САМОсборка САМОцветов

Друзья, с момента основания проекта прошло уже 20 лет и мы рады сообщать вам, что сайт, наконец, переехали на новую платформу.

Какое-то время продолжим трудится на общее благо по адресу https://n-n-n.ru.
На новой платформе мы уделили особое внимание удобству поиска материалов.
Особенно рекомендуем познакомиться с работой рубрикатора.

Спасибо, ждём вас на N-N-N.ru

Синтетический опал, полученный
методом естественного осаждения.

Царящая в настоящее время в вычислительной и телекоммуникационной технике «кремниевая технология», основанная на литографическом способе экспонирования шаблонов, практически подходит к пределу своих возможностей. Продвижение вперёд возможно, благодаря совмещению существующих технологий с новыми материалами и структурами, упорядоченными в нанометровом размерном диапазоне. Одним из таких перспективных материалов является синтетический опал, по своим свойствам относящийся к фотонным кристаллам.

Матрица синтетического опала состоит из сфер диоксида кремния – их называют глобулами – от сотен нанометров до микрона в диаметре с периодически расположенными пустотами между ними. Одним из фундаментальных её свойств является существование в ней фотонной запрещённой зоны (ФЗЗ). Говоря просто, термин «фотонная запрещённая зона» означает запрет на поглощение узкой полосы частот: поверхность кристалла поглощает все излучения, кроме тех, которые имеют длину волны, сравнимую с периодом решётки. А те частоты, которые находятся в пределах полосы, отражаются от первых двух слоёв глобул, и мы можем их увидеть.

ASM_opal.jpg Изображение, полученное с помощью
атомно-силового микроскопа (АСМ)

Но – не со всех направлений. Часть «подходящего» излучения отражается уже от первого слоя глобул, другая часть проходит глубже и отражается от второго слоя. В соответствии с законами оптики два этих отражённых луча интерферируют, и в результате в небольшом пространственном секторе наблюдается интенсивное свечение, а вне его – почти полное отсутствие света.

Вспомните крыло бабочки: посмотрев на него в некотором ракурсе, увидим переливающийся цвет; стоит немного отклониться – и видно уже только тёмное пятно. Так же и с опалом: переливающийся блеск, к примеру, зелёный (именно эти частоты ФЗЗ «отказывается поглощать»), можно увидеть лишь под определённым углом, в противном случае его не будет. Наличие ФЗЗ – это свойство, которое делает синтетический опал перспективным материалом для широкого диапазона технических приложений.

nano_01_2010_02.jpg

Другим важнейшим фактором является то, что опаловая матрица (ОМ) представляет собой строгоупорядоченную плотноупакованную наноструктуру, формирование которой происходит за счёт самоорганизации глобул SiO2. Это даёт возможность изготавливать наносистемы с периодической структурой размером более 100 ячеек, которые не могут быть получены с использованием привычных технологий. И, что не менее важно, существенно упрощает технологию изготовления приборов, элементы которых реализуются на основе данного материала.

nano_01_2010_03.jpg АСМ-изображение опала, полученного методом седиментации. Толщина образца 50 мкм

Матрицы синтетического опала могут найти применение при создании газочувствительных сенсоров, автоэмиссионных катодов для электронно-лучевых устройств и многих других видов устройств и компонентов.

Но ОМ интересны не только «в чистом виде». На их основе можно изготавливать нанокомпозиты, обладающие уникальными оптическими, магнитными и электрическими свойствами, которые станут основой новых технологий изготовления элементов магнитной памяти, электронных и оптических систем. В этой статье мы остановимся на двух областях возможного использования таких композитов – интегрально-оптических волноводах и СВЧ-фильтрах.

Интегрально-оптические волноводы служат для передачи светового сигнала от одного функционального узла к другому и его преобразования. Задача фильтров, работающих в системах связи и телекоммуникации – обеспечение прохождения сигнала в заданной полосе частот и формирование выходного спектра. Для устройств этих классов на базе ОМ создаётся специальный нанокомпозитный материал – магнитные нанорешётки (МНР), для чего в межглобулярные пустоты внедряется ферромагнитные частицы. Обычно изготовление МНР осуществляется в два этапа: получение строгоупорядоченной матрицы и внедрение ферромагнетика в её поры.

nano_01_2010_04.jpg Рассеяние луча в волноводе уменьшается за счёт отражения от фотоннокристаллической оболочки. Сверху: макет оптического волновода традиционной конструкции. Снизу: аналогичный макет с нанесённой плёнкой синтетического опала. Хорошо видно, как уменьшилось рассеяние волны на выходе

Матрица формируется в основном методом седиментации: глобулы диоксида кремния под действием собственной силы тяжести самоорганизуются в плотно упакованную структуру. Детальная проверка результата этого этапа проводится при помощи атомно-силового микроскопа и акустооптического спектрофотометра; но есть и способ «экспресс-анализа»: при правильной кубической упаковке глобул простым глазом можно наблюдать иризацию – разноцветный блеск на поверхности образца.

Второй этап – внедрение магнитного материала в поры матрицы – осуществляется методами пропитки, гальваники, под давлением и некоторыми другими. Нам в данном случае интересен процесс пропитки. Один его цикл представляет собой выдержку опаловой матрицы в прекурсоре – растворе солей ферромагнитных металлов – в течение нескольких часов; за это время поры матрицы заполняются ферромагнетиком. Далее следует термообработка, в результате которой происходит термическое разложение прекурсора до оксида или смеси оксидов, которые, собственно, и являются материалами внедрения. Таким образом в межглобулярных пустотах формируются зёрна из магнитного материала. Заполнение пустот приводит к смещению ФЗЗ в сторону ИК-области спектра – матрица становится «рабочей» на другой длине волны. То, что пустоты заполнены именно магнитным материалом, позволяет при эксплуатации управлять коэффициентом отражения, меняя величину и/или направление внешнего электромагнитного поля. Говоря коротко, ширина ФЗЗ задаётся в процессе получения матрицы (формирование глобул, седиментация), нужного положения рабочего диапазона добиваются при заполнении пор (пропитка и термообработка), а коэффициент отражения устанавливается путём приложения электромагнитного поля в процессе эксплуатации МНР в составе устройства.

Цикл пропитки повторяется до достижения необходимого положения ФЗЗ. На выходе имеем магнитную нанорешётку, которую можно использовать, в частности, как материал для изготовления микроволноводов. Какую пользу даёт применение МНР в этом качестве? Оно открывает путь к созданию миниатюрных активных и пассивных устройств (оптических модуляторов, переключателей, ответвителей и др.) с параметрами, превосходящими их аналоги, построенные на стандартных технологиях тонких плёнок и элементах объёмной оптики.

Конструкция интегрально-оптического волновода может быть следующей: волноводная сердцевина из Si3N4 и фотоннокристаллическая оболочка из SiO2 на проводящей подложке. Что получается? В такой структуре работает традиционный механизм каналирования луча, связанный с разностью показателей преломления сердцевины и оболочки. Но к нему добавляется свойство ОМ практически идеально отражать излучение в полосе, соответствующей частоте ФЗЗ. Волноводы используются в основном для работы с фиксированными параметрами сигнала; остаётся только подобрать характеристики МНР к этим параметрам – а мы уже знаем, как это делается, – и получим волновод с потерями, значительно меньшими, чем в традиционной конструкции.

nano_01_2010_05.jpg Строение волновода

Ещё более интересные результаты достигаются при применении магнитных нанорешёток для создания новых типов сверхвысокочастотных (СВЧ) фильтров. Так можно решить одну из проблем, существующих в технике современных коммуникаций: переход от элементов с фиксированными рабочими параметрами к настраиваемым, а затем и дистанционно управляемым устройствам. Конкретно – МНР позволяют без сложных схемных решений, только за счёт материала, строить магнитоуправляемые СВЧ-системы.

Фильтр на основе синтетического опала представляет собой отрезок волновода, внутренние стенки которого покрыты плёнкой композита, представляющего собой МНР – матрицу синтетического опала, содержащую ферромагнитный материал. Необходимым образом «настроенная» МНР поглощает энергию побочных колебаний: волна, длина которой попадает в область ФЗЗ нанокомпозитной матрицы, будет отражаться от неё и проходить через фильтр – это и есть диапазон пропускания фильтра; а остальные волны – побочные колебания – будут поглощаться матрицей. Помимо точной настройки фильтра на рабочий диапазон, фотоннокристаллическая оболочка позволяет защищать проходящий сигнал от внешних помех, что ведёт к более стабильной работе прибора.

Получаем фильтр с фиксированным положением ФЗЗ, для которого электромагнитное поле является управляющим сигналом для установки требуемого коэффициента отражения. Настройка на полосу пропускания происходит во время пропитки. В перспективе можно будет менять рабочий диапазон в ходе эксплуатации фильтра. Но поэтапное получение магнитных нанорешёток продолжительно по времени и трудоёмко. Исследовательский проект, осуществляющийся в одной из лабораторий на кафедре «Электронные технологии в машиностроении» МГТУ им. Баумана, ставит целью отработку технологического процесса, объединяющего два этапа, описанные выше как формирование опаловой матрицы и её пропитка ферромагнитным материалом. Отправным пунктом стал один из методов седиментации, когда она проводится с применением электрофореза. Дело в том, что в растворе, из которого осаждается матрица, глобулы, хотя и незначительно, но разнятся по размеру. Подаваемое напряжение замедляет движение глобул более крупного диаметра, что позволяет получить слои с глобулами практически одинакового размера.

nano_01_2010_06.jpg СВЧ-фильтр

Идея новой технологии в том, что седиментация проводится из смеси двух коллоидных растворов: диоксида кремния, как в «классике», и пропитывающего материала; в первых опытах им было серебро, далее перешли к никелю, обладающему ферромагнитными свойствами. Размер пор между глобулами SiO2 составляет 5–10 нм, что практически равно диаметру серебряных или никелевых частиц, находящихся во взвешенном состоянии в растворе. Осаждение столь малых частиц возможно только с помощью поля, которое «притягивает» металл к подложке.

nano_01_2010_07.jpg Так, по предположениям исследователей, должны располагаться частицы металла при совместном осаждении из смеси коллоидных растворов

Путём правильного подбора режимов подачи напряжения, а также отношения концентраций растворов, можно реализовать нужную схему: осаждение слоя глобул SiO2, следом слой частиц никеля, далее снова слой глобул. После завершения процесса электрофореза в порах опаловой матрицы уже будет содержаться магнитный материал. Таким образом, за одну операцию получаем готовый к использованию нанокомпозит. Такой процесс позволяет повысить производительность, сэкономить время, а вдобавок – расширить область возможных вариаций параметров получаемых магнитных нанорешёток.

Ксения БЕСЕДИНА, студентка, МГТУ им. Баумана;

Екатерина БУЛЫГИНА, к.т.н., руководитель лаборатории, МГТУ им. Баумана

Опубликовано в NanoWeek,


Пожалуйста, оцените статью:
Ваша оценка: None Средняя: 4.8 (10 votes)
Источник(и):

Техника – молодёжи