ИСТИНА

Фотоника – одна из наиболее бурно развивающихся областей науки XXI века. Уже сейчас, результаты фундаментальных исследований в этой области нашли практическое применение, в частности, при создании волоконно-оптических линий связи с высокой пропускной способностью. Для управления распространением световых потоков большие надежды возлагают на фотонные кристаллы – материалы с пространственной модуляцией диэлектрической проницаемости на масштабе, сопоставимом с длиной волны света. Простейший тип фотонных кристаллов представляет собой многослойную структуру с чередующимися слоями с разным показателем преломления. Такие материалы широко используются для создания интерференционных фильтров, отражающих падающее электромагнитное излучение в узких спектральных диапазонах и, следовательно, блокирующих его прохождение. Целью настоящего проекта является разработка направленного электрохимического метода получения тонкоплёночных элементов нанофотоники, обладающих заданным набором запрещённых зон в УФ, видимом и ближнем ИК диапазонах, с возможностью контролируемой модуляции интенсивности высших порядков отражения. В качестве объектов исследования будут выступать фотонные гетероструктуры на основе плёнок анодного оксида алюминия. Новизна предлагаемых подходов состоит в создании фотонных гетероструктур, в которых каждый период структуры состоит из более чем двух слоев с малой и большой пористостью. Данная особенность формируемого покрытия позволяет задавать требуемую модуляцию интенсивности отраженного излучения.

Photonics is one of the most rapidly developing areas of science of the XXI century. The results of fundamental research in this field have already found practical applications, in particular, for the development of fiber-optic lines of communication with high transmission capacity. The simplest type of photonic crystals is represented by multilayer structure of alternating layers with different refractive indices. These materials are widely used to produce interference filters which reflect incident electromagnetic radiation in the narrow spectral ranges and, therefore, block its passage. The aim of this project is the development of an electrochemical basis for the production of a new type of thin film elements of nanophotonics possessing the given set of the photonic band gaps in UV, visible and near IR ranges with the possibility of controlled intensity modulation of the higher orders of reflection. Photonic heterostructures based on porous alumina films will be used as objects of the present research. The novelty of the project is in the development of a new class of photonic crystal materials - optical heterostructures based on porous anodic oxide films in which every structure period consists from more than two layers with low and high porosity. This structural feature allows us to set the required intensity modulation of the reflected radiation.

Ожидаемые результаты проекта обладают фундаментальной новизной и практической значимостью. К ним относятся: 1) Дисперсии коэффициентов пропускания и эффективного показателя преломления пористых плёнок анодного оксида алюминия, полученных в растворах селеновой кислоты при различных напряжениях анодирования. 2) Электрохимический метод получения фотонных гетероструктур на основе анодного оксида алюминия, в спектре которых присутствуют запрещенные зоны из-за конструктивной интерференции отраженных волн и погасания из-за деструктивной интерференции, обеспечивающие требуемую модуляцию интенсивности в оптических спектрах. 3) Математическая модель, позволяющая, исходя из режима анодирования, предсказывать спектры пропускания и отражения фотонных гетероструктур на основе пористых плёнок анодного оксида алюминия. 4) Способ увеличения отношения интенсивности отражения в области фотонной запрещённой зоны к интенсивности фона. Данный способ может быть использован для интенсификации окраски одномерных фотонных кристаллов и фотонных гетероструктур из анодного оксида алюминия. 5) Лабораторная методика получения узкополосных интерференционных фильтров на основе одномерных фотонных гетероструктур из анодного оксида алюминия, позволяющая получать покрытия с несколькими полосами отражения в диапазоне от УФ до ИК области спектра и требуемой модуляцией интенсивности. 6) Оптические покрытия из анодного оксида алюминия с различным заданным спектральным положением полос отражения в зависимости от места расположения на поверхности плёнки с латеральным разрешением не хуже 10 микрон. 7) Статьи (не менее 2 шт.) по теме проекта в высокорейтинговых рецензируемых научных журналах.

Коллектив заявителей проекта обладает многолетним опытом получения пористых плёнок анодного оксида алюминия и функциональных наноматериалов на их основе. В научных работах по данной тематике описано влияние различных параметров анодирования на структуру пористых оксидных плёнок. На основе обнаруженных закономерностей предложены механизмы формирования и упорядочения пористых структур при анодном окислении алюминия. Авторами настоящей заявки разработаны оригинальные методики количественной аттестации морфологии пористой структуры с использованием методов электронной микроскопии и малоугловой рентгеновской дифракции. В частности, для автоматизированной обработки изображений растровой электронной микроскопии были созданы новые алгоритмы и компьютерные программы. Предложены методики проведения экспериментов по малоугловой дифракции рентгеновского излучения и способы обработки получаемых данных для количественного определения параметров позиционного, ориентационного и продольного порядка в пористой структуре анодных оксидов. Коллектив заявителей проекта имеет существенный задел в получении и исследовании материалов с пространственно модулированной структурой на примере фотонных кристаллов на основе искусственных и природных опалов. В последнее время участники предлагаемого проекта активно развивают направление, связанное с формированием одномерных фотонных кристаллов из анодного оксида алюминия.

В 2018 году впервые получены фотонные кристаллы на основе анодного оксида алюминия с использованием в качестве электролита раствора селеновой кислоты. Пленки анодного оксида алюминия, полученные путем анодирования алюминия в 1,0 M H2SeO4 при прямоугольном профиле плотности тока обладают интенсивными и узкифи фотонными запрещенными зонами, что делает данный материал перспективным для применения в качестве оптических сенсоров. Высокая прозрачность полученных плёнок в УФ диапазоне обусловлена чрезвычайно малым диаметром пор при используемых условиях анодирования. Скорость химического растворения анодного оксида алюминия в селеновой кислоте ниже, чем в электролите на основе серной кислоты схожей концентрации, что позволяет получать фотонные структуры близкие по свойствам с распределенными брэгговскими отражателями даже без компенсации химического подтравливания пор. Раствор селеновой кислоты является перспективным электролитом для получения фотонных кристаллов с фотонными запрещенными зонами от УФB до ближней инфракрасной обрасти. Для получения фотонных кристаллов с узкими зонами проведена оптимизация условий анодирования в 1,0 M H2SeO4 и 4,0 M H2SO4. При уменьшении заряда каждого следующего цикла анодирования по законам геометрической прогрессии со знаменателем 0,9995 получены образцы с коэффициентом добротности 44. Для более предсказуемого выбора условий анодирования измерена энергия активации растворения анодного оксида алюминия в 4,0 M H2SO4. Впервые синтезированы фотонные гетероструктуры из анодного оксида алюминия. Показана возможность управлять их оптическими свойствами с помощью структурного дизайна. В 2019 году научные исследования проводились по двум основным направлениям: 1) Систематическое исследование процесса анодирования алюминия в растворе селеновой кислоты. 2) Разработка способов контролируемого управления интенсивностью фотонных запрещенных зон. Эксперименты по анодированию алюминия в 1,0 М H2SeO4 проводили при температуре электролита от 0 до 30 °С и приложенных напряжениях от 10 до 34 В. Показано, что кажущаяся энергия активации (Ea) процесса растворения анодного оксида алюминия на дне пор постоянна в диапазоне напряжений 10-25 В и составляет 54 кДж/моль, в то время как Ea процесса химического растворения стенок пор в электролите достигает 80 кДж/моль. Толщина пористых плёнок АОА Δh зависит от плотности заряда Δ𝑞 и приложенного напряжения U следующим образом: Δh(Δ𝑞, 𝑈)[нм] = Δ𝑞[Кл/см2] ∗ (368,8 + 4,13*𝑈[В]). Расстояние между порами в стационарном режиме увеличивается с 40 до 85 нм при росте напряжения анодирования от 14 до 34 В. Экспериментально определена скорость химического растворения стенок пор в растворе электролита в диапазоне температур от 0 до 30 °С. Полученные данные использованы для синтеза фотонных кристаллов с точным контролем положения фотонной запрещенной зоны с помощью анодирования в режиме напряжения в зависимости от длины оптического пути. Предложены и получены фотонных кристаллы АОА нового типа с несколькими отражающими плоскостями в элементарной ячейке. Показано, что управление положением отражающих плоскостей позволяет контролировать интенсивность фотонных запрещенных зон высших порядков. Наблюдаемый эффект имеет ту же природу, что и погасание дифракционных рефлексов при рентгеновской дифракции на кристалла с различными видами центрировки. Предложена математическая модель, позволяющая аналитически рассчитывать интенсивность фотонных запрещенных зон. Показано, что интенсивность фотонных запрещенных зон в экспериментальных спектрах находится в хорошем согласии с предложенной моделью, что позволяет использовать её для выбора режима анодирования фотонных кристаллов с требуемыми оптическими свойствами. Фотонные кристаллы с несколькими отражающими плоскостями в элементарной ячейке перспективны для использования в многозонных оптических фильтрах и оптических метках. В 2020 году были получены следующие результаты: 1) Получены экспериментальные зависимости от напряжения анодирования для диаметра пор и пористости плёнок анодного оксида алюминия в электролите на основе селеновой кислоты. 2) Определён перечень условий анодирования алюминия, приводящих к получению пористых оксидных пленок с малым диаметром каналов и высоким коэффициентом пропускания в УФ, видимом и ближнем ИК диапазонах. 3) Уточненны режимы анодирования алюминия в селеновой кислоте, позволяющие получать фотонные кристаллы с рекордными значениями коэффициентов добротности фотонных запрещенных зон благодаря точной компенсации уменьшения эффективного показателя преломления верхних слоев оксидной пленки из-за их химического травления в электролите. 4) Синтезированы образцы фотонных гетероструктур с узкими фотонными запрещенными зонами, полученные в электролите на основе селеновой кислоты. 5) Опубликованы 2 статьи по теме проекта в журналах Optical Materials и неорганической химии.