Фундаментальное материаловедение

Спектроскопическое исследование металлических фотонных кристаллов 1
Слесарев А.С. 2
студент
Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, Москва, Россия
E-mail: slesarew@gmail.com
Металлические фотонные кристаллы (ФК), то есть периодические металлические
структуры, представляют в настоящее время большой интерес для исследователей.
Согласно теоретическим расчетам, для металлических ФК возможно существование
полной фотонной запрещенной зоны для видимого диапазона, что практически
недостижимо для ФК на основе диэлектриков. К настоящему моменту экспериментально
продемонстрировано, что металлические ФК могут иметь полную фотонную
запрещенную зону в миллиметровом, микроволновом и инфракрасном диапазонах
спектра, а также перспективны для создания высокоэффективных ламп накаливания,
повышенный коэффициент полезного действия которых достигается посредством
подавления инфракрасного излучения, волноводов, узкополосных инфракрасных
излучателей и др. Металлические ФК с субмикронной периодичностью структуры могут
быть относительно легко синтезированы с использованием синтетических опалов в
качестве темплатов. Электроосаждение различных металлов в поры опалов из
сферических частиц на основе SiO2 или полистирола с последующим удалением
микросфер позволяет получать металлические т.н. инвертированные опалы на основе
Au, Ag, W, Pt, Pd, Co, Ni и Zn. Однако, оптические свойства металлических ФК в
видимом диапазоне до сих пор не исследовались. В связи с этим, целью данной работы
было детальное спектроскопическое исследование ФК со структурой инвертированного
опала на основе металлического никеля.
Образцы инвертированных опалов были синтезированы путем электроосаждения никеля
в поры коллоидного кристалла на основе монодисперсных полистирольных микросфер
диаметром 450 нм с последующим удалением микросфер. Полученные образцы были
изучены методами электронной и атомно-силовой микроскопии. Важно отметить, что
образцы характеризовались яркой иризацией – необычной игрой света, свойственной
ФК, природу которой мы планировали выяснить в результате спектроскопических
исследований. Спектры отражения, полученные в брэгговской геометрии, не
демонстрировали ярко выраженных максимумов и соответствовали спектру отражения
неструктурированного металлического никелевого зеркала. Искомые дифракционные
максимумы были получены на спектрах отражения, снятых в «небрэгговской»
геометрии, что нехарактерно для большинства ФК, описанных в литературе. Положение
дифракционных максимумов λ описывалось уравнением
λ = d (sinα + sin β )
(1),
где d – межплоскостное расстояние в инвертированном опале, а α и β – углы между
нормалью к поверхности образца и направлениями входящего и дифрагированного
лучей, соответственно. Отметим, что ур. (1) описывает дифракцию света на верхнем
слое ФК как на двумерной дифракционной решетке. Полученный результат согласуется
с выводами недавней работы [1], согласно которым взаимодействие излучения с
металлическим ФК происходит только в тонком поверхностном слое.
[1] X. Yu, Y. Lee, R. Furstenberg et al. Advanced Materials 19 (2007) 1689-1692.
1 Работа была выполнена при частичной финансовой поддержке РФФИ (№ 08-03-00938) и ФЦНТП.
2 Автор выражает благодарность О.А. Акципетрову (Физический факультет МГУ) за предоставленный
доступ к оптическому оборудованию, а также А.С. Синицкому и С.О. Климонскому за ценные замечания
при обсуждении работы.