Оптические свойства наностуктур

Окись цинка  представляет собой широкозонный C,37 эВ) 

полупроводник, оптические переходы которого лежат  в ультрафиолетовой области.

Лазерное экситонное излучение было получено для нанопроволок ZnO

на подложке под действием оптического возбуждения [23].

Нанопроволоки ZnO были  синтезированы из газовой  фазы с помощью эпи-

тексиального  роста на сапфировой  подложке (НО). В качестве катализатора 

использовались  нанокластеры Аи, которые входили  в тонкую пленку на поверхности сапфира. Процесс получения таких  нанопроволок подобен каталитическому  синтезу углеродных нанотрубок. Изображение

нанопроволок ZnO с помощью  сканирующей электронной  микроскопии показано на рис. 15.12. Нанопроволоки  растут  перпендикулярно подложке в местах катализируемых нанокластерами золота. Диаметр проволок

изменяется от 20 до 150 нм (95 % размеров находится в  промежутке от 70 до 100 нм) и связан с  дисперсностью нанокластеров золота. Длина нанопроволок  может меняться от 2 до 10 мкм с помощью увеличения времени роста. Это позволяет изменять частотный спектр испускаемого лазером излучения. Вертикальный рост проволок ZnO обеспечивается эпитаксиальным  взаимодействием между плоскостью @001) гексагональных по форме проволок ZnO и плоскостью A10) подложки. Данные сканирующего микроскопа свидетельствуют о том, что концы проволок имеют форму правильного шестиугольника, что подтверждает рост таких проволок по направлению @001). Правильная форма поверхностей таких проволок необходима для создания концентрированного лазерного излучения.

Под влиянием оптического  возбуждения достаточной мощности в на-

нопроволоках  генерируются лазерные моды с длинами  волн между 370

и 400 нм при ширине линии 0,3 нм. Отметим, что наблюдение лазерной

генерации осуществляется без привлечения какой-либо системы зеркал,

что позволяет  рассматривать нанопроволоки ZnO в  виде 

монокристаллических резонансных полостей, а торцевые поверхности в виде зеркал, концентрирующих  генерированное излучение. Возможность  управлять процессом синтеза  и варьированием размеров нанопроволок делает эти наноустройства весьма перспективными для применения 

коротковолновых лазеров в вычислительной технике, хранении информации, 

микроанализе  и т. д.

  Основные задачи  нанофотоники

Нынешнюю стадию развития нанофотоники можно сравнить с состоянием микроэлектроники до того, как был изобретен транзистор. Тем не менее, уже сегодня результаты работ в области нанофотоники – новые материалы и устройства – находят самое широкое применение. Во-первых, это всевозможные устройства отображения информации – дисплеи мобильных телефонов, персональных компьютеров и телевизоров. Во-вторых, это оптические запоминающие устройства – CD и DVD оптические диски, а также системы передачи информации по оптоволоконным линиям. Это то, что уже прочно заняло свое место в нашей повседневной жизни и непрерывно совершенствуется. Например, если сейчас объем информации оптического диска порядка 1 Гбайт, то в ближайшие год-два он составит 10–100 Гбайт. Оптические образцы таких дисков фирмы уже имеют. Стремительный прогресс намечается также и в оптоволоконных линиях передачи информации. Это в первую очередь связано с созданием новых оптических сред, наноструктурированных оптических волокон и фотонных кристаллов [19].

Другая достаточно широкая сфера применения нанофотоники, которая пока еще находится в стадии прикладных поисковых исследований, – это энергетика – системы преобразования световой энергии в электрическую (солнечные батареи) и электрической энергии в световую (электролюминесцентные материалы и устройства), а также системы химического записания световой энергии (например, получение водорода путем фоторазложения воды). Ну и, наконец, отдельная область нанофотоники – это новые интегрированные сенсорно-диагностические системы для контроля окружающей среды, состояния человека и его взаимодействия с окружающей средой и техносферой.

Грядущий подъем нанофотоники на качественно новый  уровень связан с созданием оптических логических устройств, оптоэлектронных  процессоров и компьютеров с архитектурой, подобной мозгу человека, стереоскопической системой визуализации информации, подобной зрительному процессу [19].

В последнее  время все чаще звучит слово «светодиоды»…

Дело в том, что около 15% всей электроники, вырабатываемой на земном шаре, используется для преобразования в свет. Эффективность этого преобразования привычными для нас лампами накаливания составляет несколько процентов. Совершенно другой принцип заложен в светодиодах – фактически это прямое преобразование в полупроводнике энергии носителей тока в свет, которое происходит в результате их рекомбинации. Поэтому КПД здесь намного больше [19].

Исследователи бьются над тем, чтобы создать  более дешевый органический материал для использования в светодиодных преобразователях. И такие материалы уже есть. Основу их составляют электропроводящие полимеры и различные органические и гибридные люминофоры – супермолекулярные комплексы и люминесцирующие квантовые точки. Характеристики органических светоизлучающих диодов в настоящее время практически не уступают полупроводниковым светодиодам, они также ярко светят, эффективно преобразуют электрическую энергию в световую и имеют невысокую цену. Однако, массовое их использование пока невозможно из-за нестабильности органических материалов в процессе их эксплуатации.

· В самом начале вы сказали об использовании света в системах передачи информации по оптоволоконным линиям. Будут ли в этом направлении фотоники прорывы в ближайшие годы?

· Главная проблема здесь – повышение плотности передачи информации. Дело в том, что световой пакет в процессе его движения по оптоволокну расплывается. Преодолеть дифракционное расплывание можно в нелинейном оптическом материале. Для этого надо создать другое оптоволокно, которое будет фокусировать оптический сигнал. Эта одна из интереснейших проблем фотоники – создание новых оптических сред, в которых можно реализовать нелинейности. Одной из таких сред являются наноструктурированные оптические волокна и фотонные кристаллы.

· Это фантастические кристаллы, которые способны не отражать и не поглощать свет, а преломлять его совершенно чудесным образом? Когда свет огибает оптический материал, оставляя предметы, которые находятся за ним, невидимыми?

· Действительно, это одно из самых удивительных явлений, которое можно реализовать с помощью фотонных кристаллов.

· Каких технологических новинок, связанных с использованием света, можно ожидать в ближайшие годы?

· Европейское сообщество поддерживает ряд программ в области диагностики. Одним из примеров – создание интегрированной диагностической системы состояния человека. Что она из себя представляет? Это пластиковый браслет на руке человека, в который вмонтирован оптический хемочип, контролирующий газовую среду выделений (вместо анализа крови), с помощью которого контролируется состояние его здоровья. Кроме того, в этом браслете – устройства для измерения температуры, кровяного давления и электронная схема (тоже полностью из органических материалов), с помощью которой вся информация передается на мобильный телефон или поликлинику. В этой системе нет батарей, она автономно питается с помощью устройства, которое преобразует свет и человеческое тепло в электрическую энергию.

Еще одно интересное направление – оптическая томография. В настоящее время разрабатывается несколько различных систем для оптического томографа. Одна из них – оптическая когерентная томография – работает следующим образом. Фомтосекундный лазер испускает очень короткий импульс света, который проходит через ткани (в красной и ближней ИК области спектра биологическая ткань почти прозрачна) и где-то отражается. Время, за которое свет пробегает и отражается от какой-то точки объекта, фиксирует компьютер. Это позволяет создать по времени пробега и отражения объемную картинку ткани [19].

· Какое место в развитии нанофотоники занимает Россия по сравнению с другими странами? Есть ли у нас перспектива занять хотя бы часть мирового рынка в этой области?

· Да, сейчас это довольно традиционный и в какой-то мере риторический вопрос. Я бы на него ответил так: в России есть очень большой задел в этой области, признанный научный потенциал и люди, которые могли бы его реализовать. То, как сложится реальная ситуация и какое место Россия займет в этой области, во многом будет зависеть и от самого научного сообщества, то есть от того, насколько правильно мы определим приоритеты наших исследований, и от того, как государство будет поддерживать это направление на финансовом и законодательном уровнях [19].

Лампа Накамуры

Почетным приемом  на финской земле японский ученый Сюдзи Накамура обязан своим изобретениям: синему, зеленому и белому светодиодам (LED), а также голубому лазеру (основе технологии оптических дисков, которые вскоре могут вытеснить известные всем сегодня CD и DVD). Именно эти открытия были признаны в 2006 году представительным жюри премии «Приз Тысячелетия» как реально изменившие жизнь человечества к лучшему («Поиск» № 25, 2006) [20].

Нынешний победитель конкурса профессор Сюдзи Накамура прославился, разработав в 1993 году свой первый синий LED – полупроводниковое устройство на основе химического соединения InGaN – нитрида галлия (с добавлением индия), по форме напоминавшее старую телевизионную лампу в миниатюрном исполнении и излучавшее мощный свет. Эта разработка стала настоящим поворотным моментом в технологии создания цветных экранов. Впоследствии С. Накамура создал еще два диода: зеленый и белый (с добавлением фосфора). Благодаря их сочетанию с существовавшим задолго до изобретения японского физика красным диодом (на основе арсенида гелия) стало возможно воспроизведение любой цветовой гаммы. Прикладные возможности, открывшиеся с появлением светодиодов, сегодня часто сравнивают с последствиями изобретения Томаса Эдисона. Выступая на церемонии награждения Сюдзи Накамуры президент Финляндии Тарья Халонен назвала LED «лампочкой XXI века»: помимо того, что их свет по показателям яркости не только не уступает, а даже превосходит лампы накаливания, светодиоды еще и очень экономичны, для их работы используются не органические, а минеральные планеты [20].

В качестве примера  эффективного применения светодиодов  профессор С. Накамура привел данные о замене 14 тысяч обычных светофоров в Филадельфии (США) на светофоры, работающие на основе LED. В результате этого удалось сэкономить почти 90% энергии, увеличив срок службы столь важного дорожного оборудования на пять лет, что позволило городскому бюджету сохранить 4,8 млн. долларов.

Еще одна важная область применения светодиодов  – использование их излучения  для хранения продуктов. Доказано: в  холодильнике, где установлены LED, срок хранения фруктов и овощей увеличивается на лишнюю неделю. Хорошие результаты показывает использование светодиодов и для очистки воды. На основе LED уже разрабатывается специальный компактный – удобный для переноски в кармане одежды – прибор, обеззараживающий жидкости. Его применение, уверен Накамура, будет особенно актуально в странах третьего мира, где остро стоит проблема борьбы с кишечными инфекциями.

  Лазерный ключ

В 1961 году при  создании отдела монокристаллов ФИАН, который впоследствии был преобразован в Научный центр лазерных материалов и технологий Института общей физики, наши великие предшественники академики Басов и Прохоров поставили цель – найти и научиться получать кристаллические и стеклообразные материалы для использования их в твердотельных лазерах. На протяжении многих лет ФИАН был единственной специализированной организацией в стране, которая занималась (и сейчас занимается) поиском лазерных материалов [20].

Совершенствование лазерной техники и стимулировало  появление нанонаправления в ФИАНе, лазер стал ключом, открывшим для нас наномир. С самого начала в ФИАНе сложилось необычное сочетание научных направлений: мы решали практические задачи поиска химико-технологических способов получения новых кристаллов и стекол для лазеров и одновременно вели фундаментальные исследования – изучали спектроскопические, физико-химические, механические свойства этих материалов. Обычно такие разные задачи решают разные организации – одни получают материалы, другие – исследуют свойства, третьи – их используют, но это путь долгий и малоэффективный. Объединение усилий ученых, решающих фундаментальные и технологические задачи под одной крышей, обеспечило обратную связь между этими направлениями, что сэкономило массу времени и в конечном итоге привело к успеху – созданию высоких технологий, новых материалов и лазеров с выдающимися параметрами.

В процессе решения  этих задач родилась уникальная технология получения особо тугоплавких материалов. Традиционно материалы с высокой температурой плавления получали в нагретых тиглях, которые были сделаны из еще более тугоплавкого материала. Наша же технология дает возможность получать материалы в холодных, охлаждаемых водой тиглях, что позволило нам преодолеть температурный барьер и расширить круг новых материалов. Парадоксально, но факт: тигель снаружи можно потрогать рукой, а внутри него, там, где растет кристалл, – температура 3000 градусов! Происходит это таким образом: в тигель загружается порошок, с помощью индуктора к нему подводится высокочастотное поле, под воздействием которого порошок внутри тигля начинает плавиться – по принципу печи СВЧ. При этом корпус тигля не нагревается, поскольку по специальным трубкам в корпус подается холодная вода. А дальше начинается процесс кристаллизации, и здесь важно, с какой скоростью охлаждать кристалл, как потом его обрабатывать.