения фотонных кристаллов с пониженным содержанием дефектов. Показано, что благодаря специфическому механизму самосборки микросфер при реализации метода перемещающегося мениска 2D фотонные кристаллы обладают наиболее совершенным строением, в частности, характеризуются большим размером упорядоченных областей (до 40000 элементарных ячеек).
4. Разработанные методики привели к получению фотонных кристаллов, не уступающих по характеристикам лучшим мировым достижениям в этой области, что позволило провести детальный анализ фундаментальных оптических характеристик полученных фотонных кристаллов.
Развернуть
2
01.07.2007 - 31.12.2007
В результате выполнения работ по контракту разработаны методы синтеза инвертированных фотонных кристаллов на основе полимерных материалов: полистирол и полиметилметакрилат. Синтезированы образцы:
1. инвертированных фотонных кристаллов на основе сложных оксидов с магнитными (LiFe5O8, Fe3O4, AFe12O19, где A = Ba, Sr, Pb) и магнеторезистивными (манганит с эффектом колоссального магнетосопротивления (Ca,La)MnO3) свойствами.
2. гибридных органо-неорганических фотонных кристаллов на основе полистирола или полиметилметакрилата с полупроводниковыми включениями (квантовые точки PbS, CdS, CdSe);
3. гибридных органо-неорганических фотонных кристаллов на основе полистирола или полиметилметакрилата с магнитными включениями (наночастицы Fe3O4);
4. полистирольных фотонных кристаллов со внутренней поверхностью, модифицированной наночастицами металлов (Ag, Pb);
5. инвертированных фотонных кристаллов на основе SiO2, модифицированные растворами различных органических красителей.
Осуществлн контроль качества полученных фотонных кристаллов, включающий в себя рентгенофазовый анализ, сканирующую электронную микроскопию, оптическую спектроскопию и лазерную дифракцию. Разработаны методы нейтронного и синхротронного анализа синтезированных объектов. Исследованы корреляции структурных и оптических свойств инвертированных фотонных кристаллов. Разработана методика комплексных исследований инвертированных фотонных кристаллов. Сформулированы общие требования к синтезу инвертированных фотонных кристаллов на основе произвольных функциональных материалов. Проведены патентные исследования по ГОСТ 15.011-96. Составлен промежуточный отчет.
Развернуть
3
01.01.2008 - 30.06.2008
Изучена пространственно-модулированная люминесценция активных центров, внедренных в матрицу оптически прозрачных инвертированных фотонных кристаллов.
  Проведено численное моделирование взаимодействия фотонов с зонной структурой фотонного кристалла, которое позволило сравнить теорию с экспериментальными результатами.
  Разработаны и испытаны прототипы высокоэффективных светоизлучающих элементов с контролируемой направленностью излучения.
  
  Разработан и испытан прототип оптического затвора и сенсора механических напряжений.
  Впервые разработана и использована методика аттестации структурных и магнитных свойств прямых и инвертированных фотонных кристаллов на базе малоугловой дифракции нейтронного и ультрамалоугловой дифракции синхротронного излучений
Развернуть
4
01.07.2008 - 31.10.2008
Изучена и изложена возможность создания конкурентоспособной продукции и услуг,
  Разработаны рекомендации по использованию результатов проведенных НИР.
  Получен патент на результаты научных исследований
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
Тема
Разработка основ технологий создания фотонных кристаллов на основе инвертированных опаловых матриц с управляемой кросс-корреляцией оптических, магнитных и электрических свойств
Продолжительность работ
2005 - 2006, 23 мес.
Бюджетные средства
5 млн
Количество заявок
3
Тема
Инвертированные фотонные кристаллы
Продолжительность работ
2007 - 2008, 18 мес.
Бюджетные средства
40 млн
Количество заявок
5
Тема
Оптические материалы, активные и пассивные компоненты для терагерцового, ближнего и среднего ИК- диапазонов.
Продолжительность работ
2008, 3 мес.
Бюджетные средства
1,2 млн
Количество заявок
2
Тема
Оптические химические сенсоры на основе наночастиц, нановолноводов и фотонных структур.
Продолжительность работ
2009 - 2011, 30 мес.
Бюджетные средства
75 млн
Количество заявок
6
Тема
Разработка технологий получения кристаллов сульфата никеля и его производных, а также кристаллов неорганических фторидов для зонных фильтров УФ-диапазона.
Продолжительность работ
2005 - 2006, 23 мес.
Бюджетные средства
9 млн
Количество заявок
0