Фотоника и оптоинформатика

Зачем нужен космический лифт? Для улучшения качества жизни и удешевления космических полетов. В настоящее время стоимость доставки 1 кг полезного груза на низкую околоземную орбиту равна около 20 тыс. долл., а на геостационарную орбиту – около 40 тыс. долл. При использовании космического лифта цена доставки 1 кг полезного груза на геостационарную орбиту будет не выше 400 долларов. Вследствие удешевления вывода спутников подешевеют и средства связи. Благодаря массовому выводу огромных солнечных батарей на околоземную орбиту подешевеет производство альтернативной энергии. В условиях невесомости упростится и станет массовым производство сложных фармацевтических препаратов и рост высокочистых кристаллов.

Но поистине удивительная особенность таких структур заключается в зависимости свойств от структуры самой нанотрубки. Так, например, вектор свертки графитовой плоскости определяет электронную структуру нанотрубки: будет ли она металлом или полупроводником.

Необычные электрические свойства нанотрубок делают их наиболее перспективным материалом наноэлектроники: уже сейчас на их основе созданы опытные образцы полевых транзисторов и полупроводниковых гетероструктур, в которых переход металл/полупроводник реализуется в пределах единичной нанотрубки путем контролируемого создания дефектов в ее структуре.

Безусловно, компьютерная индустрия не обошла своим вниманием углеродные нанотрубки, создав и успешно протестировав прототипы первых плоских дисплеев, работающих на нанотрубчатой матрице. В таком дисплее под действием прикладываемого к одному из концов трубки напряжения с другого ее конца испускаются электроны, которые, попадая на фосфоресцирующий экран, вызывают свечение пикселя. В результате зерно изображения фактически определяется диаметром нанотрубки, а следовательно, обладает фантастически малыми размерами – не более одного микрона.

201

Однако нанотрубки могут выступать не только в роли исследуемого материала, но и как инструмент исследования. На их основе можно, к примеру, создать микроскопические нановесы,

нанотермометры и другие наноинструменты, а если трубку «насадить» на острие сканирующего туннельного или атомного силового микроскопа, то получится идеальный микрозонд диаметром всего в нескольких атомов. Прикладывая определенное напряжение, с помощью такой иглы можно захватывать атомы или целые молекулы и как пинцетом перемещать их с места на место, а можно даже с высокой точностью производить запись и считывание информации с матрицы вплоть до плотности записи 250 Гбит/см2.

Нанотрубки, в зависимости от длины, содержат от тысячи до миллионов атомов углерода. Открытые нанотрубки ведут себя как капилляры, втягивая в себя растворы или расплавы вещества, атомы которого меньше внутреннего диаметра трубки. Так могут создаваться нанопроволоки. При этом свойства металла внутри нанотрубки могут сильно отличаться от свойств этого металла в свободном состоянии, так как взаимодействие с углеродными стенками приводит к изменению его физических свойств. Благодаря этой способности есть возможность использовать фуллерены и нанотрубки в качестве нового наномасштабного материала в биологических системах и композитах. Углеродные нанотрубки и фуллерены являются наиболее удивительным открытием в области материаловедения за последние несколько десятилетий.

Нанопленки

Тонкие наноструктурированные пленки представляют собой организованные наносистемы, в которых наноразмер проявляется только в одном измерении, а два других могут обладать макроразмерами. Известно несколько методов получения нанопленок.

Метод эпитаксии (от греч. epí – на, над, при и táxis– расположение, порядок) заключается в наращивании монокристаллических слоев вещества на подложку (кристалл), при котором

202

кристаллографическая ориентация наращиваемого слоя повторяет кристаллографическую ориентацию подложки.

Метод химического парофазного осаждения веществ со-

стоит в том, что исходное вещество испаряется в отдельной камере, а затем переносится через газовую фазу и осаждается в нужной пропорции на выбранную подложку.

Метод осаждения и выпаривания коллоидных растворов не позволяет получать достаточно прочные нанопленки.

Эффективным методом получения нанопленок служит

технология Ленгмюра– Блоджетт. Этот метод был предложен лауреатом Нобелевской премии (1932) Ирвингом Ленгмюром еще в 1920 году, развит его коллегой Катариной Блоджетт в 1935 году. В соответствии с этим методом на поверхности воды формируется монослой ПАВ, в который могут входить ионы металлов и их комплексы. Затем с помощью ванн Ленгмюра– Блоджетт пленки с поверхности жидкой фазы переносят на твердую поверхность. В результате получаются организованные нанопленки с регулируемым числом молекулярных слоев.

Познакомиться с технологией получения пленок Ленгмюра – Блоджетт можно при помощи обыкновенного стакана с водопроводной водой: капните в стакан капельку подсолнечного масла и, подождав пока капля растечется по поверхности, опустите в получившийся «блин» палец. На пальце образуется тонкая пленка подсолнечного масла, в чем можно легко убедиться, прикоснувшись к ней и испачкавшись окончательно. Такое же явление наблюдается и в более крупных масштабах при растекании маслянистых жидкостей поповерхности водоемов.

Термин «пленки Лэнгмюра – Блоджетт» (Langmuir – Blodgett films) обозначает моноили многослойные пленки, перенесенные с границы раздела жидкость/воздух на твердую подложку. Процесс формирования таких пленок подчиняется закономерностям самосборки. Молекулярная пленка на границе раздела жидкость/воздух называется лэнгмюровской пленкой (Langmuir film). Метод физического осаждения LB-пленок при погружении

203

в жидкость, на поверхности которой находится органическая пленка (или при подъеме из этой жидкости), называется LB-осаж- дением. В качестве жидкой среды чаще всего используется деионизированная вода, но могут применяться и другие жидкости (например, глицерин и ртуть). Все органические примеси должны быть удалены с поверхности воды путем фильтрации через фильтр из активированного угля.

Напомним, что вещества, мономолекулярные слои которых при переносе LB-методом взаимодействуют с водой (растворяются в ней), смачиваются или набухают, называются гидрофильными (hydrophilic). Вещества, которые не взаимодействуют с водой (не растворяются в ней), не смачиваются и не набухают, называются гидрофобными (hydrophobic). Существуют и так называемые амфифильные (amphiphile) вещества, которые растворяются и в воде, и в жирах. Один конец молекулы таких веществ – гидрофильный (и поэтому предпочитает быть погруженным в воду), тогда как другой ее конец – гидрофобный (и поэтому обычно находится в воздухе или в неполярном растворителе). Классический пример амфифильного вещества – стеариновая кислота, в которой длинный гидрокарбонатный «хвост» является гидрофобным, а основная (головная) карбоксильная группа – гидрофильной. Поскольку у амфифилей один конец – гидрофильный, а другой – гидрофобный, то они предпочитают располагаться на таких границах раздела, как воздух/вода или масло/вода. По этой причине их называют поверхностно-активными (surfactants).

Уникальной особенностью LB-пленок является возможность формирования упорядоченной структуры на твердой поверхности из некристаллического материала. Это позволяет переносить мономолекулярные слои на различные подложки. В зависимости от способа обработки подложки ее поверхности можно придать гидрофильные или гидрофобные свойства.

Один из вариантов процесса получения пленок (вертикальный лифт) показан на рис. 9.9. Мономолекулярный слой амфифильного вещества может быть осажден с границы раздела во-

204

да/воздух путем вертикального смещения пластины. Когда подложка движется через молекулярный слой на границе раздела вода/воздух, этот слой может быть перенесен на нее в процессе извлечения данной подложки (подъема вверх) или ее погружения (опускания вниз). В зависимости от направления движения подложки сквозь монослой получается пленка с различной молекулярной ориентацией. При первом погружении подложки (рис. 9.9, а) на ее гидрофильной поверхности формируется монослой с ориентированными к подложке гидрофильными хвостами ПАВ. При втором погружении подложки на ней формируется мультислой с противоположной ориентацией. Последовательным переносом монослоев можно приготовить многослойную наноразмерную пленку из мономолекулярных (по толщине) слоев.

Рис. 9.9. Схема формирования многослойных пленок методом Лэнгмюра– Блоджетт: а – первое погружение; б – первый подъем; в – второе погружение; г – второй подъем

205

Процесс применения структурированной органической матрицы для синтеза и выращивания неорганических кристаллов получил название темплатного синтеза. Материалы – органонеорганические нанокомпозиты, полученные таким способом, име-

нуют гибридными наноматериалами.

Техника Ленгмюра– Блоджетт внешне проста и дешева (не нужен сверхвысокий вакуум, высокие температуры и т.п.), однако первоначально требует значительных затрат для создания особо чистых помещений, так как любая пылинка, осевшая даже на одномизмонослоеввгетероструктуре, этонезалечиваемыйдефект.

Тем не менее ленгмюровские пленки и нанокомпозиты на их основе уже нашли применение в качестве длинноволновых рентгеновских дифракционных решеток, резисторов, газовых сенсоров, наноразмерных диэлектрических полимерных покрытий и прослоек в различных устройствах и т.д.

Нанокристаллы

Периодические структуры с выраженной интерференционной окраской часто встречаются в живой природе. Структурами с одномерной периодичностью являются, например, покрытия на

ражающиминтерфейсом, обес-

206

печивающим прохождение света с одновременной возможностью физико-химического обмена с окружающей средой для внутренних тканей глаза.

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

Упорядоченные структуры, период которых сопоставим с длинами волн света видимого или ближнего инфракрасного диапазонов, получили особое название – фотонные кристаллы (рис. 9.11). Это название указывает лишь на то, что поведение фотонов в таких средах весьма необычно.

Рис. 9.11. Фотонный кристалл, состоящий из упорядоченных сферических частиц размером около 650 нм

Фотонный кристалл – это оптическая среда, в которой происходит периодическое изменение коэффициента преломления на масштабе, сопоставимом с длиной волны света видимого

207

или ближнего инфракрасного диапазонов. При этом различают одно-, двух- и трехмерные фотонные кристаллы в зависимости от того, наблюдается ли указанная периодичность в одном, двух или трех измерениях соответственно.

Вкачестве одномерного фотонного кристалла вполне можно рассматривать дифракционную решетку. Хорошо известно, что одномерная периодичность дифракционной решетки позволяет ей эффективно отражать свет некоторой длины волны, падающий на решетку под определенным углом. В фотонных кристаллах с трехмерной периодической структурой возможна ситуация, при которой свет некоторой длины волны отражается от такого объекта при любом угле падения. В эту оптическую среду фотон не может попасть извне.

Уникальное поведение фотонов в фотонных кристаллах позволит создать на основе последних самые разнообразные оптические устройства, которые произведут настоящую революцию

воптоэлектронике. Уже сейчас предложены пути использования фотонных кристаллов для создания высокоэффективных светодиодов и лазеров, новых оптоволоконных волноводов, оптических переключателей и фильтров, лежащих в основе сверхбыстрых фотонных компьютеров, в которых все логические операции производятся не электронами, а фотонами.

Известно, что передавать световые сигналы по воздуху, несмотря на его «прозрачность», неэффективно – в атмосфере содержится огромное количество пыли и капель воды, которые сильно рассеивают свет. Поэтому для передачи фотонов было придумано оптическое волокно, состоящее из сверхчистого стекла. Наноструктурированные волноводы по многим характеристикам значительно превосходят обычное стеклянное оптоволокно. Впервые оптическое волокно, созданное по принципу фотонного кристалла, было получено в 1995 году сотрудниками фирмы Blaze Photonics (Англия).

Втехнологии оптического волокна на принципе фотонного кристалла в кварцевую трубку диаметром 20 мм упаковыва-

208

ются капилляры диаметром порядка 1 мм с направляющим стержнем из того же кварцевого стекла, расположенным между капиллярами. Из полученной заготовки производится вытяжка волокна, при этом характеристические поперечные размеры изделия уменьшаются примерно в 10 000 раз.

Диаметр полых микроканалов, проходящих по всей длине волокна в 100 м, составлял 0,3 мкм при их периодическом зазоре в 2–3 мкм. Поперечное сечение такого волокна имело гексагональную форму, определяемую структурой укладки капилляров в трубке (рис. 9.12).

Рис. 9.12. Поперечное сечение увеличенного фрагмента оптического волокна (фотонныйкристаллсполойсердцевиной)

Наличие таких полых микроканалов позволяет более чем на порядок увеличить относительную разность коэффициентов преломления сердцевины и оболочки по сравнению со стандартным волокном. Дополнительная «степень свободы», предоставляемая оптическими волокнами, созданными по принципу фотонного кристалла, делают их перспективными средами для систем оптической передачи информации.

209

Наноповерхности

В середине 1970-х годов профессора ботаники Боннского университета (ФРГ) В. Бартхлотт и К. Найнюс (Neinhuis) обнаружили, что листья и цветки некоторых растений почти не загрязняются и что этот феномен протекает в их наноструктурированных поверхностных областях. Впоследствии это явление ими было запатентовано и названо в честь наиболее яркого представителя та-

ких растений «лотос-эффектом» (Lotus-effect).

Издревле цветок лотоса считается символом незапятнанной чистоты. Как известно, листья и нежно-розовые цветки лотоса распускаются из грязной тины водоемов безупречно чистыми. Этот феномен самоочистки детально исследовался

ипозволил открыть удивительные возможности природы защищаться не только от грязи, но и от различных микроорганизмов. Данный эффект наблюдается не только у лотоса, но

иу многих других растений, таких как капуста, камыш, водосбор, тюльпан, а также у животных (крылья стрекоз и бабочек). Они наделены природой свойством защиты от различных загрязнений по большей части неорганического происхождения (пыль, сажа), а также биологического происхождения (споры грибов, микробов, водоросли и т.д.).

Использование электронных микроскопов позволило ученым обнаружить, что поверхности листьев, цветков и побегов покрыты тонкой внеклеточной мембраной – поверхностным слоем. Эпидермис листьев и цветков некоторых растений выделяет воскоподобное вещество кутин, представляющее собой смесь высших жирных кислот и их эфиров. Жиры и жироподобные вещества, входящие в состав липидов – природных органических соединений, являются одним из основных компонентов биологических мембран. Липиды участвуют в обмене между растениями и окружающей средой (рис. 9.13).

Попавшая на поверхность листа капля воды удаляет с него частицу загрязнений. При этом частицы загрязнений не прони-

210