| Результаты этапа: В ходе данного этапа проекта были существенно усовершенствованы методики синтеза массивов металлических наностержней, а также получены новые знания об оптических свойствах гиперболических метаматериалов (ГММ) на их основе.
Предложен неразрушающий метод определения средней пористости плёнок АОА с помощью измерения величины эффекта двулучепреломления. С его помощью экспериментально определены скорости растворения стенок пор в 0.3 M щавелевой кислоте при 0 C (V1=0.13±0.02 нм/ч) и в 2 M H2SO4 при 20 C (V2 = 2.25 нм/ч). Полученные данные важны для точной подстройки пористости темплатов путем химического растравливания пор.
Проведено сравнение дисперсии наностержней по длине при использовании различных методик увеличения адгезии золотого токосъёмника, а также темплатов порами двух диаметров: 20 и 50 нм. Показано, что при использовании темплатов с меньшим диаметром пор дисперсия длин оказывается выше. Наилучшие результаты достигаются при модификации темплата 3-меркоптопропилом триметоксиланом (дисперсия длины Au наностержней составляет 3% для больших пор и 4% для малых, в случае Ag наностержней – 6% для больших пор и 8% для малых). Показана перспективность использования медных токосъёмников вместо золотых при темплатном электроосаждении металлических наностержней в матрицах из анодного оксида алюминия. Дисперсия экспериментально полученных трехсегментных наностержней Au/Ni/Au по длине не превышает 8%, что говорит о высоком качестве полученных ГММ. Увеличение однородности электроосаждения связано с лучшей адгезией Cu к поверхности АОА по сравнению с адгезией благородного металла к оксиду алюминия.
Впервые предложена конструкция электрохимической ячейки, позволяющая реализовать контролируемые условия конвекции при темплатном электроосаждении металлов. Контроль конвективной составляющей массопереноса чрезвычайно важен для построения количественных моделей роста наностержней при темплатном электроосаждении.
Для создания бездефектных массивов плазмонных Au(Ag) наностержней с расстоянием между соседними элементами ~ 104 нм получены темплаты АОА с чрезвычайно высокой степенью упорядочения: доля пор с гексагональным окружением в структурированной фокусированным ионным пучком области превышает 94%. Отработана методика локального удаления барьерного слоя АОА, что позволяет локализовать область электроосаждения при формировании массива нанострежней лишь на области темплата с высокой степенью упорядочения пор.
Отработаны условия изготовления ГММ на основе массивов наностержней, состоящих из соприкасающихся сегментов Au и Ag. Спектроскопия коэффициента пропускания изготовленных структур показала, что в них наблюдаются три плазмонных резонанса – на длинах волн 400, 520 и 595 нм. Положение продольного плазмонного резонанса в биметаллических наностержнях оказывается ближе к соответствующей величине для референсного образца на основе Ag, чем Au.
При регистрации экспериментальных спектров магнитного контраста в геометрии Фарадея при различных углах падения зондирующего излучения со стороны подложки и со стороны наностержней показано, что для массивов трехсегментных наностержней Au/Ni/Au в спектральной окрестности ENZ (длина волны 650 нм) магнитный контраст усиливается на один-два порядка и достигает 1.5%, что в 2 раза превышает аналогичную величину в массивах двухсегментных наностержней Au/Ni.
На экспериментальных частотно-угловых спектрах магнитного контраста трехсегментных наностержней Au/Ni/Au в геометрии Фохта обнаружено усиление и двойная смена знака магнитного контраста в области ENZ. Наблюдаемый эффект связан с магнитоиндуцированным сдвигом спектрального положения продольных плазмонных резонансов в золотых сегментах. Максимальная наблюдаемая величина магнитного контраста составляет 0.2%.
Получены данные эллипсометрии прошедшего через ГММ на основе трехсегментных наностержней Au/Ni/Au оптического отклика. Обнаружено, что в области ENZ (длина волны 650 нм) наблюдается максимальное вращение плоскости поляризации (до 100 градусов относительно исходной), при этом поляризация света остается практически линейной. На длинах волн около 600 и 700 нм поляризация прошедшего через образец света близка к циркулярной. Наблюдаемые эффекты связаны с существенной разницей коэффициентов поглощения и преломления обыкновенной и необыкновенной волн в сильно анизотропной структуре. Сильное двулучепреломление ранее наблюдалось в ГММ на основе монометаллических наностержней, а в трехсегментных структурах подобные исследования проведены впервые. Результат перспективен для создания магнитоуправляемых сверхтонких преобразователей поляризации на основе ГММ.
При исследовании эффектов самовоздействия света в ГММ на основе монометаллических наностержней было обнаружено усиление абсолютной величины нелинейного коэффициента поглощения β на один-два порядка и смена знака β в спектральной окрестности ENZ. Максимальная величина нелинейного коэффициента поглощения составляет 12∙10–5 см/Вт. На основании экспериментальных спектров нелинейного коэффициента преломления n2 было показано, что вблизи точки ENZ меняется знак n2, т.е. эффект самофокусировки в режиме эллиптической дисперсии сменяется эффектом самодефокусировки в режиме гиперболической дисперсии. Максимальная наблюдаемая величина n2 составляет 4∙10–9 см2/Вт. Детальные экспериментальные исследования эффектов самовоздействия света в ГММ проведены впервые. Показано, что наблюдаемые явления непосредственно связаны с дисперсионными свойствами исследуемых структур.
Изготовлены гетероструктуры, объединяющие ГММ и фотоннокристаллическую структуру из анодного оксида алюминия. Показано, что их оптические частотно-угловые спектры пропускания демонстрируют как фотонную запрещенную зону, так и особенности ENP и ENZ, в видимом диапазоне длин волн.
Впервые изготовлены образцы градиентных гиперболических метаматериалов, длина наностержней в которых изменяется от 150 до 570 нм. Положение ENZ в полученных структурах варьируется в очень широком (более 150 нм) интервале, что позволяет с одной стороны, подбирать область ГММ с откликом в нужном спектральном диапазоне, а с другой – управлять оптическими свойствами материала непосредственно в процессе его использования.
Полученные результаты легли в основу двух научных статей:
1) Alexey A. Noyan, Kirill S. Napolskii, Birefringence in anodic aluminum oxide: an optical method for measuring porosity // Materials Advances, 2022, 3, 3642-3648.
2) И.В. Малышева и др., Магнитооптические эффекты в композитных гиперболических метаматериалах // Физика Твердого Тела, 2022, принята к публикации.
Для популяризации полученных результатов были представлены 3 устных и 1 стендовый доклад на международных конференциях, а также опубликованы заметки на сайте научной группы:
https://eng.fnm.msu.ru/news/2022/dvulucheprelomlenie-v-anodnom-okside-alyuminiya/
https://eng.fnm.msu.ru/en/news/2022/birefringence-in-anodic-aluminium-oxide/
Работы выполнены в полном объёме. Полученные результаты обладают фундаментальной новизной и практической значимостью. Они могут быть использованы для создания новых тонкоплёночных оптических элементов, предназначенных для управления интенсивностью и поляризацией прошедшего света.
|
