автореферат диссертации по электронике, 05.27.03, диссертация на тему:Нанокомпозиты на основе опаловых матриц как фотонные среды

На правах рукописи

УДК 535 3

ООЗ172245

Цветков Михаил Юрьевич

НАНОКОМПОЗИТЫ НА ОСНОВЕ ОПАЛОВЫХ МАТРИЦ КАК ФОТОННЫЕ СРЕДЫ

Специальность 05 27 03 - Квантовая электроника

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Шатура-2008 г

Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук «Институт проблем лазерных и информационных технологий РАН» и ОАО «Центральный научно-исследовательский технологический институт «Техномаш» (Москва)

Научные руководители доктор физико-математических наук

профессор Самойлович М И

кандидат физико-математических наук Соколов В И

Официальные оппоненты доктор физико-математических наук

профессор Баграташвили В Н

доктор физико-математических наук профессор Горелик В С

Ведущая организация РНЦ «Курчатовский институт»

Защита состоится «26» июня 2008 г в 1430 на заседании Диссертационного совета Д 002 126 01 в Институте проблем лазерных и информационных технологий РАН (140700 г Шатура Московской области, ул Святоозерская, д 1)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИПЛИТ РАН

Автореферат разослан 2008 г

Ученый секретарь Диссертационного совета кандидат физ -мат наук, ст н сотр

Дубров В Д

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Применение электроники в системах связи, хранения и обраишки информации коренным образом изменило окружающий мир Однако уже в 60-х годах XX века встал вопрос о том, что физическая природа мира накладывает ограничения на размеры электронных приборов, и, следовательно, определяет физические ограничения на технологии обработки информации Это определило необходимость поиска альтернативных решений, которые обеспечили бы более плотную и более быструю информационную связь между логическими элементами К технологиям, способным существенно увеличить обрабатывающую мощность компьютеров, следует отнести молекулярные, атомные и биологические технологии, трехмерную схемотехнику, оптические технологии

Возможности использования света в обработке информации практически безграничны Однако для того, чтобы использовать подобные уникальные возможности, требуется разработка технологий создания устройств генерации, детектирования оптических сигналов, а также оптических логических элементов, управляемых светом Сегодня подобные исследования и разработки переходят в сферу нанофотоники, где, например, такие физические объекты как материалы с фотонной запрещенной зоной (фотонные кристаллы), функционируют в области размеров, сравнимых и даже меньше длины световой волны

Одними из наиболее перспективных технологий формирования подобных сред представляются направления, основанные на использовании механизмов самоорганизации, аналогичных действующим в биологических системах Оказалось, что природа уже создала материал с фотонно-кристаллическими свойствами, основанный на указанных принципах — благородный опал В результате длительных исследований и экспериментов, проводимых в различных лабораториях мира, разработаны различные методы получения данного минерала На сегодняшний день технология получения опаловых матриц с размерами "монокристальных" (а именно, регулярных высокоупорядоченных упаковок) областей до нескольких десятых долей кубического сантиметра наиболее полно разработана для диоксида кремния (8Ю2) Именно на такой основе впервые были получены действительно трехмерные нанокомпозиты с характерной наномасштабной структурой Подобные структуры обеспечивают материалам фотонные свойства и сформировали целую ветвь исследований в области опаловых фотонных кристаллов

Во всем мире активно ведутся работы в этой стремительно развивающейся области Число публикаций по методам получения и исследованию свойств фотонных кристаллов и, в частности, формируемых на основе опаловых матриц растет экспоненциально Технология изготовления искусственных ювелирных

опалов была разработана и в лаборатории профессора М И Самойловича во Всесоюзном научно-исследовательском институте синтеза минерального сырья, в Александрове Владимирской области На данной базе в ОАО «ЦНИТИ «Техномаш» были продолжены (и продолжаются в настоящее время) работы по созданию и исследованию опаловых матриц и опаловых нанокомпозитов для использования их в качестве фотонных, и не только фотонных, сред В Институте проблем лазерных и информационных технологий РАН исследования опаловых матриц и опаловых нанокомпозитов развиваются с целью создания принципиально новой компонентной базы для интегральных фотонных цепей

Цель работы

Целью настоящей работы являлась разработка и исследование перспективного для нанофотоники класса материалов, формируемых введением оптически активных элементов в межсферическое пространство опаловых матриц (решетчатых упаковок наносфер 8Ю2) Ожидается, что подобные нанокомпозиты позволят создавать оптические среды с перспективными характеристиками и функциональностью и откроют возможности для разработки новых поколений элементной базы микро- и оптоэлектроники

Для достижения поставленной цели потребовалось решить следующие задачи

Разработать процессы формирования фотонных нанокомпозитов с использованием различных технологий введения активных элементов в межсферическое пространство опаловых матриц

Провести всесторонние исследования влияния различных параметров (материальных, технологических и т п) на характеристики формируемых материалов, провести исследования фотолюминесценции полученных фотонных нанокомпозитов На этой основе решить проблему оптимизации характеристик опаловых нанокомпозитов для последующего использования их для разработки источников и усилителей оптического излучения

- Провести анализ путей возможного использования созданных материалов для разработки перспективной элементной базы микрооптики, волоконной и интегральной оптики

Научная новизна

1 Проведены исследования влияния материальных и технологических параметров на структуру и характеристики нанокомпозитов на основе опаловых матриц

2 На основе полученных данных разработаны технологии формирования фотонных материалов, создаваемых введением редкоземельных элементов в опаловые матрицы методом пропитки и золь-гель методом

Проведены исследования фотолюминесценции полученных нанокомпозитов на основе опаловых матриц

Проведена оптимизация параметров редкоземельных нанокомпозитов на основе опаловых матриц с целью использования их в качестве источников и

ПИтЛпот» лгттчиюлт/лгл тп П1 шаття } 1 VIIV!! ищи 1 I и хилу 1У1Ш/1

Предложены варианты использования созданных фотонных материалов при разработке перспективной элементной базы микро- и оптоэлектроники

Достоверность и обоснованность полученных результатов подтверждается систематическим характером проведенных исследований и разработок, использованием современных технологических и экспериментальных методов исследования, непротиворечивостью полученных экспериментальных результатов и их согласованностью с результатами других исследователей, созданием на основе разработанных опаловых нанокомпозитов прототипов новых фотонных компонентов

На защиту выносятся

1 Физические и технологические основы создания на основе опаловых матриц оптических сред, в которых имеет место существенное изменение процессов взаимодействия оптического излучения со средой, в первую очередь за счет усиления локальных электромагнитных полей и многократного рассеяния света

2 Перспективный для нанофотоники класс материалов - нанокомпозиты, формируемые введением в опаловые матрицы различными методами различных редкоземельных элементов Для создания нанокомпозитов применялись химические методы метод пропитки и золь-гель метод В качестве активных сред использовались несколько редкоземельных элементов эрбий, иттербий, неодим

3 Исследования строения и свойств разработанных нанокомпозитов с целью оптимизации их оптических параметров как источников оптического излучения Исследовано влияние введения УЬ в качестве сенсибилизатора для Ег на оптические свойства нанокомпозитов Показано, что в Ег-УЬ опаловых нанокомпозитах наблюдается конверсия излучения фотолюминесценции в видимую область спектра

4 Возможные пути создания на основе разработанных опаловых материалов новых типов фотонных компонентов для микрооптики, волоконной и интегральной оптики, экспериментально продемонстрированы прототипы подобных компонентов структуры с квази-ЗБ фотонной запрещенной зоной и лазеры на рассеивающих средах

Практическая ценность работы

1 Разработаны физико - химические методы формирования опаловых нанокомпозитов введением активных оптических сред в межсферическое пространство опаловых матриц Полученные данные позволили решить задачу создания перспективного для нанофотоники класса материалов на основе опаловых матриц, в которых существенно изменяются процессы взаимодействия оптического излучения с веществом

2 Рассмотрены и экспериментально продемонстрированы возможные подходы по созданию на основе разработанных нанокомпозитов новых типов фотонных компонентов для микрооптики, волоконной и интегральной оптики

Представленные в диссертации исследования выполнены по планам научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ ОАО ЦНИТИ "Техномаш" в соответствии с федеральной целевой программой "Национальная технологическая база" по темам ОКР "ФОТОН-А" "Разработка технологий промышленного производства поликристаллических алмазных пленок и создание на их основе многослойных и 3-х мерных структур для устройств связи, отображения и обработки информации" (2002 - 2004 годы) и НИОКР "НАНОМАГНИТ" "Разработка технологии и специального технологического оборудования для получения активных фотонных кристаллов на основе кубических упаковок наносфер диоксида кремния с заполнением межсферического пространства фотовольтаическими и магнитными материалами для применения в устройствах 3D фотоники и наноэлектроники" (2003 - 2005 годы) и другим

Апробация работы

Результаты работы докладывались и обсуждались на семинарах Кафедры оптики и спектроскопии МГУ им М В Ломоносова, Отделения перспективных лазерных технологий Института проблем лазерных и информационных технологий РАН, I и II Международных симпозиумах "Nano and Giga Challenges in Microelectronics" (Москва, 2002, Краков, Польша, 2004), Международных конференциях "Физика, химия и применение наноструктур" (Минск, 2003, 2005), Школе-семинаре "Материалы, оборудование и технологии наноэлектроники и микрофотоники" (Улан-Удэ, 2003), I и II Межрегиональных семинарах "Нанотехнологии и фотонные кристаллы" (Йошкар-Ола, 2003, Калуга, 2004), IX - XII Международных научно-технических конференциях "Высокие технологии в промышленности России (материалы и устройства электронной техники)" (Москва, 2003, 2004, 2005, 2006), Международной конференции "Nanostructured Thin Films and Nanodispersion Strengthened Coatings" (Москва, 2004), Международной конференции "Photonics Europe" (Страсбург, Франция, 2004), Конференции Европейского керамического общества "Nanoparticles, Nanostructures & Nanocomposites" (Санкт-Петербург, 2004), Международной конференции "Coherent and Nonlinear Optics " и "Lasers, Applications, and

Technologies (ICONO/LAT 2005)" (Санкт-Петербург, 2005), II Международной конференции " Advanced Optoelectronics and Lasers " (Ялта, Украина, 2005), IX Международной конференции "Laser and Laser-Information Technologies Fundamental Problems and Applications" и V Международном симпозиуме "Laser Technologies and Lasers" (ILLA/LTL'2006) (Smolyan, Bulgaria. 2006) XII Международной научной конференции "Физико-химические процессы при селекции атомов и молекул и в лазерных, плазменных и нано-технологиях" (Звенигород, 2008)

Публикации

Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 40 статьях в отечественных и зарубежных изданиях, материалах всероссийских и международных конференций и симпозиумов

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы из 180 наименований и приложений Приложения включают 2 комплекта технологической документации процессов формирования опаловых нанокомпозитов Работа содержит 119 страниц текста, включающих 3 таблицы и 38 рисунков

Лнчный вклад автора

В диссертации изложены результаты работ, которые были выполнены автором лично и в соавторстве Все результаты, составляющие научную новизну диссертации и выносимые на защиту, получены автором лично или при его определяющем участии

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность разработки и исследования опаловых матриц и нанокомпозитов на их основе как перспективных фотонных сред, рассматриваются возможности применения подобных фотонных структур для решения задач обработки все более возрастающих объемов информации Формулируется цель работы и задачи, решаемые для достижения поставленной цели, перечислены научные результаты, выносимые на защиту, показаны научная новизна исследования и его практическая ценность

В первой главе представлен обзор имеющихся на настоящее время публикаций по технологии, структуре и характеристикам опаловых матриц и опаловых нанокомпозитов Рассматриваются различные подходы при анализе опаловых структур в качестве перспективных фотонных сред

Опаловые матрицы (рис.1) представляют собой близкие по диаметру наносферы 8Ю2, размеры которых в различных образцах могут варьироваться от 200 до 400 нм, упакованные, как правило, в плотную гранецентрированную кубическую решетку. При этом регулярная упаковка наносфер 8Ю2 формирует трехмерную дифракционную решетку в оптическом диапазоне спектра и может быть охарактеризована как "оптический" или "фотонный" кристалл. Подобные упаковки содержат систему сообщающихся пор (межсферических пустот), которые занимают примерно четверть объема матрицы и могут быть частично или полностью заполнены различными материалами.

Рис.1. Электронно-микроскопические снимки опаловой матрицы.

В настоящее время рассматриваются различные варианты применения опаловых нанокомпозитов для разработки новых типов оптических элементов. Несмотря на то, что в опаловых матрицах не формируется полная фотонная запрещенная зона (ФЗЗ), введением различных материалов можно получить нанокомпозиты с усилительными, нелинейными и/или сенсорными свойствсши.

Во второй главе представлены разработанные в процессе проведения настоящей работы технологические процессы формирования опаловых нанокомпозитов за счет введения в опаловые матрицы наиболее интересных для средств оптической обработки информации редкоземельных элементов (эрбий, иттербий, неодим), реализованные различными технологическими методами

Одним из наиболее простых и широко применяемых способов введения различных химических элементов (и соединений) в опаловые матрицы является метод пропитки. Он получил широкое распространение и хорошо отработан при изготовлении легированных различными редкоземельными элементами оптических волокон. Метод основан на пропитке опаловой матрицы веществом-прекурсором с определенным химическим составом с последующей термообработкой, в процессе которой в межсферических пустотах опаловой матрицы формируется соответствующая химическая среда.

Вещества-прекурсоры должны обладать хорошей растворимостью в воде и переходить в оксиды при умеренных температурах термообработки. В качестве таких прекурсоров можно использовать растворимые соли металлов. В нашем случае применялись нитраты редких земель. Ход разложения нитратов можно представить следующей общей схемой (¿п - лантаноиды):

ЫкО,\ • хНгО—

В процессе пропитки водные растворы солей за счет капиллярного эффекта заполняют поры опаловой матрицы. Затем проводится термообработка, в процессе которой происходит частичное термическое разложение нитратогрупп и полностью удаляется несвязанная вода. В нашем случае термообработка проводилась в течение 1 часа в атмосфере окружающего воздуха при температуре 500°С. Данная процедура повторялась многократно с постепенным заполнением межсферического пространства опаловой матрицы оксидами редкоземельных элементов. Количество пропиток варьировалось в различных экспериментах до 30 и более.

Методами электронной микроскопии было проведено исследование степени заполнения пор опаловой матрицы редкоземельными элементами (рис.2). На первом этапе на поверхности наносфер диоксида кремния формируется тонкая пленка (толщиной до Юнм) оксидов редкоземельных элементов. Далее оксиды начинают постепенно заполнять межсферическое пространство опаловой матрицы в виде кластеров.

Рис.2. Электронно-микроскопические изображения опаловых матриц при малой (а) и большой (б) степени введения редкоземельных элементов в межсферические поры.

Окончательный отжиг образцов проводился при температурах от 700 до 1000°С в атмосфере окружающего воздуха в течение 1 часа. Нижний предел этого диапазона связан с необходимостью полного удаления гидроксильных групп и формирования оксидов редкоземельных элементов и определяется появлением фотолюминесценции. Верхний предел определялся возможностями имеющейся аппаратуры (печь отжига СНОЛ). Следует заметить, что при этих температурах (~ 1000°С) еще не наблюдается начала процессов "слипания" наносфер опаловой

матрицы и изменения структуры нанокомпозитов (контроль проводился с использованием электронной микроскопии)

Процесс получения опаловых матриц представляет собой разновидность золь-гель процесса Поэтому естественно встает вопрос о возможности введения редкоземельных элементов в процессе формирования опаловых матриц К сожалению, такой процесс реализовать не удается, что обусловлено рядом причин

Коллоидные 8Ю2 частицы могут быть сформированы реакциями катализа либо в кислотной, либо в щелочной (БиЛег) среде Реакция катализа в щелочной среде с использованием аммиака, этанола, воды и тетраэтоксисилана (ТЭОС) может быть проведена с получением сферических БЮг частиц с малой полидисперсностью размеров наносфер Однако, введение редкоземельных ионов путем растворения солей редкоземельных элементов в этаноле невозможно в реакции катализа в щелочной среде, поскольку редкоземельные ионы немедленно формируют нерастворимые гидроксиды редкоземельных элементов В то же время, при синтезе коллоидных наносфер диоксида кремния в кислотной среде имеет место существенная полидисперсность размеров, что не позволяет сформировать упорядоченные упаковки таких наносфер Исходя из этого, в настоящей работе для доращивания монодисперсных наносфер, сформированных в щелочной среде, использован процесс получения легированного редкоземельными элементами ЭЮг из золь-гель раствора, проводимый в кислотной среде, содержащей ТЭОС, уксусную кислоту и воду Технологические процедуры и условия при золь-гель процессе во многом повторяли технологии, использовавшиеся при пропитке

Ионы редкоземельных элементов вводились также в планарные структуры на основе опаловых матриц с использованием метода пропитки и золь-гель метода Были изготовлены различные серии образцов, отличающиеся как по толщине пленок, так и по концентрации заполнения

В третьей главе представлены результаты исследования фотолюминесценции нанокомпозитов, формируемых введением в опаловые матрицы различных редкоземельных элементов (Ег, УЬ, N<1) Рассматриваются проблемы оптимизации их характеристик в плане разработки новых типов источников оптического излучения

Ионы эрбия в опаловых матрицах (метод пропитки)

На сегодняшний день эрбий является основной средой для создания лазеров и усилителей в коммуникационно наиболее интересном 3-м окне прозрачности Ионы Ег3+ формируют трехуровневую систему и обеспечивают генерацию на переходе 41п/г —> 4115/2 в районе 1,5 мкм

Рис 3 Интенсивность (а) и кинетика люминесценции (б) ионов эрбия в опаловой матрице в зависимости от их концентрации при накачке полупроводниковым лазером с длиной волны излучения 980 нм (концентрация Ег3+ 1 - 0,5%, 2 - 1,5%,3 - 2%,4 - 4%)

Параметры люминесценции редкоземельных элементов существенно зависят от концентрации активных ионов и матрицы, в которой они находятся (рис 3) Исходя из технологических условий, в нашем случае в качестве матрицы, формирующей ближайшее окружение ионов Ег3+, оказалось удобным использовать оксид лантана Ионы Ьа не имеют электронов на оболочке и не оказывают влияния на происходящие оптические процессы В то же время, система Ег - Ьа может быть сформирована в едином технологическом процессе (из соответствующих нитратов) Проведено исследование интенсивности и кинетики люминесценции для данной системы Очевидно, что, несмотря на то, что с повышением концентрации интенсивность люминесценции растет, при превышении концентрации 2% начинается тушение люминесценции, что приводит к снижению времени жизни возбужденного состояния

Ег — УЬ опаловые панокомпозиты

При создании компактных фотонных приборов (микролазеров и микроусилителей) существенной является проблема эффективного использования энергии накачки и получения генерации (заданного усиления) в минимальных объемах активной среды В частности, для эрбиевых систем для данной цели предлагается использование различного типа сенсибилизаторов, из которых наиболее широко используемым является иттербий

В межсферическом пространстве опаловой матрицы была сформирована активная среда, содержащая ионы эрбия и иттербия Для исследования системы Ег-УЬ в качестве источника накачки использовался полупроводниковый лазер с длиной волны 960 нм Данная длина волны соответствует "хвосту" линии поглощения эрбия с центром 980 нм Поскольку, данная линия поглощения для эрбия узкая, а иттербий имеет в этом случае широкую линию поглощения, спонтанное излучение ионов эрбия имеет место не за счет непосредственной

накачки, а в условиях первоначального возбуждения ионов иттербия с последующей передачей возбуждения эрбию через процесс кросс-релаксации Продемонстрированы увеличение интенсивности и изменения спектров фотолюминесценции указанного нанокомпозита по мере возрастания числа пропиток

Учитывая возможный эффект концентрационного тушения люминесценции, была исследована люминесценция в тройной системе Ег-УЬ-Ьа Концентрация ионов эрбия здесь была выбрана близкой к оптимальной и составляла 2% Показаны соотношения интенсивностей люминесценции при изменении относительного содержания ионов иттербия и лантана, а также соответствующие временные соотношения Оптимальные параметры люминесценции получены при концентрации иттербия 4%

Существенное влияние на люминесценцию нанокомпозитов оказывает температура отжига активной среды, что связано с удалением по мере отжига гидроксильных групп, которые оказывают влияние на тушение люминесценции На рисунке 4 показано увеличение интенсивности люминесценции по мере увеличения температуры отжига, а также соответствующая кинетика люминесценции Отжиг проводился в течение 1 часа в атмосфере окружающей среды

Рис 4 Интенсивность (а) и кинетика люминесценции (б) Ег - УЬ опаловых нанокомпозитов при различных температурах отжига (1 - 1000°С, 2 - 900°С, 3 - 800°С, 4 - 700°С)

Преобразование ИК излучения в видимое

Существенным моментом, осложняющим создание лазерных систем на основе ионов эрбия и иттербия, являются нелинейные процессы, сопровождающие усиление в подобных системах при высоких концентрациях активной среды и/или высоких уровнях накачки взаимодействие активных ионов с преобразованием частоты вверх и поглощение из возбужденного состояния

Результатом данных процессов является преобразование ИК излучения в видимое В нашем случае, для Ег-УЬ опаловых нанокомпозитов, когда

интенсивность процессов взаимодействия оптического излучения с активной средой существенно возрастает, наблюдалось эффективное преобразование излучения в видимую область спектра При накачке мощным полупроводниковым лазером (мощность накачки ~ 8 Вт) наблюдалась люминесценция в зеленой, красной и желтой областях спектра (рис 5)

Рис 5 Люминесценция Ег - УЬ опалового нанокомпозита в видимой области спектра при возбуждении излучением с длиной волны 980 им

Необходимо заметить, что данные процессы являются паразитными для генерации и усиления в ИК области спектра и обязательно должны учитываться при создании компактных фотонных приборов В то же время, для некоторых применений (в частности, при создании визуализаторов ИК излучения) существует проблема преобразования ИК излучения в видимое и она может быть эффективно решена с использованием опаловых нанокомпозитов

В четвертой главе рассматриваются возможности использования опаловых матриц и опаловых нанокомпозитов для разработки перспективной компонентной базы микрооптики, интегральной и волоконной оптики На основе экспериментальных и теоретических данных (в том числе, полученных в диссертации) предлагаются конкретные решения и возможные пути продолжения (и расширения) работ по формированию компонентной базы оптики на основе опаловых фотонных сред

Анализ показывает, что вне полной фотонной запрещенной зоны имеется возможность формирования на базе опаловых матриц нанокомпозитов с усилительными, нелинейными и/или сенсорными свойствами Требования на «идеальность» для подобных структур существенно снижены и вполне реализуемы при современном состоянии технологии, а разработанные к настоящему времени методы легирования опаловых матриц различными химическими элементами, а также формирования инверсных опалов, открывают пути к созданию разнообразных фотонных компонентов

100С.

И если характеристики "классических" оптических материалов определяются средой, формирующей объем материала, то в случае, когда размеры неоднородностей среды сопоставимы или менее длины волны оптического излучения, определяющими становятся процессы, происходящие на границе раздела компонентов среды При переходе к фотонным системам характеристики среды претерпевают изменения, значительно возрастает эффективность взаимодействия оптического излучения с веществом, появляются новые оптические эффекты При этом наиболее существенными представляются две группы процессов

1 Усиление локальных электромагнитных полей, которые формируются на границе раздела компонентов нанокомпозитной среды и определяются их размерами, формой и степенью упорядоченности

2 Многократное рассеяние света в нанокомпозитной среде, которое определяется плотностью и упорядоченностью рассеивателей (т е опять-таки границ раздела компонентов среды) и приводит к различным типам локализации света и модификации спонтанного и вынужденного излучения (random lasers) в подобных нанокомпозитах

Структуры на основе опаловых матриц с квази-ЗИ фотонной

запрещенной зоной

Известно, что для формирования полной фотонной запрещенной зоны (реализующей запрет распространения излучения в полном телесном угле) в средах на основе опаловых матриц необходимо обеспечить достаточно высокий контраст показателя преломления в нанокомпозите, превышающий 2 8 В опаловых матрицах (в исходном состоянии) контраст показателя преломления S1O2 - воздух не превышает 1 45 Поэтому, полная фотонная запрещенная зона в подобных структурах формируется только в пределах 8% полного телесного угла дифракции

Данная ситуация позволяет рассмотреть возможность создания на основе опаловых матриц различных оптических компонентов для волноводных систем Подобный подход определяется тем, что на настоящее время не существует технологий и материалов (например, кремниевых), с использованием которых можно было бы решить все задачи обработки информации в волоконной и интегральной оптике Соответственно, выдвигается и активно развивается концепция создания "интегральных фотонных цепей"

Основной передающей средой в фотонике являются оптические волокна, как многомодовые, так и одномодовые, в зависимости от решаемых задач Увеличение потоков передаваемой информации и усложнение архитектуры коммуникационных сетей выдвигают настоятельную потребность постепенного перехода к обработке указанных громадных объемов информации оптическими методами Данные задачи предполагается решать с использованием различного

типа оптических волноводов с включением в их состав разнообразных активных элементов И в качестве таких элементов могут использоваться опаловые матрицы и формируемые на их основе нанокомпозиты При размещении опаловой структуры в разрыве или торце волноводной линии формируется система с "квази-ЗЭ" фотонной запрещенной зоной

675 700 725 74) Длина ваты, нч

600 700 800 900 1 000 1100 1200 1 300 1400 И00 Дшгаа волны, нм

Рис 7 Спектры отражения (а) и пропускания (6) опаловой матрицы в разрыве волоконной линии

Для проверки данной концепции были проведены измерения пропускания и отражения опаловых матриц, помещенных в разрыв волоконной линии Характерные спектры отражения и пропускания представлены на рисунке 7 Если говорить об опаловых матрицах, то в данном контексте они могут рассматриваться как аналоги брегговских решеток Если же обратить внимание на опаловые нанокомпозиты, тогда, по мере удаления от фотонной запрещенной зоны, образцы начинают вести себя как рассеивающие среды с все более уменьшающимся коэффициентом потерь На этой основе могут формироваться разнообразные компоненты "интегральных фотонных цепей"

Лазерная генерация в опаловых нанокомпозитах

Безрезонаторная генерация в рассеивающей усиливающей среде была предложена ВСЛетоховым в 1967 г и впервые осуществлена на порошках кристаллов, содержащих редкоземельные ионы

Опаловые матрицы (в том числе, со слабой степенью монодоменности) являются перспективным объектом для подобных исследований Опаловая матрица вне фотонной запрещенной зоны представляет собой эффективный диффузный рассеиватель света Когда, в такую систему, вводится активная среда с усилением, достаточным для компенсации потерь хотя бы для одной из мод -формируется лазер на рассеивающей среде Эксперименты, проведенные в лаборатории профессора Ъ V Уагс!епу, продемонстрировали возможность создания в таких системах новых типов оптического излучения В настоящей

работе представлены результаты исследования люминесценции красителя Оксазин 17 в опаловой матрице при возбуждении второй гармоникой (Лг = 531нм) импульсного вОО N<1 лазера (длительность 15 нс, частота повторения импульсов 12,5 Гц)

е.-

Длин» волны км

Рис 8 Фотолюминесценция красителя оксазин 17 (а) оксазин в этиловом спирте, (б) раствор оксазина в этиловом спирте, введенный в опаловую матрицу

Д111НЯ ВОЛНЫ нм

Рис 9 Спектр направленного излучения раствора красителя Оксазин 17 в опаловой матрице (а) а = 70°, (б) а = 75°

Краситель Оксазин 17 растворялся в этиловом спирте (10"3 М) Полученный раствор заливался в кварцевую кювету толщиной <1=5 мм, куда помещалась опаловая матрица На рисунке 8 представлены спектры люминесценции красителя Оксазин 17 в этиловом спирте (а), а также раствора этого же красителя, введенного в опаловую матрицу (б) При малых интенсивностях возбуждения и угле а = 45" относительно нормали к поверхности образцов спектры люминесценции имеют в обоих случаях широкую полосу, характерную для красителя Оксазин 17 в растворе этилового спирта При увеличении угла накачки до 70° и повышении плотности мощности накачки в импульсе вплоть до 0,7 МВт/см2 происходит резкое сужение спектра люминесценции и появление в спектре узких линий (рис 9) Излучение становится существенно направленным, при этом формируется пучок вдоль плоскости роста опаловой пластинки Речь идет о возникновении вынужденного излучения на частично упорядоченной рассеивающей среде

Основные результаты работы

1 Разработаны методы формирования опаловых нанокомпозитов введением активных оптических сред в межсферическое пространство опаловых матриц Для создания нанокомпозитов использовались химические методы метод пропитки и золь-гель метод В качестве активных сред использовались несколько редкоземельных элементов эрбий, иттербий, неодим

2 Проведены исследования строения и свойств созданных материалов с целью оптимизации их параметров как перспективных источников оптического

излучения Исследовано влияние введения Yb в качестве сенсибилизатора для Ег на оптические свойства нанокомпозитов Показано, что имеет место конверсия излучения фотолюминесценции в видимую область, что свидетельствует о существенном вкладе нелинейных процессов в люминесценцию нанокомпозитов

3 Показано, что полученные нанокомпозиты представляют собой класс оптических материалов, в которых имеет место существенное изменение процессов взаимодействия оптического излучения со средой, в первую очередь за счет усиления локальных электромагнитных полей и многократного рассеяния света

4 Рассмотрены возможные подходы по созданию на основе разработанных нанокомпозитов новых типов фотонных компонентов для микрооптики, волоконной и интегральной оптики и экспериментально продемонстрированы прототипы подобных компонентов структуры с квази-30 фотонной запрещенной зоной и лазеры на рассеивающих средах

Материалы диссертации изложены в следующих основных

публикациях-

В рецензируемых научных журналах опубликованы следующие

1 Самойлович М И , Клещева С М , Белянин А Ф , Житковский В Д , Цветков М Ю Трехмерные нанокомпозиты на основе упорядоченных упаковок наносфер кремнезема // Микросистемная техника - 2004 - № 6 -С 3-7, №7 - С 2-11, №8 - С 9-17

2 Tsvetkov М Yu, Kleshcheva S М , Samoilovich М I, Gaponenko N V , Shushunov A N Erbium photoluminescence in opal matrix and porous anodic alumina nanocomposites // Microelectronic Engineering - 2005 - Vol 81, №2-4 - P 273-280

3 Самойлович M И , Цветков M Ю Редкоземельные опаловые нанокомпозиты для нанофотоники // Нано- и микросистемная техника - 2006, №10 - С 8-14

Кроме того, основное содержание диссертации представлено также в

следующих работах

4 Samoilovich М I, Tsvetkov М Yu, Kleshcheva S М , Guryanov А V , Chiginnsky Yu I, Gaponenko N V , Ivleva L I, Belyamn A F Erbium luminescence in 3D- and 2D-mesoporous matrices // Proc SPIE - 2004 -Vol 5450 -P 508-515

5 Tsvetkov M Yu, Samoilovich M I, Kleshcheva S M , Klyuchnik N T Opal photonic crystals as fiber components //Proc SPIE -2006 - Vol 6258

6 Алимов О К , Басиев Т Т , Орловский Ю В , Осико В В , Самойлович М И, Цветков М Ю От люминесценции к вынужденному излучению красителя Оксазин 17 в опаловой матрице // Высокие технологии в промышленности России (материалы и устройства функциональной электроники и микрофотоники) Материалы XII Международной научно-технической конференции Под ред Белянина А Ф , Житковского В Д, Самойловича МИМ ОАО ЦНИТИ "Техномаш" 2006 с 69-73

7 Клещева С М , Самойлович М И , Цветков М Ю Люминесценция редкоземельных элементов в опаловых нанокомпозитах // Наноматериалы III Фотонные кристаллы и нанокомпозиты на основе опаловых матриц Коллективная монография Под ред Профессора М И Самойловича М ОАО ЦНИТИ «Техномаш», 2007, с 27-40

Подписано в печать 16 05 2008 г Формат 60x84/16 Печ л 1 Тираж 100 экз Заказ 1596

Издательство «Тровант» ЛР 071961 от 01 09 1999 г

Отпечатано с готового оригинал-макета в типографии издательства «Тровант» 142191, г Троицк Московской обл , м-н «В», д 52 Тел (495)334-09-67,(4967)50-21-81 E-mail tKiv ml'iijUv ru, http www irovani tu

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1 ОПАЛОВЫЕ МАТРИЦЫ И ОПАЛОВЫЕ

НАНОКОМПОЗИТЫ: ТЕХНОЛОГИЯ, СТРУКТУРА, ХАРАКТЕРИСТИКИ (АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР).

1.1. Основы технологии опаловых матриц.

1.1.1. Кубические упаковки наносфер 8Ю2 (опаловые матрицы).

1.1.2. Планарные опаловые структуры.

1.2. Опаловые матрицы: идеальные и реальные.

1.3. Опаловые нанокомпозиты.

ГЛАВА 2 МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫХ

ОПАЛОВЫХ НАНОКОМПОЗИТОВ.

2.1 Метод пропитки.

2.2 Золь-гель метод.

2.3 Планарные опаловые структуры.

2.4 Выводы по главе 2.

ГЛАВА 3 ИССЛЕДОВАНИЕ ФОТОЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ

РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ В ОПАЛОВЫХ МАТРИЦАХ.

3.1 Методы исследования опаловых матриц и опаловых нанокомпозитов.

3.2 Фотолюминесценция эрбия в опаловых матрицах.

3.3 Ег — УЬ опаловые нанокомпозиты.

3.3.1. Оптимизация параметров.

3.3.2. Преобразование ИК излучения в видимое.

3.4 Фотолюминесценция неодима и иттербия в опаловых матрицах.

3.5 Выводы по главе 3.

ГЛАВА 4 ОПАЛОВЫЕ НАНОКОМПОЗИТЫ ДЛЯ ФОТОНИКИ.

4.1 Опаловые нанокомпозиты вне фотонной запрещенной зоны. Физические и технологические аспекты.

4.2 Структуры на основе опаловых матриц с квази-ЗБ фотонной запрещенной зоной.

4.3 Лазерная генерация в опаловых нанокомпозитах.

4.3.1. Экспериментальная установка и методика проведения эксперимента.

4.3.2. Экспериментальные результаты и их обсуждение.

4.4 Выводы по главе 4.

Актуальность темы

Современный мир характеризуется стремительным развитием в самых разнообразных сферах. И в то же время, эксперты, как правило, определяют краеугольные направления развития, определяющие прогресс человечества в целом. В этом контексте наше общество характеризуется все большим объемом обрабатываемой информации, и XXI век уже сейчас называют веком информационных технологий.

Применение электроники в системах связи, хранения и обработки информации коренным образом изменило окружающий мир. Создание транзисторов знаменовало собой революцию в твердотельной электронике, а появление планарных интегральных схем дало толчок продолжающемуся и сегодня процессу неуклонной миниатюризации электронных компонентов и стремительного роста возможностей обработки информации. В настоящее время разнообразные электронные системы увеличивают сумму человеческого знания, хранят и обрабатывают эти знания, открывают новые возможности в промышленности и других сферах человеческой деятельности, создают новые рабочие места, коренным образом меняют быт и духовный мир человека.

Однако уже в 60-х годах XX века встал вопрос о том, что физическая природа мира накладывает ограничения на размеры электронных приборов, а, следовательно, определяет физические ограничения на технологии обработки информации [1]. Вскоре после становления интегральной технологии Гордон Мур (Gordon Moore) [2] сформулировал свой знаменитый закон, согласно которому число электронных компонентов, расположенных на микрочипе, удваивается каждые 1,5-2 года. Хотя эта тенденция, по оценкам специалистов фирмы Intel [3], может продолжаться в течение ближайшего десятилетия, предел скорости, с которой интегральные схемы могут работать, скоро будет достигнут.

Таким образом, микроэлектроника в настоящее время неминуемо приближается к принципиальным пределам своих возможностей и, скорее всего, не сможет гарантировать дальнейший прогресс в информационных технологиях. Поэтому необходимо искать альтернативные решения, обеспечивающие более плотную и более быструю информационную связь между логическими элементами. К технологиям, способным существенно увеличить обрабатывающую мощность компьютеров, следует отнести молекулярные, атомные и биологические технологии, трехмерную схемотехнику, оптические технологии.

На сегодняшний день волоконная оптика практически революционизировала системы дальней связи, и сейчас разрабатываются системы, способные передавать информацию со скоростью до 160 Гбит/сек с числом каналов передачи по одному волокну, доходящим до 1000. Наступает эра терабитных оптических технологий передачи информации [4].

Однако это только начало широкого использования оптики для информационных технологий. Возможности использования света в обработке информации практически безграничны. Для того чтобы использовать эти уникальные возможности, необходимо разработать соответствующие технологии создания устройств генерации, детектирования оптических сигналов, а также оптических логических элементов, управляемых светом. Элементарная оптическая ячейка должна потреблять минимальное количество энергии, быть интегрируемой в большие массивы подобных ячеек и иметь возможность связи с большим числом элементов.

Предполагается, что в дальнейшем в указанной области все более существенную роль будут играть фотонные приборы, созданные на основе интегральной оптики [5], а также гибридные системы с использованием микролазеров и других микрооптических элементов. Сегодня подобные исследования и разработки переходят в сферу нанофотоники [6], где, например, такие физические объекты как фотонные кристаллы [7,8]*, функционируют в области размеров, сравнимых и даже меньше длины световой волны.

Причем прогресс в создании перспективной элементной базы фотоники во многом определяется возможностями использующихся для этого материалов. Если раньше многочисленные разработки в данном направлении, чаще всего, основывались на «классических», давно известных материалах, то для последнего времени характерен переход к материалам с фотонными свойствами. Предполагается, что новые типы материалов откроют путь к получению новых свойств и функциональности, недосягаемых для встречающихся в природе и ранее использовавшихся материалов. Ожидается, что данный подход приведет к существенной модификации процессов взаимодействия оптического излучения с веществом, в частности, за счет многократного рассеяния света и появления новых размерных и кваптово-оптических эффектов [10].

Несмотря на то, что за счет использования различных видов литографии, методов сканирующей туннельной микроскопии удалось добиться выдающихся результатов по созданию различных новых фотонных сред, одними из наиболее перспективных технологий формирования подобных сред представляются направления, основанные на использовании механизмов самоорганизации, аналогичных действующим в биологических системах.

Если говорить о фотонных кристаллах, то оказалось, что природа уже создала материал с фотонно-кристаллическими свойствами, основанный на этих принципах - это благородный опал [11]. Благородный опал является

Следует заметить, что впервые на возможность формирования разрешенных и запрещенных фотонных зон было обращено в работах Быкова В.П. [9]. драгоценной разновидностью обширного семейства опалов и выделяется характерной игрой цвета в различных частях видимой области спектра. Это один из наиболее дорогих ювелирных камней, известных человеку с глубокой древности. Исключительная редкость в совокупности с красотой и популярностью определяет высокую стоимость камня. С помощью электронной микроскопии установлено, что благородные опалы сложены однородными по размеру частицами кремнезема почти сферической формы с диаметром от 150 до 450 нм, пространство между которыми заполнено аморфным кремнеземом. Промышленные месторождения благородного опала имеются лишь в Австралии, для которой поставки этого драгоценного камня на мировой рынок - важнейший источник валюты.

В результате длительных исследований и экспериментов, проводимых в различных лабораториях мира, разработаны различные методы получения этого минерала. Данные технологии охватывают широчайший диапазон материалов и процедур синтеза. Упаковки сферических частиц формируются из различных материалов, как неорганических [12], так и органических [13]. На сегодняшний день технология получения опаловых матриц с размерами "монокристальных" (то есть регулярных высокоупорядоченных упаковок) областей до нескольких десятых долей кубического сантиметра наиболее полно разработана для диоксида кремния (ЗЮг). Именно на этой основе впервые были получены действительно трехмерные нанокомпозиты с характерной наномасштабной структурой. Подобные структуры обеспечивают материалам фотонные свойства и сформировали целую ветвь исследований в области опаловых фотонных кристаллов [14-16].

Во всем мире активно ведутся работы в этой стремительно развивающейся области. Число публикаций в области фотонных кристаллов и, в частности, формируемых на основе опаловых матриц растет экспоненциально (рис.1) [17]. Среди многочисленных лабораторий, в которых ведутся работы по разработке опаловых матриц и опаловых нанокомпозитов, а также исследования и разработки по созданию на этой основе новых фотонных сред и приборов, хотелось бы выделить Photonic Crystals Group of Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid (CSIC) (Spain) [18], Photonic Nanostructure Group at the University College Cork of the Tydnall National Institute (Ireland) [19], University of Toronto (Canada) [20] и другие. Все это подтверждает актуальность работ, проводимых в этом направлении.

No.Pubs

Рис. 1. Рост числа публикации в области фотонных кристаллов [17].

В нашей стране уже много лет исследованиями опалов занимаются в Институте минералогии и петрографии СО РАН в Новосибирске под руководством профессора Д.В.Калинина [11]. Значительное количество работ по созданию и исследованию новых фотонных сред на основе опаловых матриц и опаловых нанокомпозитов выполнено в Физико-техническом институте им. А.Ф.Иоффе РАН (В.Н.Богомолов, В.Г.Голубев, А.А.Каплянский и др.), а также сотрудниками института, которые трудятся ныне в различных лабораториях мира (Ю.А.Власов (IBM TJ Watson Research Center), С.Г.Романов (Photonic Nanostructure Group at the University College Cork of the Tydnall National Institute (Ireland)) и др.) [21]. Подобные работы проводятся также в настоящее время в Физическом институте им. П.Н.Лебедева РАН, Институте общей физики им. А.М.Прохорова РАН, Институте общей и неорганической химии им. Н.С.Курнакова РАН, Московском государственном университете им. М.В.Ломоносова,

Московском государственном техническом университете им. Н.Э.Баумана (Москва), Институте физики твердого тела РАН (Черноголовка), Институте проблем технологии микроэлектроники РАН (Черноголовка), Институте молекулярной и атомной физики АН Республики Беларусь, Белорусском государственном университете информатики и радиоэлектроники (Минск) и др.

Технология изготовления искусственных ювелирных опалов была разработана и в лаборатории профессора М.И.Самойловича во Всесоюзном научно-исследовательском институте синтеза минерального сырья, в Александрове Владимирской области (рис.2а) [22]. На этой базе, уже в Центральном научно-исследовательском технологическом институте «Техномага», были продолжены и продолжаются в настоящее время работы по созданию и исследованию опаловых матриц и опаловых нанокомпозитов для использования их в качестве фотонных, и не только фотонных, сред (рис.26) [ 15,23]. В Институте проблем лазерных и информационных технологий РАН исследования опаловых матриц и опаловых нанокомпозитов развиваются с целью создания принципиально новой компонентной базы для интегральных фотонных цепей [24].

4Ь

Рис.2. Фотографии искусственных опалов, изготовленных в лабораториях профессора Самойловича М.И.: (а) искусственные ювелирные опалы (ВНИИСИМС, г. Александров Владимирской области) н (б) опаловые матрицы (ОАО «ЦНИТИ»Техномаш», г.Москва).

Цель работы

Целью настоящей работы являлась разработка и исследование перспективного для нанофотоники класса материалов, формируемых введением оптически активных элементов в межсферическое пространство опаловых матриц (решетчатых упаковок наносфер 8102). Ожидается, что подобные нанокомпозиты позволят создавать оптические среды с перспективными характеристиками и функциональностью и откроют возможности для разработки новых поколений элементной базы микро- и оптоэлектроники.

Для достижения поставленной цели потребовалось решить следующие задачи:

Разработать процессы формирования фотонных нанокомпозитов с использованием различных технологий введения активных элементов в межсферическое пространство опаловых матриц.

- Провести всесторонние исследования влияния различных параметров (материальных, технологических и т.п.) на характеристики формируемых материалов; провести исследования фотолюминесценции полученных фотонных нанокомпозитов. На этой основе решить проблему оптимизации характеристик опаловых нанокомпозитов для последующего использования их для разработки источников и усилителей оптического излучения.

- Провести анализ путей возможного использования созданных материалов для разработки перспективной элементной базы микрооптики, волоконной и интегральной оптики.

Научная новизна

1. Проведены исследования влияния материальных и технологических параметров на структуру и характеристики нанокомпозитов на основе опаловых матриц.

2. На основе полученных данных разработаны технологии формирования фотонных материалов, создаваемых введением редкоземельных элементов в опаловые матрицы методом пропитки и золь-гель методом.

3. Проведены исследования фотолюминесценции полученных нанокомпозитов на основе опаловых матриц.

4. Проведена оптимизация параметров редкоземельных нанокомпозитов на основе опаловых матриц с целью использования их в качестве источников и усилителей оптического излучения.

5. Предложены варианты использования созданных фотонных материалов при разработке перспективной элементной базы микро- и оптоэлектроники.

Достоверность и обоснованность полученных результатов подтверждается систематическим характером проведенных исследований и разработок; использованием современных технологических и экспериментальных методов исследования; непротиворечивостью полученных экспериментальных результатов и их согласованностью с результатами других исследователей; созданием на основе разработанных опаловых нанокомпозитов прототипов новых фотонных компонентов.

На защиту выносятся

1. Физические и технологические основы создания на основе опаловых матриц оптических сред, в которых имеет место существенное изменение процессов взаимодействия оптического излучения со средой, в первую очередь за счет усиления локальных электромагнитных полей и многократного рассеяния света.

2. Перспективный для нанофотоники класс материалов - нанокомпозиты, формируемые введением в опаловые матрицы различными методами различных редкоземельных элементов. Для создания нанокомпозитов применялись химические методы: метод пропитки и золь-гель метод. В качестве активных сред использовались несколько редкоземельных элементов: эрбий, иттербий, неодим.

3. Исследования строения и свойств разработанных нанокомпозитов с целью оптимизации их оптических параметров как источников оптического излучения. Исследовано влияние введения УЬ в качестве сенсибилизатора для Ег на оптические свойства нанокомпозитов. Показано, что в Ег-УЬ опаловых нанокомпозитах наблюдается конверсия излучения фотолюминесценции в видимую область спектра.

4. Возможные пути создания на основе разработанных опаловых материалов новых типов фотонных компонентов для микрооптики, волоконной и интегральной оптики; экспериментально продемонстрированы прототипы подобных компонентов: структуры с квази-ЗБ фотонной запрещенной зоной и лазеры на рассеивающих средах.

Практическая ценность работы

1. Разработаны физико - химические методы формирования опаловых нанокомпозитов введением активных оптических сред в межсферическое пространство опаловых матриц. Полученные данные позволили решить задачу создания перспективного для нанофотоники класса материалов на основе опаловых матриц, в которых существенно изменяются процессы взаимодействия оптического излучения с веществом.

2. Рассмотрены и экспериментально продемонстрированы возможные подходы по созданию на основе разработанных нанокомпозитов новых типов фотонных приборов для микрооптики, волоконной и интегральной оптики.

Представленные в диссертации исследования выполнены по планам научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ ОАО ЦНИТИ "Техномаш" в соответствии с федеральной целевой программой "Национальная технологическая база" по темам: ОКР "ФОТОН-А" "Разработка технологий промышленного производства поликристаллических алмазных пленок и создание на их основе многослойных и 3-х мерных структур для устройств связи, отображения и обработки информации" (2002 - 2003 годы) и ЫИОКР "НАЫОМАГНИТ" "Разработка технологии и специального технологического оборудования для получения активных фотонных кристаллов на основе кубических упаковок наносфер диоксида кремния с заполнением межсферического пространства фотовольтаическими и магнитными материалами для применения в устройствах ЗБ фотоники и наноэлектроники" (2003 - 2006 годы) и другим.

Апробация работы

Результаты работы докладывались и обсуждались на семинарах Кафедры оптики и спектроскопии МГУ им. М.В.Ломоносова, Отдела перспективных лазерных технологий Института проблем лазерных и информационных технологий РАН; I и II Международных симпозиумах "Nano and Giga Challenges in Microelectronics" (Москва, 2002; Краков, Польша, 2004); Международных конференциях "Физика, химия и применение наноструктур" (Минск, 2003, 2005); Школе-семинаре "Материалы, оборудование и технологии наноэлектроники и микрофотоники" (Улан-Удэ, 2003); I и II Межрегиональных семинарах "Нанотехнологии и фотонные кристаллы" (Йошкар-Ола, 2003; Калуга, 2004); IX - XII Международных научно-технических конференциях "Высокие технологии в промышленности России (материалы и устройства электронной техники)" (Москва, 2003, 2004, 2005, 2006); Международной конференции "Nanostructured Thin Films and Nanodispersion Strengthened Coatings" (Москва, 2004); Международной конференции "Photonics Europe" (Страсбург, Франция, 2004); Конференции Европейского керамического общества "Nanoparticles, Nanostructures & Nanocomposites" (Санкт-Петербург, 2004); Международной конференции "Coherent and Nonlinear Optics " и "Lasers, Applications, and Technologies (ICONO/LAT 2005)" (Санкт-Петербург, 2005); II Международной конференции " Advanced Optoelectronics and Lasers " (Ялта, Украина, 2005), IX Международной конференции "Laser and LaserInformation Technologies: Fundamental Problems and Applications" и V Международном симпозиуме "Laser Technologies and Lasers" (ILLA/LTL'2006) (Smolyan, Bulgaria, 2006), XII Международной научной конференции "Физико-химические процессы при селекции атомов и молекул и в лазерных, плазменных и нано-технологиях" (Звенигород, 2008).

Публикации

Результаты опубликованы в 40 статьях в отечественных и зарубежных изданиях, материалах всероссийских и международных конференций и симпозиумов [25-64], основными из которых являются следующие:

1. Самойлович М. И., КлещеваС. М., БеляшшА. Ф., Житковский В. Д., Цветков М. 10. Трехмерные нанокомпозиты на основе упорядоченных упаковок наносфер кремнезема // Микросистемная техника. - 2004. -№ 6. - С.3-7; №7. - С.2-11; №8. - С.9-17.

2. Tsvetkov М. Yu, Kleshcheva S. М., Samoilovich М. I., Gaponenko N. V., Shushunov A. N. Erbium photoluminescence in opal matrix and porous anodic alumina nanocomposites // Microelectronic Engineering. - 2005. -Vol.81, №2-4. - P.273-280.

3. Самойлович M. И., Цветков M. Ю. Редкоземельные опаловые нанокомпозиты для нанофотоники // Нано- и микросистемная техника. -2006, №10. - С.8-14.

4. Samoilovich М. I., Tsvetkov М. Yu, Kleshcheva S. М., Guryanov А. V., Chigirinsky Yu. I., Gaponenko N. V., IvlevaL. I., BelyaninA. F. Erbium luminescence in 3D- and 2D-mesoporous matrices // Proc. SPIE. - 2004. -Vol.5450. -P.508-515.

5. Tsvetkov M. Yu, Samoilovich M. I., Kleshcheva S. M., Klyuchnik N. T. Opal photonic crystals as fiber components. //Proc. SPIE. - 2006. - Vol.6258.

6. Алимов О. К., Басиев Т. Т., Орловский Ю. В., Осико В. В., Самойлович М. И., Цветков М. Ю. От люминесценции к вынужденному излучению красителя Оксазин 17 в опаловой матрице. // Высокие технологии в промышленности России (материалы и устройства функциональной электроники и микрофотоники). Материалы XII Международной научно-технической конференции. Под ред. Белянина А. Ф., Житковского В. Д., Самойловича М. И. М.: ОАО ЦНИТИ "Техномаш". 2006. с. 69 - 73.

7. Клещева С. М., Самойлович М. И., Цветков М. Ю. Люминесценция редкоземельных элементов в опаловых нанокомпозитах // Наноматериалы. Ш. Фотонные кристаллы и нанокомпозиты на основе опаловых матриц. Коллективная монография. Под ред. Профессора М.И.Самойловича. М.: ОАО ЦНИТИ «Техномаш», 2007, с. 27 -.40.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы из 180 наименований и приложений. Приложения включают 2 комплекта технологической документации процессов формирования опаловых нанокомпозитов. Работа содержит 119 страниц текста, включающих 3 таблицы и 38 рисунков.

4.4 Выводы по главе 4

Рассмотрено современное состояние работ в области технологии опаловых фотонных структур. Обращено внимание на возможность формирования на базе опаловых матриц нанокомпозитов с усилительными, нелинейными и/или сенсорными свойствами, работающих вне фотонной запрещенной зоны и использования их для разработки перспективной компонентной базы микрооптики, интегральной и волоконной оптики. Экспериментально продемонстрированы прототипы таких приборов:

1. структуры с квази ЗБ фотонной запрещенной зоной;

2. лазеры на рассеивающих средах.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Потребности развития современных оптических средств хранения, передачи и обработки информации вызывают насущную потребность перехода от "классических" оптических сред к фотонным средам (фотонным материалам), где основную роль начинают играть процессы взаимодействия оптического излучения со средой на границах компонентов среды. Такой подход приводит к существенной модификации оптических характеристик материалов и, в частности, к значительному увеличению оптического отклика среды, что открывает возможности для существенного прогресса по пути создания перспективных приборов для телекоммуникаций и других отраслей современного многообразного мира. В настоящей работе представлены некоторые из направлений, которые могут привести к созданию подобных материалов и новых типов фотонных приборов:

1. Разработаны методы формирования опаловых нанокомпозитов введением активных оптических сред в межсферическое пространство опаловых матриц. Для создания нанокомпозитов использовались химические методы: метод пропитки и золь-гель метод. В качестве активных сред использовались несколько редкоземельных элементов: эрбий, иттербий, неодим.

2. Проведены исследования строения и свойств созданных материалов с целью оптимизации их параметров как перспективных источников оптического излучения. Исследовано влияние введения УЬ в качестве сенсибилизатора для Ег на оптические свойства нанокомпозитов. Обращено внимание на существенный вклад нелинейных процессов в люминесценцию нанокомпозитов, что приводит к конверсии излучения в видимую область спектра.

3. Показано, что полученные нанокомпозиты представляют собой новый класс оптических материалов, в которых имеет место существенное изменение процессов взаимодействия оптического излучения со средой, в первую очередь за счет формирования локальных электромагнитных полей и многократного рассеяния света.

4. Рассмотрены возможные подходы по созданию на основе разработанных нанокомпозитов новых типов фотонных приборов для микрооптики, волоконной и интегральной оптики и экспериментально продемонстрированы прототипы таких приборов: структуры с квази ЗО фотонной запрещенной зоной и лазеры на рассеивающих средах.

БЛАГОДАРНОСТИ

Автор считает приятным долгом выразить благодарность и искреннюю признательность своим научным руководителям заведующему лабораторией ОАО «ЦНИТИ «Тсхномаш» д.ф.-м.н., профессору Самойловичу М.И. pi заведующему лабораторией ИТТЛИТ РАН к.ф.-м.н. Соколову В.И. за постоянное внимание, творческое участие и поддержку настоящей работы; коллегам, совместно с которыми были получены экспериментальные результаты, нашедшие отражение в диссертации: д.ф.-м.н. Гапоненко Н.В., д.ф.-м.н. Орловскому Ю.В., к.ф.-м.н. Алимову O.K., к.г-м.н. Клещевой С.М., к.ф.-м.н. Мельнику H.H., к.ф.-м.н. Охримчуку А.Г., к.т.н. Ключнику Н.Т., к.т.н. Пащенко П.В., Шушунову А.Н. и многим другим.

Автор также выражает признательность за помощь при выполнении исследований и полезные рекомендации при выполнении и обсуждении отдельных экспериментальных результатов: руководителю Отдела лазерных технологий Научного центра лазерных материалов и технологий ИОФАН д.ф.-м.н. Басиеву Т.Т., заведующей сектором того же Отдела д.х.н. Ивлевой Л.И., начальнику отдела НИИ "Полюс" Шестакову A.B.

Автор выражает благодарность руководству Института проблем лазерных и информационных технологий РАН (Директору чл.-корр. РАН, д.ф.-м.н., профессору Панчешсо В.Я., заместителю директора по Отделению перспективных лазерных технологий к.т.н. Ульянову В.А.) и ОАО Центральный научно-исследовательский технологический институт "Техномаш" (Генеральному директору Житковскому В.Д., Первому заместителю генерального директора Жиликову В.В.) за постоянное внимание и поддержку настоящей работы.

1. Keyes R. W. Miniaturization of electronics and its limits // 1.M J. Res. Develop. -2000. - Vol.44, №1/2. - P.84-88.

2. Moore G. E. Progress in digital integrated electronics // IEEE IEDM Tech. Dig. -1975. P.11-13.3. http://www.intel.com/research/silicon/moorlaw.htm

3. Дианов E. M. На пороге Тера-эры // Квантовая электроника. 2000. - Т.ЗО, №8. - С.659-663.

4. Najafi S. I. Overview of Nd- and Er-Doped Integrated Optics Amplifiers and Lasers // Proc. SPIE. 1997. - Vol.2996. - P.54-61.

5. Lee E., Lee S., OB., ParkS. Integration of micro-/nano-/quantum-scale photonic devices: scientific and technological considerations // Proc. SPIE. 2004. - V.5451. - P.133-146.

6. Yablonovitch E. Inhibited Spontaneous Emission in Solid-State Physics and Electronics // Phys. Rev. Lett. 1987. - V.58. - P.2059-2062.

7. John S. Strong localization of photons in certain disordered dielectric superlattices // Phys. Rev. Lett. 1987. - V.58. - P.2486-2489.

8. Быков В. П. Спонтанное излучение в среде с полосным спектром // Квантовая электроника. 1974. - Т.1, №7. - С.1557-1577.

9. ShubinV. A., KimW., Safonov V. P., Sarychev А. К., Amstrong R. L., Shalaev V. М. Surface-Plasmon Enhanced Radiation Effects in Confined Photonic Systems // Journal of Lightwave Technology. 1999. - V.17. - P.2183-2190.

10. Денискина H. Д., Калинин Д. В., Казанцева JI. К. Благородные опалы (природные и синтетические). Новосибирск: Наука, 1987.

11. Matijevic Е. Preparation and properties of uniform size colloids // Chemistry of Materials. 1993. - Vol.5. - P.412-426.

12. Kawaguchi H. Functional polymer microspheres // Progress in Polymer Science. — 2000. Vol.25. - P.l 171-1210.

13. Lopez C. Materials Aspects of Photonic Crystals // Adv. Mater. 2003.- Vol.15. -P.1679-1704.

14. Самойлович M. И., Клещева С. M., БелянинА. Ф., Житковский В. Д., Цветков М. Ю. Трехмерные нанокомпозиты на основе упорядоченных упаковок наносфер кремнезема // Микросистемная техника. 2004. - № 6. -С.3-7; №7. - С.2-11; №8. - С.9-17.

15. Горелик В. С. Оптика глобулярных фотонных кристаллов // Квантовая электроника. 2007. - Т.37, №5. - С.409-432.

16. См., например, http://phys.lsu.edu/~idowling/pbgbib.html18. http://vvwvv.icmm.csic.es/cefe/19. http://ww\v.tyndall.ie/research/photonic-nanostructures-group/20. http://vvww.phvsics.utoronto.ca/~iohn/iohn.html

17. См., например, многочисленные публикации в журналах, учрежденных институтом: Журнал технической физики, Письма в журнал технической физики, Физика твердого тела, Физика и техника полупроводников.

18. Самойлович С.М.: Автореферат канд. Диссертации. М.: МГУ, 1999.

19. Наноматериалы. III. Фотонные кристаллы и нанокомпозиты на основе опаловых матриц: Коллективная монография / Под ред. профессора М.И.Самойловича. М.: ОАО ЦНИТИ «Техномаш», 2007. - 303 с.

20. Sokolov V. I., Mishakov G. V., Panchenko V. Ya., Tsvetkov M. Yu. Routes to Polymer-Based Photonics // Optical Memory and Neural Networks (Information Optics). 2007. - Vol. 16, No. 2. - P. 67.

21. Samoilovich M. I., Guryanov A. V., Tsvetkov M. Yu. Artificial opal structures for 3D-optoelectronics // Nano and Giga Challenges in Microelectronics. Research and Opportunities in Russia. Moscow: 2002. - P.228-229.

22. Samoilovich M. I., Samoilovich S. M., Guryanov A. V., Tsvetkov M. Yu. Artificial opal structures for 3D-optoelectronics // Microelectronics Engineering. 2003. -Vol.69, №2-4. -P.237-247.

23. Гурьянов А. В., Самойлович M. И., Цветков M. Ю., Интюшин Е. Б., Чигиринский Ю. И. Особенности фотолюминесценции нанокомпозита опал -теллуритное стекло-Ег3+ //Журнал прикладной спектроскопии. 2003. -Т.70, №2. - С.285-287.

24. Gur'yanov А. V., Samoilovich M. I., Tsvetkov M. Yu., Intyushin E. В., Chigirinskii Yu. I. Characteristic Features of Photoluminescence of the Opal -Tellurite Glass Er3+ nanocomposite // Journal of Applied Spectroscopy. - 2003. -Vol.70, №2. - P.323-325.

25. Samoilovich М. I., Ivleva L. I., Tsvetkov М. Yu., Kleshcheva S. M., Gur'yanov A. V. Single crystal SBN: Yb/opal matrix (Si02) composite as a nanophotonic structure // Reviews on advanced materials science. 2003. - Vol.5, №4. - P.387-391.

26. Клещева С. М., Житковский В. Д., Белянин А. Ф., Самойлович М. И., Цветков М. Ю. Фотонные кристаллы (материалы с фотонной запрещенной зоной) на основе правильных кубических упаковок наносфер Si02 // Технология приборостроения. 2004. - №2(10). - С.32-35.

27. Samoilovich М. I., Tsvetkov М. Yu, Kleshcheva S. М., Guryanov А. V., Chigirinsky Yu. I., Gaponenko N. V., Ivleva L. I., Belyanin A. F. Erbium luminescence in 3D- and 2D-mesoporous matrices // Proc. SPIE. 2004. — Vol.5450. -P.508-515.

28. Самойлович M. И., Клещева С. M., Белянин А. Ф., Житковский В. Д., Цветков М. Ю. Трехмерные нанокомпозиты на основе упорядоченных упаковок наносфер кремнезема // Микросистемная техника. 2004. - № 6. -С.3-7; №7. - С.2-11; №8. - С.9-17.

29. Tsvetkov M. Yu, Kleshcheva S. M., Samoilovich M. I., Gaponenko N. V., Shushunov A. N. Erbium photoluminescence in opal matrix and porous anodic alumina nanocomposites // Microelectronics Engineering. 2005. - Vol.81, №2-4. - P.273-280.

30. Tsvetkov M. Yu, Samoilovich M.I., Kleshcheva S. M., Klyuchnik N. T. Opal photonic crystals as fiber components // International Conference on Coherent and

31. Nonlinear Optics, International Conference on Lasers, Applications, and Technologies, ICONO/LAT 2005: Technical Digest. St. Petersburg, Russia: 2005.- Paper IThT3.

32. Tsvetkov M. Yu, Samoilovich M. I., Kleshcheva S. M., Klyuchnik N. T. Opal photonic crystals as fiber components. // Proc. SPIE. 2006. - Vol.6258.

33. Самойлович M. И., Цветков M. Ю. Редкоземельные опаловые нанокомпозиты для нанофотоники // Нано- и микросистемная техника. 2006, №10. - С.8-14.

34. GuerassimovaN., Kamenskikh I., KrasikovD., Mikhailin V., Kleschova S. M., Samoilovich M. I., Tsvetkov M. Y. VUV-excited luminescence of opal matrices // HASYLAB Annual Report. 2006.

35. Ebelmen M. Sur les ethers siliciques // Ann. Chim. Phys. 1846. - Vol.16. - P. 129.

36. ReuterH. Sol-Gel Processes // Adv. Mater. 1991. - Vol.3. - №5. - P.258-259; №11. -P.568-571.

37. Stôber W., Fink A., Bohn E. Controlled Growth of Monodisperse Silica Spheres in the Micron Size Range // J. Colloid Interface Sci. 1968. - Vol.26. - P.62-69.

38. Рябенко E.A., Кузнецов А.И. О распределении.примесей между фазами при глубокой очистке ТЭОС раствором аммиака // ЖПХ. 1977, №7. -С.1625—1627.

39. Богомолов В. Н., Курдюков Д. А., Парфеньева JI. С., Прокофьев А. В., Самойлович С. М., Смирнов И. А., Ежовский А., Муха Я., Мисерек X. Особенности теплопроводности синтетических опалов // ФТТ. — 1997. — Т.39, №2.-С.З92-398.

40. КиттельЧ. Введение в физику твердого тела. М.: Наука, Гл. ред. физ.-мат. лит., 1978.-792 с.

41. Барышев А. В., Анкудинов А. В., Каплянский А. А., Кособукин В. А., Лимонов М. Ф., Самусев К. Б., Усвят Д. Е. Оптическая характеризация синтетических опалов // ФТТ. 2002. - Т.44, №9. - С. 1573-1581.

42. Восель С. В., Калинин Д. В., РудинаН. А., Пуртов П. А. // Геология и геофизика. 1999. - Т.40, №6. - С.926.

43. Балакирев В. Г., Богомолов В. Н., Журавлев В. В., Кумзеров Ю. А., Петрановский В. П., Романов С. Г., Самойлович JI. А. Трехмерные сверхрешетки в матрицах опалов // Кристаллография. — 1993. — Т.38, №3. — С.111-120.

44. Карпов И. А., Самаров Э. Н., Масалов В. М., Божко С. И., Емельченко Г. А. О внутренней структуре сферических частиц опала // ФТТ. 2005. - Т.47, №2. -С.334-338.

45. Богомолов В. Н., Павлова Т. М. Трехмерные кластерные решетки // ФТП. — 1995. Т.29, №5. - С.826-841.

46. Ратников В. В. Определение пористости синтетических опалов и пористого кремния рентгеновским методом // ФТТ. 1997. - Т.39, №5. - С.956-958.

47. Ратников В. В. Рентгеновский контроль заполнения кластерных решеток на основе синтетических опалов // Письма в ЖТФ. — 1997. Т.23, №13. - С.7-10.

48. Богомолов В. Н., Прокофьев А. В., ШелыхА. И. Оптико-структурный анализ фотонных кристаллов на основе опалов // ФТТ. 1998. - Т.40, №4. -С.648-650.

49. Богомолов В. Н. // ФТТ. 1995. - Т.37, №11.- С.3411.

50. Bertone J. F., Jiang P., Hwang K. S., Mittleman D. M., and Colvin V. L. Thickness Dependence of the Optical Properties of Ordered Silica-Air and AirPolymer Photonic Crystals // Phys. Rev. Lett. 1999. - Vol.83, №2. -P.300-303.

51. DeutschM., VlasovY. A., Norris D. J. Conjugated-Polymer Photonic Crystals // Adv. Mater. 2000. - Vol.12. - P.l 176-1180.

52. Miguez H., Meseguer F., Lopez C., Lopez-Tejeira F., Sanchez-Deheza J. Synthesis and Photonic Bandgap Characterization of Polymer Inverse Opals // Adv. Mater. -2001.-Vol.13.-P.393-396.

53. Jiang P., Bertone J. F., Colvin V. L. A Lost-Wax Approach to Monodisperse Colloids and Their Crystals // Science. 2001. - Vol.291. - P.453-457.

54. Busch K., John S. Photonic Band Gap Formation and Tunability in Certain Self-Organizing Systems // Journal of Lightwave Technology. 1999. - V.l 1. -P.1931-1943.

55. Yoshino K., Shimoda Y., Kawagishi Y., Nakayama K., Ozaki M. Temperature tuning of the stop band in transmission spectra of liquid-crystal infiltrated synthetic opal as tunable photonic crystal // Appl. Phys. Lett. 1999. - Vol.75. - P.932-934.

56. Shimoda Y., Ozaki M., Yoshino K. Electric field tuning of a stop band in a reflection spectrum of synthetic opal infiltrated with nematic liquid crystal // Appl. Phys. Lett. 2001 - Vol.79. - P.3627-3629.

57. Ozaki M., Shimoda Y., Kasano M., Yoshino K. Electric Field Tuning of the Stop Band in a Liquid-Crystal-Infiltrated Polymer Inverse Opal // Adv. Mater. — 2002. -Vol.14.-P.514-518.

58. Yoshino K., LeeS. B., Tatsuhara S., Kawagishi Y., Ozaki M., Zakhidov A. A. Observation of inhibited spontaneous emission and stimulated emission of rhodamine 6G in polymer replica of synthetic opal // Appl. Phys. Lett. 1998. -Vol.73.-P.3506-3508.

59. Petrov E. P., Bogomolov V. N., Kalosha 1.1., Gaponenko S. V. Spontaneous Emission of Organic Molecules Embedded in a Photonic Crystal // Phys. Rev. Lett. 1998.-Vol.81.-P.77-80.

60. Romanov S. G., Maka T., Torres C. M. S., Muller M., Zentel R. Photonic band-gap effects upon the light emission from a dye-polymer-opal composite // Appl. Phys. Lett. 1999. - Vol.75.-P. 1057-1059.

61. Koenderink A. F., Bechger L., Schriemer H. P., Lagendijk A., Vos W. L. Broadband Fivefold Reduction of Vacuum Fluctuations Probed by Dyes in Photonic Crystals // Phys. Rev. Lett. 2002. - Vol.88. - P.143903.

62. Frolov S. V., Vardeny Z. V., Z akhidov A. A., B aughman R. P. Laser-like emission in opal photonic crystals // Optics Communications. 1999. - Vol.162. -P.241-246.

63. ShkunovM.N., VardenyZ. V., De Long M. C., Poison R. C., Zakhidov A. A., Baughman R. P. Tunable, Gap-State Lasing in Switchable Directions for Opal Photonic Crystals // Advanced Functional Materials. 2002. - Vol.12, № 1. -P.21-26.

64. Pan'kova S. V., Poborchii V. V., Solov'ev V. G. The giant dielectric constant of opal containing sodium nitrate nanoparticles // J. Phys.: Condens. Matter. — 1996. — Vol.8.-P.L203-L206.

65. Zhou J., SunC. O., PitaK., LamY.L., ZhouY., Ng S. L., Kam C. H., Li L. T., Gui Z. L. Thermally tuning of the photonic band gap of Si02 colloid-crystal infilled with ferroelectric BaTi03 // Appl. Phys. Lett. 2001. - Vol.78. - P.661-663.

66. KimB. G., ParikhK. S., Ussery G., Zakhidov A., Baughman R. H., Yablonovitch E., Dunn B. S. Optical characteristics of Si02 photonic band-gap crystal with ferroelectric perovskite oxide // Appl. Phys. Lett. 2002. - Vol.81. -P.4440-4442.

67. Soten I., Migues H., Yang S. M., Petrov S., Coombs N., Tetreault N., Matsuura N., Ruda H. E., Ozin G. A. Barium Titanate Inverted Opals — Synthesis, Characterization, and Optical Properties // Adv. Funct. Mater. 2002. - Vol.12. -P.71-77.

68. Wang D. Y., Caruso F. Lithium Niobate Inverse Opals Prepared by Templating Colloidal Crystals of Polyelectrolyte-Coated Spheres // Adv. Mater. 2003. -Vol.15.-P.205-210.

69. Zakhidov A. A., Baughman R. H., Iqbal Z., Cui C. X., Khayrullin I., Dantas S. O., Marti I., Ralchenko V. G. Carbon Structures with Three-Dimensional Periodicity at Optical Wavelengths // Science. 1998. - Vol.282. - P.897-901.

70. Sumida T., Wada Y., Kitamura T., Yanagida S. Macroporous ZnO Films Electrochemically Prepared by Templating of Opal Films // Chemistry Letters — 2001.-Vol.30.-P.38.

71. Sumida T., WadaY., Kitamura T., Yanagida S. Electrochemical Change of the Photonic Stop Band of the Ordered Macroporous W03 Films // Chem. Lett. 2002. - Vol.31.-P.180.

72. BartlettP. N., DunfordT., GhanemM. A. Templated electrochemical deposition of nanostructured macroporous Pb02 // J. Mater. Chem. 2002. - Vol.12. — P.3130-3135.

73. Scott R. W. J., Yang S. M., Chabanis G., Coombs N., Williams D. E., Ozin G. A. Tin Dioxide Opals and Inverted Opals: Near-Ideal Microstructures for Gas Sensors // Adv. Mater. 2001. - Vol. 13. - P. 1468-1472.

74. Wijnhoven J. E. G. J., Vos W. L. Preparation of Photonic Crystals Made of Air Spheres in Titania // Science. 1998. - Vol.281. - P.802-804.

75. Dong W. Т., Bongard H., Tesche В., Marlow F. Inverse Opals with a Skeleton Structure: Photonic Crystals with Two Complete Bandgaps // Adv. Mater. 2002. -Vol.14. -P.1457-1460.

76. Gu Z. Z., Kubo S., Qian W. P., Einaga Y., Tryk D. A., Fujishima A., Sato O. Varying the Optical Stop Band of a Three-Dimensional Photonic Crystal by Refractive Index Control // Langmuir. 2001. - Vol.17. - P.6751-6753.

77. KuangD. В., Xu A. W., Zhu J. Y., Liu H. Q., Kang B. S. Fabrication of ordered macroporous rutile titania at low temperature // New J. Chem. 2002. - Vol.26. -P.819-821.

78. Алиев Г. H., Голубев В. Г., Дукин А. А., Курдюков Д. А., Медведев А. В., Певцов А. Б., Сорокин JI. М., Хатчисон Дж. Структурные, фотонно-кристаллические и люминесцентные свойства композита опал — эрбий // ФТТ. 2002. - Т.44, №12. - С.2125-2132.3 4"

79. Romanov S. G., Fokin А. V., De La Rue R. M. Eu emission in an anisotropic photonic band gap environment // Appl. Phys. Lett. 2000. - Vol.76. -P.1656-1658.

80. JeonS., Braun P. V. Hydrothermal Synthesis of Er-Doped Luminescent ТЮ2 Nanoparticles // Chemistry of Materials 2003. - Vol.15. - P.1256-1263.

81. Figotin A., Vitebsky I. Nonreciprocal magnetic photonic crystals // Phys. Rev. E. -2001.-Vol.63.-P.066609.

82. Gates В., XiaY. N. Photonic Crystals That Can Be Addressed with an External Magnetic Field // Adv. Mater. 2001. - Vol.13. - P.1605-1608.

83. Chi E. О., К im Y. N., Kim J. C., Hur N. H. A M acroporous P erovskite M anganite from Colloidal Templates with a Curie Temperaure of 320 К // Chemistry of Materials 2003. - Vol.15. - P. 1929-1931.

84. Koerdt C., Rikken G., Petrov E. P. Faraday effect of photonic crystals // Appl. Phys. Lett. 2003. - Vol.82. - P.1538-1540.

85. Velev O. D., Tessier P. M., Lenhoff A. M., Kaler E. W. A class of porous metallic nanostructures // Nature. 1999. - Vol.401. - P.548.

86. Xu L. В., Zhou W. L., Kozlov M. E., Khayrullin 1.1., Udod I., Zakhidov A. A., Baughman R. H., Wiley J. B. Metal Sphere Photonic Crystals by Nanomolding // J. Am. Chem. Soc. 2001. - Vol.123. - P.763-764.

87. Jiang P., CizeronJ., Bertone J. F., ColvinV. L. Preparation of Macroporous Metal Films from Colloidal Crystals // J. Am. Chem. Soc. 1999. - Vol.121. -P.7957-7958.

88. Wijnhoven J., Zevenhuizen S. J. M., Hendriks M. A., Vanmaekelbergh D., Kelly J. J., Vos W. L. Electrochemical Assembly of Ordered Macropores in Gold // Adv. Mater. 2000. - Vol.12. - P.888-890.

89. Xu L. В., Zhou W. L. L., " Frommen C., Baughman R. H., Zakhidov A. A., Malkinski L., Wang J. Q., Wiley J. B. Electrodeposited nickel and gold nanoscale metal meshes with potentially interesting photonic properties // Chem. Commun. -2000.-P.997-998.

90. BartlettP. N., BirkinP. R., GhanemM. A. Electrochemical deposition of maeroporous platinum, p alladium and сobalt films using p olystyrene 1 atex sphere templates // Chem. Commun. 2000. - P.1671-1672.

91. Li F., Xu L. В., ZhouW. L. L., He J. В., Baughman R. H., Zakhidov A. A., Wiley J. B. Disassembling Three-Dimensional Metallo-Dielectric Photonic Crystals into Metallic Photonic Crystal Sheets and Wires // Adv. Mater. 2002. - Vol.14. -P.1528-1531.

92. Norris D. J., Vlasov Y. A. Chemical Approaches to Three-Dimensional Semiconductor Photonic Crystals // Adv. Mater. 2001. - Vol.13. - P.371-376.

93. Голубев В. Г., Кособукин В. А., Курдюков Д. А., Медведев А. В., Певцов А. Б. Фотонные кристаллы с перестраиваемой запрещенной зоной на основе заполненных и инвертированных композитов опал кремний // ФТП. - 2001. -Т.35,№6.-С.710-713.

94. Vlasov Y. А., BoX. Z., Sturm J. С., Norris D. J. On-chip natural assembly of silicon photonic bandgap crystals // Nature. 2001. - Vol.414. - P.289-293.

95. Miguez H., Yang S. M., TetreaultN., Ozin G. A. Oriented Free-Standing Three-Dimensional Silicon Inverted Colloidal Photonic Crystal Microflbers 11 Adv. Mater. -2002.-Vol.14.-P.1805-1808.

96. Palasios-Lidon E., Blanco A., Ibisate M., Meseguer F., Lopez C., Sanchez-Dehesa J. Optical study of the full photonic band gap in silicon inverse opals // Appl. Phys. Lett. 2002. - Vol.81. - P.4925-4927.

97. Miguez H., Meseguer F., Lopez C., HolgadoM., Andreasen G., MifsudA., Fornes V. Germanium FCC Structure from a Colloidal Crystal Template // Langmuir. 2000. - Vol.16. - P.4405-4408.

98. Garsia-Santamaria F., Ibisate M., Rodriguez I., Meseguer F., Lopez С. Photonic Band Engineering in Opals by Growth of Si/Ge Multilayer Shells // Adv. Mater. -2003,-Vol.15.-P.788-792.

99. Miguez H., Blanco A., Meseguer F., Lopez C., Yates H. M., Pemble M. E., Fornes V., Mifsud A. Bragg diffraction from indium phosphide infilled fee silica colloidal crystals // Phys. Rev. B. 1999. - Vol.59. - P. 1563-1566.

100. Romanov S. G., De la Rue R. M., Yates H. M., Pemble M. E. Impact of GaP layer deposition upon photonic bandgap behaviour of opal // J. Phys.: Condens. Matter. — 2000. Vol.12. - P.339-348.

101. Богомолов В. H., Ктиторов С. А., Курдюков Д. А., Прокофьев А. В., Самойлович С. М., Смирнов Д. В. Нелинейная проводимость трехмерной решетки кластеров GaAs в опале // Письма в ЖЭТФ. 1995. - Т.61, №9. — С.73 8-742.

102. Lee Y. С., Kuo Т. J., HsuC.J., SuY.W., Chen С. С. Fabrication of 3D Macroporous Structures of II-VI and III-V Semiconductors Using Electrochemical Deposition // Langmuir. 2002. - Vol.18. - P.9942-9946.

103. Braun P. V., Zehner R. W., White C. A., Weldon M. K., Kloc C., Patel S. S., Wiltzius P. Epitaxial Growth of High Dielectric Contrast Three-Dimensional Photonic Crystals // Adv. Mater. 2001. - Vol.13. - P.721-724.

104. Astratov V. N., Bogomolov V. N., Kaplyanskii A. A., Prokofiev A. V., Samoilovich L. A., Samoilovich S. M., Vlasov Y. A. // Nuovo Cimento Soc. Ital. Fis., D. 1995. - Vol.17. - P.1349.

105. Vlasov Y. A., YaoN., Norris D. J. Synthesis of Photonic Crystals for Optical Wavelengths from Semiconductor Quantum Dots // Adv. Mater. 1999. - Vol.11. - P.165-169.

106. Vlasov Y. A., Luterova K., Pelant I., Honerlage В., Astratov V. N. Enhancement of optical gain of semiconductors embedded in three-dimensional photonic crystals // Appl. Phys. Lett. 1997. - Vol.71. -P.1616-1618.

107. Blanko A., Lopez C., Mayoral R., Miguez H., Meseguer F., Mifsud A., Herrero J. CdS photoluminescence inhibition by a photonic structure // Appl. Phys. Lett.1998. Vol.73. - P.1781-1783.

108. Juarez В. H., Rubio S., Sanchez-Deheza J., Lopez C. Antimony Trisulfide Inverted Opals: Growth, Characterization, and Photonic Properties // Adv. Mater. 2002. -Vol.14.-P. 1486-1490.

109. Braun P. V., Wiltzius P. Electrochemically grown photonic crystals // Nature. —1999. Vol.402. - P.603-604.

110. Romanov S. G., Мака Т., Torres С. M. S., Muller M., Zentel R. Emission in a SnS2 inverted opaline photonic crystal // Appl. Phys. Lett. 2001. - Vol.79. -P.731-733.

111. Juarez В. H., Ibisate M., Palasios J. M., Lopez C. High-Energy Photonic Bandgap in Sb2S3 Inverse Opals by Sulfidation Processing // Adv. Mater. 2003. - Vol.15. -P.319-323.

112. Yang S. M., Miguez H., OzinG. A. Opal Circuits of Light -Planarized Microphotonic Crystal Chips // Adv. Funct. Mater. 2002. - Vol.12. - P.425-431.

113. Комисарова Jl. Н., Шацкий В. М., Пушкина Г. Я., Щербакова JT. Г., Мамсурова Л. Г., Суханова Г. Е. Соединения редкоземельных элементов. Карбонаты, оксалаты, нитраты, титанаты. М.: Наука, 1984. - 235с.154. http://vvwvv.dalchem.nnov.ru/

114. De G.; Karmakar В.; Ganguli D. Hydrolysis-condensation reactions of TEOS in the presence of acetic acid leading to the generation of glass-like silica microspheres in solution at room temperature // J. Mater. Chem. 2000. - Vol.10. - P.2289-2293.

115. SlooffL. H. Rare-Earth Doped Polymer Waveguides and Light Emitting Diodes: Ph. D. Thesis. Amsterdam, The Netherlands: FOM Institute for Atomic and Molecular Physics, 2000.

116. Klein L. C. Sol-Gel Processing of Silicates // J. Annu. Rev. Mater. Sci. 1985. -Vol.15. -P.227-248.

117. SlooffL. H.; de Dood M. J. A.; van Blaaderen A.; Polman A. Effects of heat treatment and concentration on the luminescence properties of erbium-doped silica sol-gel films // J. Non-Cryst. Sol. 2001. - Vol.296. - P. 158-164.

118. Desurvire E. Erbium Doped Fiber Amplifiers. New York: Wiley, 1994.

119. Joannopoulos J. D., Meade R., Winn J. Photonic Crystals, Molding the Glow of Light. Princeton, NJ: Princeton University Press, 1995.

120. Polman A., van Veggel F. C. J. M. Broadband sensitizers for erbium-doped planar optical amplifiers: review // JOSA B. 2004. - Vol.21, №5. - P.871-892.

121. WinickK. A. Rare-earth-doped waveguide lasers in glass and LiNb03: a review // Proc. SPIE. 1998. - Vol.3280. - P.88-104.

122. Lagendijk A., van Tiggelen В. A. Resonant Multiple Scattering of Light // Physics Reports. 1996. - Vol.270, №3. - P.143-215.

123. Anderson P.W. Absence of Diffusion in Certain Random Lattices // Phys. Rev. -1958.-V. 109. № 5. P.1492-1505.

124. Purcell E. M. Spontaneous Emission Probabilities at Radio Frequencies // Phys. Rev. 1946. - Vol.69, №11-12. - P.681.

125. Головань JI. А., Тимошенко В. Ю., Кашкаров П. К. Оптические свойства нанокомпозитов на основе пористых систем // УФН. — 2007. Т. 177, №6. -С.619-638.

126. BuschK., John S. Photonic band gap formation in certain self-organizing systems // Phys. Rev. E. 1998. - Vol.58, №3. - P.3896-3908.

127. Thijssen M. S., Sprik R., Wijnhoven J. E. G. J., Megens M., Narayanan Т., Lagendijk A., and Vos W. L. Inhibited Light Propagation and Broadband Reflection in Photonic Air-Sphere Crystals // Phys. Rev. Lett. 1999. - Vol.83, №14. - P.2730-2733.

128. EldadaL., FujitaJ., RadojevicA., GerhardtR., and IzuharaT. Hybrid organic inorganic optoelectronic sybsystems on a chip // Photonic West, 2005, http://photonics.dupont.com/downloads/HybridIntegration.pdf

129. Летохов В. С. Генерация света рассеивающей средой с отрицательным резонансным поглощением // ЖЭТФ. 1967. - Т.53. Вып.4(10). -С.1442-1452.

130. Маркушев В. М., ЗолинВ.Ф., БрискинаЧ.М. Порошковый лазер // ЖПС. -1986. Т.45. - С.847-850.

131. Van Albada М.Р., Lagendijk A. Observation of Weak Localization of Light in a Random Medium // Phys. Rev. Lett. 1985. - Vol.55. - P.2692-2695.

132. Shkunov M. N., De Long M. C., Raikh M. E., Vardeny Z. V., Zakhidov A. A., Baughman R. P. Photonic versus random lasing in opal single crystals // Synthetic Metals. 2001. - Vol. 116. - P.485-491.