Фотоника и оптоинформатика

кают во внутреннюю часть капли, а равномерно распределяются по ее поверхности. Замечено, что гидрофобная субстанция удаляется каплей воды с гидрофобной поверхности. При рассмотрении условий протекания «эффекта лотоса» на наноскопическом уровне механизм этого явления становится более понятным.

Рис. 9.13. Поверхность листа лотоса подэлектронныммикроскопом

Можно представить себе массажную щетку, на зубьях которой лежит клочок бумаги, изображающий частицу загрязнений. Пятно «грязи» расположено только на самых вершинах зубьев, не соприкасаясь с поверхностью щетки (рис. 9.14, справа). Сила прилипания грязи обусловлена площадью поверхности взаимного контакта. Если бы поверхность была гладкой или имела макрорельеф, как на рис. 9.14 слева, то площадь контакта оказалась бы значительной и грязь удерживалась бы достаточно прочно. Однако из-за острых концов зубьев площадь контакта минимальна, и грязь как бы «висит на ножке». То же происходит и с каплей воды. Она не может «растечься» по остриям, и поэтому стремится свернуться в шарик.

Аналогичное явление происходит и с грязью на восковых кристалликах, покрывающих листья лотоса. Поверхность соприкосновения загрязнений с поверхностью листа также крайне

211

Веселаго показал, что в средах с одновременно отрицательными значениями диэлектрической и магнитной проницаемостей показатель преломления изменяет знак. Следствием этого является изменение на противоположное направления излучения, которое образует с векторами напряженностей электрического и магнитного полей левовинтовую тройку. Такие среды он назвал «левыми». Веселаго показал также, что в левых средах должны наблюдаться и другие аномальные явления: изменение знака групповой скорости, рассеяние света выпуклой линзой и, наоборот, его фокусировка вогнутой линзой.

Веселаго в действительности не был первым, кто теоретически исследовал преломление света в среде с отрицательной групповой скоростью. Детальный анализ отрицательной рефракции был дан еще в 1944 году Л.И. Мандельштамом. Кроме того, сам факт существования структур, в которых волна имеет отрицательную групповую скорость, также не являлся секретом. Механические модели одномерных сред подобного типа были исследованы еще в 1904 году Лэмбом, показавшим, что в так называемых обратных волнах фазовая скорость противоположна по направлению групповой скорости и потоку энергии.

Тем не менее именно статья Веселаго благодаря простоте своего изложения и широкой известности журнала, в котором она была опубликована, приобрела характер основополагающей работы в теории отрицательно преломляющих сред, называемых также левыми средами и средами Веселаго. В англоязычной литературе такие среды называют NIM (negative index materials) или LHM (left-handed materials). В последнее время все большее распространение получает термин «метаматериалы», указывающий на то, что свойства этих материалов зависят не от их химического состава, а от особенностей искусственно созданной конструкции из наноразмерных емкостных и индуктивных элементов. Резонансные свойства этих материалов таковы, что приводят к отрицательным значениям диэлектрической и магнитной проницаемостей в определенном диапазоне частот.

213

В2000 году идею Веселаго о фокусирующих свойствах плоскопараллельной пластинки из материала с отрицательным показателем преломления подхватил английский физик Дж. Пендри, показавший, что в этом случае отсутствует дифракционный предел на размер фокального пятна, присущий обычным линзам. Подобное фокусирующее устройство Пендри назвал совершенной линзой (perfect lens). Это означает, что можно создавать оптические микроскопы с недоступным ранее разрешением.

В2006 году Дж. Пендри выступил с новой идеей: если окружить объект материалом, показатель преломления которого плавно изменяется от 0 на внутренней поверхности до 1 на внешней границе, то свет будет огибать объект, который становится невидимым для наблюдателя. Идея была успешно реализована

вмикроволновом диапазоне. Возможность создания такого «пла- ща-невидимки», способного сделать объект невидимым, вызвала чрезвычайный интерес у военных.

Природа отрицательной рефракции

На рис. 9.15 показана схема хода лучей плоской волны под углом падения i к границе раздела двух сред. Фазовая скорость волны в верхней среде равна υ1, a в нижней среде – υ2.

Из построения следует закон преломления:

Однако наряду с выражением (9.1) справедливо выражение

Ему соответствует преломленная волна, в которой фазовая скорость и волновой вектор направлены не от границы, а к границе раздела (рис. 9.15, б).

214

ные знаки (см. рис. 9.15, б). Групповая скорость υг и поток энергии по-прежнему направлены от границы раздела вглубь второй среды, так что принцип причинности не нарушается.

Перспективы практического использования метаматериалов

Отрицательные значения эффективный показатель преломления может принимать лишь в магнитодиэлектриках. Первые попытки поиска таких материалов, у которых в определенном диапазоне частот одновременно становились бы отрицательными в соответствии с формулой (6.3) относительные диэлектрическая и магнитная проницаемости среды, были предприняты еще В. Веселаго. Он пытался создать материал с отрицательным преломлением на основе магнитного полупроводника CdCr2Se4, однако эти усилия не увенчались успехом из-за существенных технологических трудностей, которые характеризуют синтез этого материала. Позднее положительные эффекты были достигнуты на композитных наноматериалах, полученных методами фото- и электроннолучевой литографии.

Уникальные свойства метаматериалов, в частности возможность получения в них отрицательных значений показателя преломления, позволяют надеяться, что в недалеком будущем появятся созданные на их основе совершенно новые, неизвестные ранее технические устройства.

Одним из таких устройств являются совершенные линзы. Обычные линзы, по сути дела, являются дифракционными устройствами, разрешающая сила которых ограничена. Так, угловое расстояние между двумя точками, при котором они еще воспринимаются раздельно,

Для зрачка человеческого глаза при нормальном освещении (D = 2 мм, λ = 500 нм) получаем δφ ≈ 1′.

216

Как было показано Дж. Пендри, плоскопараллельная пластинка из материала с показателем преломления n = –1, играющая роль фокусирующей линзы, не обладает этим недостатком. В этом случае фокусировка света имеет совершенно иную физическую природу: не дифракционную, а рефракционную. Поэтому световые лучи с помощью такой линзы могут быть сфокусированы практически в точку. Интенсивность света в фокусе теоретически может стремиться к бесконечности. Подобные совершенные линзы позволят резко увеличить разрешающую способность оптических микроскопов, сделать ее независящей от длины волны света.

Другая идея связана с созданием оболочек, способных сделать укрываемый ими объект невидимым для наблюдателя. Действительно, представим себе некий объект, окруженный оболочкой, показатель преломления которой изменяется от n = 1 на внешней поверхности до n = 0 на внутренней поверхности. Тогда внешнюю поверхность такого «плаща» световые лучи будут пересекать без отражения и преломления. По мере проникновения в глубь слоя угол преломления возрастает от значения, равного углу падения, до 90°, так как при n = 0 для любого падающего луча имеет место полное внутреннее отражение. Свет будет попросту обтекать предмет подобно тому, как обтекала бы его жидкость.

Поскольку отраженные лучи отсутствуют, наблюдатель предмета не видит. Правда, для этого надо позаботиться о том, чтобы отсутствовали или, по крайней мере, были незначительны потери света на поглощение в укрывающем слое, иначе наблюдатель увидит перед собой некоторое темное пятно непонятного происхождения. Для уменьшения потерь на поглощение света такие «плащи-невидимки» должныбытьдостаточно тонкими.

Метаматериалам на основе периодически распределенных элементов присущи следующие недостатки:

– сильная зависимость показателя преломления от частоты, угла падения и поляризации падающего излучения;

217

–невозможность плавного и динамического (посредством внешних полей) управления показателем преломления;

–сложность получения протяженных по площади, гибких пленок с отрицательным показателем преломления.

Эти недостатки делают проблематичным использование таких метаматериалов для тех основных целей, ради которых

изатевалось их создание: использование в линзах субволнового разрешения и в качестве материалов для «плащей-невидимок», укрывающих объект от внешнего наблюдателя.

Преодоление этих недостатков связано с возможностями нанотехнологий по созданию отрицательно преломляющих материалов для оптического диапазона электромагнитных волн.

9.4. Методы формирования наноструктур

Развитию методов формирования наноструктур (нанотехнологии) во многом способствовало постоянное совершенствование традиционных методов изготовления полупроводниковых приборов, таких как химическое осаждение из газовой фазы, мо- лекулярно-лучевая эпитаксия и электронно-лучевая литография. Кроме того, применение сканирующих атомарно-острых зондов и саморегулирующихся процессов значительно расширило возможности создания оптических наноструктур.

Различают два основных подхода, позволяющих формировать наноструктуры. Это технологии, реализующие принцип «сверху-вниз», и технологии, построенные на принципе «снизу-

вверх». Принцип «сверху-вниз» (top-down approach) предполага-

ет создание структур с требуемыми размерами и конфигурацией путем избирательного удаления материала, заранее нанесенного на подложку. При этом используются традиционные методы. Обыденным примером технологии «сверху-вниз» является создание скульптуры из монолитной каменной глыбы путем отсечения «лишнего» материала.

Альтернативный принцип «снизу-вверх» (bottom-up approach) предполагает формирование требуемых структур путем селектив-

218

ного осаждения атомов и молекул на заданные участки поверхности подложки. Так же поступает художник, нанося определенные краски на определенные участки поверхности холста.

Нанотехнологические приемы постоянно совершенствуются, появляются новые методы. Классификация способов получения наноматериалов представлена в табл. 9.2. Рассмотрим некоторые основные методы, уже прошедшие экспериментальную проверку и использующиеся достаточно широко.

219

9.4.1. Молекулярно-лучевая эпитаксия

Молекулярно-лучевая эпитаксия (molecular beam epitaxy) (МЛЭ) появилась как развитие метода химического осаждения пленок в сверхвысоком вакууме.

Химическое осаждение из газовой фазы (chemical vapor deposition) включает рост ориентированной монокристаллической пленки на монокристаллической подложке. Материал пленки при этом поступает из газовой фазы. Газовая среда может содержать как пары кристаллизующегося материала, так и газообразные реагенты, способные в процессе химических реакций на подложке образовывать необходимый для эпитаксиального роста материал. Осаждение пленок обычно проводится в проточных камерах, где газ-носитель, содержащий соответствующие реагенты, пропускается над нагретой монокристаллической подложкой. Химический состав, давление газа и температура подложки являются главными параметрами, контролирующими процесс осаждения пленок и их свойства.

Установка для химического осаждения из металлорганических соединений показана на рис. 9.16 на примере осаждения GaAs и гетероструктур GaAlAs. Главным преимуществом метода химического осаждения является возможность одновременной обработки большого количества подложек, что соответствует требованиям массового производства. Ограничением метода является плохо контролируемое загрязнение материала пленок, а также необходимость принимать серьезные меры безопасности при работе с взрывоопасными и токсичными гидридами.

При молекулярно-лучевой эпитаксии реагенты вводятся

врабочую камеру в виде молекулярных или атомных потоков. Эти потоки формируются путем испарения материала внутри замкнутой ячейки с очень малым выходным отверстием. Она называется эффузионной (effusion), или ячейкой Кнудсена. Испа-

ренные внутри нее молекулы и атомы, выходя из отверстия

всверхвысокий вакуум, движутся без соударений (баллистиче-

220