1.2. Синтез и свойства фотонных кристаллов

Возникновение запрещенных зон, которым уделялось основное внимание в предыдущих разделах, позволяет управлять плотностью фотонных состояний путем конструирования фотонных кристаллов с наперед заданными свойствами. Как будет показано ниже, это чрезвычайно расширяет возможности синтеза различных оптических сред.

1.2.1. Фотонные кристаллы в природе

Периодические структуры с выраженной интерференционной окраской часто встречаются в живой природе [62, 63]. Структурами с одномерной периодичностью являются, например, покрытия на крыльях некоторых бабочек, хвостовых перьях павлина, панцирях некоторых жуков. Роль интерференции в окраске перьев павлинов отмечал еще Исаак Ньютон в 1730 г. Структуры с двумерной периодичностью присутствуют в строении глаз насекомых (например, моли), а также человека и других млекопитающих, в строении некоторых видов водорослей [64]. Двумерная периодичность присуща натуральным жемчужинам, состоящим из слоистой упаковки цилиндрических элементов.

Функциональность строения живых организмов, сформировавшихся под влиянием естественного отбора, приводит к мысли о целевом использовании оптических свойств периодических структур в живой природе. Во многих случаях такая целесообразность не вызывает сомнений. Регулярная пористая структура глаз насекомых (рис. 1.15) и роговицы глаз млекопитающих является эффективным антиотражающим интерфейсом, обеспечивающим прохождение света без френелевского отражения с одновременной возможностью физико-химического обмена с окружающей средой для внутренних тканей глаза [63, 65]. Недавно высказано предположение, что периодическая структура диатомовых водорослей способствует более эффективному светосбору, повышая таким образом продуктивность фотосинтеза [66]. Целесообразность

интерференционной окраски не получила однозначного толкования. Можно предположить, что предпочтение интерференции по сравнению с абсорбционным механизмом цветообразования у живых организмов связано с тем, что интерференционная окраска не требует поглощения и диссипации световой энергии, а значит, не сопровождается нагревом и фотохимическим разрушением пигментного покрытия.

Рис. 1.15. Наружная поверхность глаза бабочки Vanessa kershawi [63]. Длина метки равна 2 мкм.

В природе существуют трехмерные периодические структуры в виде коллоидных кристаллов[67]. Они впервые были обнаружены при исследовании вирусов[68]. Полудрагоценный минерал опал представляет собой коллоидный кристалл, состоящий из монодисперсных сферических глобул оксида кремния [69]. Именно интерференцией света в трехмерной периодической структуре определяется их искрящийся цвет, зависящий от угла падения и наблюдения.

1.2.2. Одномерные периодические структуры

Наиболее простой и распространенный способ получения одномерных периодических структур – это вакуумное послойное напыление поликристалических диэлектрических или полупроводниковых пленок [16]. Этот метод получил большое распространение в связи с использованием периодических структур при производстве лазерных зеркал и интерференционных фильтров. В таких структурах при использовании материалов с показателями преломления, различающимися примерно в 2 раза (например, ZnSe и Na3AlF6 (см. табл. 1)) возможно создание полос отражения (так называемых фотонных запрещенных зон) шириной до 300 нм, перекрывающих практически всю видимую область спектра.

Достижения в области синтеза полупроводниковых гетероструктур в последние десятилетия позволяют создавать полностью монокристаллические структуры с периодическим изменением показателя преломления

24 С.В. Гапоненко

вдоль направления роста, используя методы молекулярно-пучковой эпитаксии (molecular beam epitaxy, MBE) или осаждение из газовой фазы с использованием металлорганических соединений (metal-organic chemical vapour deposition, MOCVD). В настоящее время такие структуры входят в состав полупроводниковых лазеров с вертикальными резонаторами (vertical cavity semiconductor lasers, VECSEL) [70]. Максимальное достижимое в настоящее время отношение показателей преломления материалов, по-видимому, соответствует паре GaAs/Al2O3 и составляет около 2. Следует отметить высокое совершенство кристаллической структуры таких зеркал и точность толщины слоев на уровне одного периода решетки (около 0.5 нм).

В последнее время продемонстрирована возможность создания периодических одномерных полупроводниковых структур с использованием фотолитографической маски и селективного травления. При травлении кремния возможно создание структур с периодом порядка 1 мкм и более, при этом отношение показателей преломления кремния и водуха составляет в ближней инфракрасной области 3.4 – беспрецедентно большое значение, недостижимое другими методами синтеза [71]. Пример подобной структуры, полученной в Физико-техническом институте им. А.Ф. Иоффе РАН, показан на рис. 1.16.

Рис. 1.16. Периодическая структура кремний–воздух, полученная методом анизотропного травления с использованием фотолитографической маски [71]. Период структуры 8 мкм.

Хотя оптические свойства слоистых периодических сред изучаются достаточно давно, развитие концепции фотонных кристаллов стимулировало новые интересные исследования. Три группы исследователей независимо предсказали возможность всенаправленного отражения света от слоистой периодической среды, вплоть до скользящего падения [72–74]. Оно возможно при значительном превышении показателей преломления слоев относительно внешней среды и отношении показателей преломления внутри структуры, равном или превышающем 2 (рис. 1.17). Для TE- и TMмод при использовании 19-слойной структуры Na3AlF6/ZnSe получено отражение около 90% в диапазоне углов ±70o.

При интенсивном резонансном оптическом возбуждении периодических полупроводниковых гетероструктур импульсным лазерным излучением высокая концентрация электронов и дырок приводит к изменению показателя

T, отн. ед.

Рис. 1.17. Рассчитанные (слева) и измеренные (справа) спектры пропускания 19слойной периодической структуры, состоящей из Na3AlF6/ZnSe, для различных поляризаций и углов падения [73]. Спектры пропускания комплементарны по отношению к спектрам отражения, т.е. пропускание, близкое к 1, соответствует нулевому отражению, а пропускание, близкое к 0, соответствует коэффициенту отражения около 1.

преломления (см., например, [10]) и, соответственно, к динамической перестройке спектров отражения и пропускания. Недавно была продемонстрирована динамическая перестройка спектра отражения в широком диапазоне длин волн для брэгговских отражателей на основе гетероструктур ZnSe/ZnS при резонансной накачке пико- и фемтосекундными импульсами в область межзонного поглощения подрешетки ZnSe (рис. 1.18) [75]. Время релаксации составляет всего 3 пс и, по-видимому, определяется процессом установления квазиравновесного распределения по энергиям неравновесных электронов и дырок.

1.2.3. Двумерные периодические структуры

Двумерные периодические структуры можно изготавливать, используя селективное травление полупроводников, металлов и диэлектриков. Технология селективного травления отработана для кремния и алюминия в связи с широким использованием этих материалов в микроэлектронике. Пористый кремний сегодня рассматривается как перспективный оптический материал, который позволит создавать интегрированные оптоэлектронные системы высокой степени интеграции [76, 77]. Сочетание высоких кремниевых технологий с квантовыми размерными эффектами и принципами формирования фотон-

26 С.В. Гапоненко

Рис. 1.18. Спектр отражения 30-слойной периодической монокристаллической структуры ZnS/ZnSe (а) и его изменение при резонансном возбуждении ультракороткими (150 фс) импульсами лазерного излучения в область собственного поглощения подрешетки ZnSe (390 нм) (б) [75].

ных запрещенных зон привело к развитию нового направления – кремниевой фотоники. Использование субмикронной литографии для формирования масок позволяет создавать кремниевые структуры с периодом 300 нм и менее [78]. Из-за сильного поглощения излучения видимого диапазона кремниевые фотонные кристаллы могут использоваться только в ближней и средней инфракрасных областях спектра. Сочетание травления и окисления, в принципе, позволяет перейти к периодическим структурам оксид кремния–воздух, но при этом невысокое отношение показателей преломления, составляющее 1.45, не позволяет сформировать полноценной запрещенной зоны в двух измерениях.

Перспективными представляются двумерные периодические структуры из соединений A3B5, получаемые также методом селективного травления с использованием литографических масок или шаблонов [79]. Соединения A3B5 являются основными материалами современной оптоэлектроники. Соединения InP, GaAs имеют большее по сравнению с кремнием значение ширины электронной запрещенной зоны (табл. 1.1) и столь же высоким, как и кремний, значением показателя преломления (n =3.55 и n =3.6). Весьма интересными представляются периодические структуры на основе оксида алюминия [80]. Они получаются электрохимическим травлением металлического алюминия. С использованием электронно-литографических шаблонов получены совершенные двумерные периодические структуры, напоминающие пчелиные соты с диаметром пор менее 100 нм (рис. 1.19) [81, 82]. Интересно от-

Рис. 1.19. Структура с двумерной периодичностью из оксида алюминия, полученная с использованием литографического шаблона [81].

Рис. 1.20. Пористый оксид алюминия с регулярными порами, полученный без использования масок или шаблонов при травлении [83]. Диаметр пор менее 50 нм. Нерегулярность пор обусловлена зернистой структурой исходной поликристаллической пленки алюминия.

метить, что селективное травление алюминия при определенном сочетании условий травления позволяет получать регулярные структуры даже без использования каких-либо масок или шаблонов (рис. 1.20)[83]. Диаметр пор при этом может составлять всего несколько нанометров, что недостижимо для современных литографических методов. Периодичность пор связана с саморегуляцией процесса окисления алюминия при электрохимической реакции. Исходный проводящий материал (алюминий) в ходе реакции окисляется до Al2O3. Пленка оксида алюминия, являющаяся диэлектриком, уменьшает ток и тормозит реакцию. Сочетание этих процессов позволяет достичь режима самоподдерживающейся реакции, в которой непрерывное травление становится возможным благодаря прохождению тока сквозь поры, а продукт реакции образует регулярную сотовую структуру.

Исследование оптических свойств нанопористого оксида алюминия показало необычайно высокую прозрачность этого материала вдоль направления пор. Отсутствие френелевского отражения, неизбежно существующего на границе раздела двух сплошных сред, приводит к значениям коэффициента