ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА НАНОЧАСТИЦ ДИОКСИДА ВАНАДИЯ В НАНОПОРИСТЫХ СТЕКЛАХ
ÎÏÒÈ×ÅÑÊÎÅ ÌÀÒÅÐÈÀËÎÂÅÄÅÍÈÅ È ÒÅÕÍÎËÎÃÈß
ÓÄÊ 535.241.13:621.373.826
ÎÏÒÈ×ÅÑÊÈÅ ÑÂÎÉÑÒÂÀ ÍÀÍÎ×ÀÑÒÈÖ ÄÈÎÊÑÈÄÀ ÂÀÍÀÄÈß Â ÍÀÍÎÏÎÐÈÑÒÛÕ ÑÒÅÊËÀÕ
© 2008 ã. © 2007 ã. © 2007 ã.
À. È. Ñèäîðîâ, äîêòîð ôèç.-ìàò. íàóê; Î. Ï. Âèíîãðàäîâà; Ò. À. Õðóùåâà; È. Å. Îáûêíîâåííàÿ, êàíä. ôèç.-ìàò. íàóê; Ã. Í. Åðìîëàåâà, êàíä. ôèç.-ìàò. íàóê; Â. Á. Øèëîâ, äîêòîð ôèç.-ìàò. íàóê
ÍÏÊ “Ãîñóäàðñòâåííûé îïòè÷åñêèé èíñòèòóò èì. Ñ.È. Âàâèëîâà”, Ñàíêò-Ïåòåðáóðã
E-mail: aisidorov@newmail.ru
Ïðîâåäåí ñèíòåç íàíî÷àñòèö äèîêñèäà âàíàäèÿ â ñèëèêàòíûõ íàíîïîðèñòûõ ñòåêëàõ ñ ðàçìåðîì ïîð 7 è 17 íì. Ïîëó÷åíû ñòàòè÷åñêèå òåìïåðàòóðíûå ïåòëè ãèñòåðåçèñà êîýôôèöèåíòà ïðîïóñêàíèÿ, ñîîòâåòñòâóþùèå ôàçîâîìó ïåðåõîäó ïîëóïðîâîäíèê–ìåòàëë â íàíî÷àñòèöàõ äèîêñèäà âàíàäèÿ, íà äëèíå âîëíû 1,15 ìêì. Èçìåðåí íåëèíåéíî-îïòè÷åñêèé îòêëèê íàíî÷àñòèö â âèäèìîì è áëèæíåì ÈÊ äèàïàçîíàõ äëÿ ïèêîñåêóíäíûõ ëàçåðíûõ èìïóëüñîâ. Ïðîâåäåíî ÷èñëåííîå ìîäåëèðîâàíèå èçìåíåíèÿ îïòè÷åñêèõ ñâîéñòâ íàíî÷àñòèö â ïîðàõ ñòåêëà ïðè ôàçîâîì ïåðåõîäå ïîëóïðîâîäíèê–ìåòàëë.
Êîäû OCIS: 160.0160.
Ïîñòóïèëà â ðåäàêöèþ 21.02.2007.
Äèîêñèä âàíàäèÿ (VO2) êàê îïòè÷åñêèé ìàòåðèàë ïðèâëåêàåò âíèìàíèå èññëåäîâàòåëåé íà ïðîòÿæåíèè ìíîãèõ äåñÿòèëåòèé. Ïðè÷èíîé ýòîãî ÿâëÿåòñÿ îáðàòèìûé ôàçîâûé ïåðåõîä ïîëóïðîâîäíèê– ìåòàëë (ÔÏÏÌ) [1, 2], êîòîðûé ñîïðîâîæäàåòñÿ ÷ðåçâû÷àéíî ñèëüíûì èçìåíåíèåì îïòè÷åñêèõ ñâîéñòâ äàííîãî ìàòåðèàëà. Ñâåòîèíäóöèðîâàííûé ÔÏÏÌ îáëàäàåò î÷åíü âûñîêèì áûñòðîäåéñòâèåì è ìîæåò ïðîèñõîäèòü çà âðåìÿ ïîðÿäêà 100–200 ôñ [3–5]. Ïîëèêðèñòàëëè÷åñêèå ïëåíêè VO2 íàøëè ïðèìåíåíèå â çåðêàëàõ ñ óïðàâëÿåìûì êîýôôèöèåíòîì îòðàæåíèÿ [6], â êà÷åñòâå ñðåä äëÿ çàïèñè ãîëîãðàìì [7], âèçóàëèçàòîðàõ ÈÊ èçëó÷åíèÿ [8] è íåëèíåéíî-îïòè÷åñêèõ îãðàíè÷èòåëÿõ èçëó÷åíèÿ [9].  ïîñëåäíèå ãîäû âîçíèê èíòåðåñ ê îïòè÷åñêèì êîìïîçèòíûì ñðåäàì ñ íàíî÷àñòèöàìè VO2. Ýòî ñâÿçàíî ñ òåì, ÷òî â êîìïîçèòíîì ìàòåðèàëå ñ VO2 ïîÿâëÿåòñÿ âîçìîæíîñòü íå òîëüêî âàðüèðîâàòü â øèðîêèõ ïðåäåëàõ åãî ëèíåéíûå îïòè÷åñêèå ñâîéñòâà, íî è óâåëè÷èòü íåëèíåéíî-îïòè÷åñêèé îòêëèê ìàòåðèàëà çà ñ÷åò ïëàçìîííûõ ðåçîíàíñîâ íàíî÷àñòèö [5, 10]. Óæå ïðîâåäåíû èññëåäîâàíèÿ îïòè÷åñêèõ ñâîéñòâ íàíî÷àñòèö VO2 â èñêóññòâåííûõ îïàëàõ [11], ïîëèìåðíûõ ìàòåðèàëàõ [12, 13] è òîíêèõ (ìåíåå 0,5 ìêì) ñëîÿõ ñòåêëà [14].  ïîñëåäíåì ñëó÷àå íàíî÷àñòèöû VO2 ñîçäàâàëèñü â ñòåêëå ïóòåì åãî ëåãèðîâàíèÿ èîíàìè âàíàäèÿ è êèñëîðîäà è ïîñëåäóþùåãî îòæèãà.
“Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 1, 2008
Íàíîïîðèñòûå ñèëèêàòíûå ñòåêëà [15] ÿâëÿþòñÿ èäåàëüíûì ìàòåðèàëîì äëÿ ñîçäàíèÿ îáúåìíûõ îïòè÷åñêèõ êîìïîçèòîâ. Îíè îïòè÷åñêè ïðîçðà÷íû, õèìè÷åñêè èíåðòíû, âûäåðæèâàþò íàãðåâ äî ñîòåí ãðàäóñîâ è ïîçâîëÿþò ïîëó÷àòü îáðàçöû òîëùèíîé äî 10 ìì. Ïîýòîìó â íàøåì èññëåäîâàíèè äëÿ ñîçäàíèÿ êîìïîçèòà ñ íàíî÷àñòèöàìè VO2 áûë âûáðàí èìåííî ýòîò òèï ìàòåðèàëà.  äàííîé ðàáîòå îïèñàí ìåòîä ñèíòåçà íàíî÷àñòèö VO2 â ïîðàõ ñòåêëà è ïðèâåäåíû ýêñïåðèìåíòàëüíûå è òåîðåòè÷åñêèå ðåçóëüòàòû èññëåäîâàíèÿ ëèíåéíûõ è íåëèíåéíûõ îïòè÷åñêèõ ñâîéñòâ êîìïîçèòà íàíîïîðèñòîå ñòåêëî–VO2.
 êà÷åñòâå îñíîâû äëÿ ñîçäàíèÿ êîìïîçèòà â ðàáîòå èñïîëüçîâàëèñü ñèëèêàòíûå íàíîïîðèñòûå ñòåêëà [15] òîëùèíîé 1 ìì ñî ñðåäíèì ðàçìåðîì ïîð 7 íì (NPG7) è 17 íì (NPG17). Îáúåìíàÿ êîíöåíòðàöèÿ ïîð â NPG7 ñîñòàâëÿëà 20–25%, â NPG17 – 50–52%. Êîýôôèöèåíò ïðîïóñêàíèÿ â ñïåêòðàëüíîì èíòåðâàëå 0,5–1,5 ìêì äëÿ NPG7 èçìåíÿëñÿ îò 80 äî 92%, äëÿ NPG17 – îò 70 äî 90%.
Ïðîöåäóðà ñèíòåçà íàíî÷àñòèö çàêëþ÷àëàñü â ñîçäàíèè â ïîðàõ ñòåêëà êðèñòàëëè÷åñêèõ íàíî÷àñòèö V2O5 è ïîñëåäóþùåì âîññòàíîâëåíèè V2O5 äî VO2 â âîäîðîäå. Îêñèäû âàíàäèÿ ñ âûñîêèì ñîäåðæàíèåì êèñëîðîäà îáðàçóþò ñëåäóþùèé ðÿä [1]: V2O5 (S) – V3O7 (S) – V4O9 (S) – V6O13 (150 K) – VO2 (340 K) – V8O15 (70 K).  ñêîáêàõ óêàçàíî ñîñòîÿ-
43
T, % 1
80 2
40
3
0 0,4 0,8 1,2 1,6 λ, ìêì
Ðèñ. 1. Ñïåêòðû ïðîïóñêàíèÿ íàíîïîðèñòûõ ñòåêîë ñ íàíî÷àñòèöàìè îêñèäîâ âàíàäèÿ. 1 – NPG17:V2O5, 2 – NPG7:VO2, 3 – NPG17:VO2. Òîëùèíà îáðàçöîâ 1 ìì.
íèå îêñèäà áåç ÔÏÏÌ (S – ïîëóïðîâîäíèê) ëèáî òåìïåðàòóðà ÔÏÏÌ äëÿ îêñèäîâ, îáëàäàþùèõ îáðàòèìûì ôàçîâûì ïåðåõîäîì.
Äëÿ ñîçäàíèÿ êîìïîçèòà îáðàçöû íàíîïîðèñòûõ ñòåêîë çàïîëíÿëèñü íàñûùåííûì âîäíûì ðàñòâîðîì ïîëèâàíàäèåâîé êèñëîòû è âûñóøèâàëèñü. Ïðè ýòîì â ïîðàõ ñòåêëà ôîðìèðîâàëèñü òâåðäûå ÷àñòèöû V2O5·nH2O. Ïðè ïîñëåäóþùåì îòæèãå íà âîçäóõå ïðè t = 450 °Ñ â òå÷åíèå 2 ÷ ïðîèñõîäèëè òåðìè÷åñêîå ðàçëîæåíèå V2O5·nH2O äî V2O5 è êðèñòàëëèçàöèÿ íàíî÷àñòèö V2O5. Äàëåå ïðîâîäèëñÿ íàãðåâ îáðàçöîâ â àòìîñôåðå âîäîðîäà â òå÷åíèå 16 ÷ ïðè òåìïåðàòóðå 200 °Ñ. Äëèòåëüíîñòü äàííîãî ýòàïà îïðåäåëÿåòñÿ íåîáõîäèìîñòüþ âûâîäà èç ïîð ñòåêëà ïðîäóêòîâ ðåàêöèè (H2O) è çàïîëíåíèÿ èõ íîâûìè ïîðöèÿìè H2 ïóòåì äèôôóçèè. Ïðè óâåëè÷åíèè òåìïåðàòóðû îáðàáîòêè äî 300 °Ñ äëèòåëüíîñòü äàííîãî ýòàïà óìåíüøàåòñÿ äî 8–9 ÷. Îïèñàííàÿ
ïðîöåäóðà ïîçâîëÿåò ïîëó÷èòü îáúåìíóþ êîíöåíòðàöèþ íàíî÷àñòèö VO2 â îáðàçöàõ 0,05–0,1%.
Îáðàçöû, çàïîëíåííûå íàíî÷àñòèöàìè V2O5, èìåëè ñâåòëî-æåëòóþ îêðàñêó. Ïîñëå âîññòàíîâëåíèÿ â âîäîðîäå îáðàçöû ñòàíîâÿòñÿ êîðè÷íåâûìè. Íà ðèñ. 1 ïîêàçàíû ñïåêòðû ïðîïóñêàíèÿ íàíîïîðèñòûõ ñòåêîë ñ íàíî÷àñòèöàìè V2O5 (êðèâàÿ 1) è VO2 (êðèâûå 2 è 3) ïðè êîìíàòíîé òåìïåðàòóðå. Îñîáåííîñòè ñïåêòðà íà äëèíàõ âîëí 1350 è 1900 íì ñâÿçàíû ñî ñëåäàìè âîäû â ïîðàõ è ãèäðîêñèëüíûìè ãðóïïàìè.
Íà ðèñ. 2 ïîêàçàíû çàâèñèìîñòè êîýôôèöèåíòà ïðîïóñêàíèÿ îò òåìïåðàòóðû îáðàçöîâ NPG17 (à) è NPG7 (á) ñ íàíî÷àñòèöàìè VO2 íà äëèíå âîëíû 1,15 ìêì. Ðåçêîå èçìåíåíèå êîýôôèöèåíòà ïðîïóñêàíèÿ â òåìïåðàòóðíîì èíòåðâàëå 40–75 °Ñ, îáðàòèìîñòü ýòîãî ýôôåêòà è íàëè÷èå ïåòëè ãèñòåðåçèñà óêàçûâàþò íà òî, ÷òî íàíî÷àñòèöû VO2, ñèíòåçèðîâàííûå â ïîðàõ ñòåêëà, íàõîäÿòñÿ â êðèñòàëëè÷åñêîì ñîñòîÿíèè è îáëàäàþò ÔÏÏÌ. Îöåíêà ñðåäíåãî ðàçìåðà ïîëó÷åííûõ íàíî÷àñòèö VO2 äàåò âåëè÷èíó 6–8 íì äëÿ NPG17 è 2–4 íì äëÿ NPG7. Ôàçîâûé ïåðåõîä íàíî÷àñòèö VO2 â îáðàçöå NPG17 íà÷èíàåòñÿ ïðè t = 65 °Ñ è çàâåðøàåòñÿ ïðè t = 75 °Ñ. Øèðèíà ïåòëè òåìïåðàòóðíîãî ãèñòåðåçèñà äëÿ äàííîãî îáðàçöà ðàâíà 35 °Ñ. Ôàçîâûé ïåðåõîä íàíî÷àñòèö VO2 â îáðàçöå NPG7 íà÷èíàåòñÿ ïðè t = 50 °Ñ è çàâåðøàåòñÿ ïðè t = 75 °Ñ. Øèðèíà ïåòëè òåìïåðàòóðíîãî ãèñòåðåçèñà äëÿ äàííîãî îáðàçöà ïðèìåðíî ðàâíà 30 °Ñ.
Èññëåäîâàíèÿ íåëèíåéíî-îïòè÷åñêîãî îòêëèêà íàíîïîðèñòûõ ñòåêîë ñ íàíî÷àñòèöàìè VO2 ïðîâîäèëèñü ïðè êîìíàòíîé òåìïåðàòóðå íà äëèíå âîëíû 1,06 ìêì ïðè äëèòåëüíîñòè ëàçåðíîãî èìïóëüñà
T, %
40 35
T, % (à)
60
55
(á)
30 50
25 0 20 40 60 t, °C
45 20 40 60 t, °C
Ðèñ. 2. Çàâèñèìîñòè êîýôôèöèåíòà ïðîïóñêàíèÿ NPG17:VO2 (à) è NPG7:VO2 (á) îò òåìïåðàòóðû. λ = 1,15 ìêì. 44 “Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 1, 2008
Åâûõ, ìÄæ/ñì2 10
5
02 Åâûõ, Äæ 10–6
4
10–8
(à)
6 8 10 Åâõ, ìÄæ/ñì2
(á)
ôàçå). Ïðè÷èíîé ýòîãî ìîæåò áûòü òî, ÷òî ïðè äàííîé èíòåíñèâíîñòè èçëó÷åíèÿ ñêîðîñòü ãåíåðàöèè íåðàâíîâåñíûõ íîñèòåëåé çàðÿäà â íàíî÷àñòèöàõ ìàëà ïî ñðàâíåíèþ ñî ñêîðîñòüþ èõ ðåêîìáèíàöèè. Êîíöåíòðàöèÿ íåðàâíîâåñíûõ íîñèòåëåé çàðÿäà â ýòîì ñëó÷àå îêàçûâàåòñÿ íåäîñòàòî÷íîé äëÿ ïåðåâîäà íàíî÷àñòèöû â ìåòàëëè÷åñêóþ ôàçó ïî ýëåêòðîííîìó êàíàëó.  ñôîêóñèðîâàííîì ïó÷êå ïîðîã âîçíèêíîâåíèÿ îïòè÷åñêîé íåëèíåéíîñòè ñíèæàåòñÿ äî 10–9 Äæ (ðèñ. 3á) áëàãîäàðÿ óâåëè÷åíèþ ïëîòíîñòè ýíåðãèè â ôîêóñå ïó÷êà. Ýíåðãåòè÷åñêàÿ îáëàñòü ñóùåñòâîâàíèÿ îïòè÷åñêîé íåëèíåéíîñòè ïðè ýòîì ñóùåñòâåííî ðàñøèðÿåòñÿ çà ñ÷åò âêëàäà ñâåòîèíäóöèðîâàííîãî èçìåíåíèÿ ïîêàçàòåëÿ ïðåëîìëåíèÿ è ýôôåêòà ñàìîäåôîêóñèðîâêè.
Íà ðèñ. 4 ïîêàçàí îïòè÷åñêèé îòêëèê íàíîïîðèñòûõ ñòåêîë NPG7 ñ íàíî÷àñòèöàìè VO2 â ïèêî-
10–10
10–10
10–8
10–6 Åâõ, Äæ
Ðèñ. 3. Íåëèíåéíî-îïòè÷åñêèé îòêëèê NPG17:VO2 äëÿ λ = 1,06 ìêì è τ = 10 íñ. Íà âñòàâêàõ ïîêàçàíû óñëîâèÿ ýêñïåðèìåíòà.
10 íñ è 500 ïñ è íà äëèíå âîëíû 0,56 ìêì ïðè äëèòåëüíîñòè ëàçåðíîãî èìïóëüñà 20 ïñ. Ýêñïåðèìåíòû ïðîâîäèëèñü â ïàðàëëåëüíîì ëàçåðíîì ïó÷êå äèàìåòðîì 3–6 ìì, à òàêæå â ñôîêóñèðîâàííîì ïó÷êå ñ äèàôðàãìîé ïåðåä ôîòîïðèåìíèêîì.  ïåðâîì ñëó÷àå íåëèíåéíî-îïòè÷åñêèé îòêëèê ôîðìèðîâàëñÿ òîëüêî çà ñ÷åò ñâåòîèíäóöèðîâàííîãî èçìåíåíèÿ êîýôôèöèåíòà ïîãëîùåíèÿ îáðàçöîâ. Âî âòîðîì ñëó÷àå – çà ñ÷åò ñâåòîèíäóöèðîâàííîãî èçìåíåíèÿ êîýôôèöèåíòà ïîãëîùåíèÿ è ïîêàçàòåëÿ ïðåëîìëåíèÿ. Èçìåíåíèå ïîêàçàòåëÿ ïðåëîìëåíèÿ ïðè ýòîì ïðèâîäèò ê îáðàçîâàíèþ îòðèöàòåëüíîé äèíàìè÷åñêîé ëèíçû, ýôôåêòó ñàìîäåôîêóñèðîâêè [12] è óâåëè÷åíèþ íåëèíåéíî-îïòè÷åñêîãî îòêëèêà.
Íà ðèñ. 3à ïîêàçàíà çàâèñèìîñòü ýíåðãèè ïðîøåäøåãî ÷åðåç îáðàçåö èçëó÷åíèÿ îò ýíåðãèè ïàäàþùåãî äëÿ îáðàçöà NPG17:VO2 äëÿ äëèíû âîëíû 1,06 ìêì ïðè äëèòåëüíîñòè ëàçåðíîãî èìïóëüñà τ = 10 íñ. Èç ðèñóíêà âèäíî, ÷òî â ïàðàëëåëüíîì ïó÷êå íåëèíåéíî-îïòè÷åñêèé îòêëèê âîçíèêàåò ïðè Åâõ = 2 ìÄæ/ñì2. Îòíîñèòåëüíî áîëüøàÿ âåëè÷èíà ïîðîãîâîé ïëîòíîñòè ýíåðãèè óêàçûâàåò íà òî, ÷òî ÔÏÏÌ â äàííîì ñëó÷àå èíèöèèðóåòñÿ òåïëîâûìè ïðîöåññàìè, íåñìîòðÿ íà òî ÷òî hν > Eg (Eg – øèðèíà çàïðåùåííîé çîíû VO2 â ïîëóïðîâîäíèêîâîé
“Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 1, 2008
Åâûõ, ìÄæ/ñì2 1,5
1,0
0,5
01 Åâûõ, ìÄæ/ñì2
20 2
10
(à)
23 Åâõ, ìÄæ/ñì2 (á)
1
0 20 40 60 Åâõ, ìÄæ/ñì2
Ðèñ. 4. Íåëèíåéíî-îïòè÷åñêèé îòêëèê NPG7:VO2. λ = 1,06 ìêì è τ = 500 ïñ (à). 1 – λ = 0,56 ìêì è τ = 20 ïñ, 2 – λ = 0,53 ìêì è τ = 500 ïñ (á).
45
ñåêóíäíîì äèàïàçîíå â ïàðàëëåëüíîì ïó÷êå. Íåëèíåéíî-îïòè÷åñêèé îòêëèê ôîðìèðóåòñÿ ïðè Åâõ = = 1–1,6 ìÄæ/ñì2 êàê äëÿ äëèíû âîëíû 1,06 ìêì, òàê è â âèäèìîé îáëàñòè ñïåêòðà. Îäíàêî îòêëîíåíèå îò ëèíåéíîñòè ïðîïóñêàíèÿ íà äëèíå âîëíû 1,06 ìêì ñóùåñòâåííî âûøå, ÷åì íà äëèíå âîëíû 0,53–0,56 ìêì. Ýòî ñâÿçàíî ñ òåì, ÷òî èçìåíåíèå êîýôôèöèåíòà ïîãëîùåíèÿ VO2 ïðè ÔÏÏÌ â áëèæíåì ÈÊ äèàïàçîíå â íåñêîëüêî ðàç áîëüøå, ÷åì â âèäèìîé îáëàñòè ñïåêòðà [5]. Êðîìå òîãî, îïòè÷åñêèé îòêëèê ñðåäû ñ íàíî÷àñòèöàìè VO2 â ñïåêòðàëüíîì èíòåðâàëå 1–1,5 ìêì óñèëèâàåòñÿ çà ñ÷åò ïëàçìîííîãî ðåçîíàíñà (íàïðèìåð, [10]). Óâåëè÷åíèå ýôôåêòà îãðàíè÷åíèÿ èçëó÷åíèÿ ïðè óìåíüøåíèè äëèòåëüíîñòè ëàçåðíîãî èìïóëüñà äëÿ λ = 0,53– 0,56 ìêì ìîæåò áûòü ñâÿçàíî ñ âêëàäîì ñâåòîèíäóöèðîâàííîé ãåíåðàöèè íåðàâíîâåñíûõ íîñèòåëåé çàðÿäà â ïðîöåññ ÔÏÏÌ è èíèöèèðîâàíèåì ýëåêòðîííîãî êàíàëà äàííîãî ïðîöåññà.
 êîìïîçèòíûõ ñðåäàõ ñ íåëèíåéíî-îïòè÷åñêèìè íàíî÷àñòèöàìè îïòè÷åñêèé îòêëèê ìîæåò ôîðìèðîâàòüñÿ íå òîëüêî çà ñ÷åò ñâåòîèíäóöèðîâàííîãî èçìåíåíèÿ ýôôåêòèâíîãî ïîêàçàòåëÿ ïîãëîùåíèÿ è ïðåëîìëåíèÿ ñðåäû, íî è çà ñ÷åò ñâåòîèíäóöèðîâàííîãî èçìåíåíèÿ ñå÷åíèÿ ðàññåÿíèÿ íàíî÷àñòèö. Äëÿ îöåíêè âêëàäà ñâåòîðàññåÿíèÿ â îïòè÷åñêèé îòêëèê áûëî ïðîâåäåíî ÷èñëåííîå ìîäåëèðîâàíèå îïòè÷åñêèõ ñâîéñòâ íàíî÷àñòèö VO2 â ïîðàõ ñòåêëà äëÿ ïîëóïðîâîäíèêîâîé è ìåòàëëè÷åñêîé ôàç.
×èñëåííîå ìîäåëèðîâàíèå ïðîâîäèëîñü â ïðèáëèæåíèè ñôåðè÷åñêèõ ÷àñòèö, èìåþùèõ ðàçìåð ìíîãî ìåíüøå äëèíû âîëíû. Òàê êàê íàíî÷àñòèöà íå ïîëíîñòüþ çàïîëíÿåò ïîðó ñòåêëà, òî â ðàñ÷åòàõ èñïîëüçîâàëàñü ìîäåëü ñôåðè÷åñêîé íàíî÷àñòèöû, ñîñòîÿùåé èç ÿäðà (VO2) è òîíêîé êîíöåíòðè÷åñêîé îáîëî÷êè (âîçäóõ). Ñå÷åíèÿ ïîãëîùåíèÿ è ðàññåÿíèÿ íàíî÷àñòèöû ñ îáîëî÷êîé îïèñûâàþòñÿ ñëåäóþùèìè âûðàæåíèÿìè [16]:
σa
=
8π2
εh λ
rs3
Im(δ),
σs
=
128π5εh2 3λ4
rs6
δ 2,
çäåñü
δ
=
εsεa − εhεb εsεa + 2εhεb
– ïîëÿðèçóåìîñòü íàíî÷à-
ñòèöû
εa = εc(3 − 2P) + 2εs P,
εb = εc + εc(3 − P),
P
=
1
−
⎛ ⎜ ⎝
rc rs
⎞⎟3, ⎠
ãäå εh, εc, εs – äèýëåêòðè÷åñêàÿ ïðîíèöàåìîñòü ñðåäû, ÿäðà è îáîëî÷êè ñîîòâåòñòâåííî, rc – ðàäèóñ
46
ÿäðà, rs – ðàäèóñ îáîëî÷êè, λ – äëèíà âîëíû èçëó÷åíèÿ.
Óñëîâèåì âîçíèêíîâåíèÿ ïëàçìîííîãî ðåçîíàíñà ÿâëÿåòñÿ îáðàùåíèå â íóëü äåéñòâèòåëüíîé ÷àñòè çíàìåíàòåëÿ ïîëÿðèçóåìîñòè íàíî÷àñòèöû [16]
Re(A) = Re(εsεa + 2εhεb) = 0.
Ïðè ìîäåëèðîâàíèè èñïîëüçîâàëèñü îïòè÷åñêèå êîíñòàíòû VO2 èç [5] äëÿ ñïåêòðàëüíîãî èíòåðâàëà λ = 0,8–1,8 ìêì, ðàäèóñ ÿäðà è îáîëî÷êè rc = 4 íì è rs = 8,5 íì ñîîòâåòñòâåííî. Ïîêàçàòåëü ïðåëîìëåíèÿ ñòåêëà – 1,45.
Ðàñ÷åòíûå ñïåêòðàëüíûå çàâèñèìîñòè ñå÷åíèÿ ïîãëîùåíèÿ è ðàññåÿíèÿ íàíî÷àñòèö VO2 â ïîðàõ ñòåêëà äëÿ ïîëóïðîâîäíèêîâîé è ìåòàëëè÷åñêîé ôàç ïîêàçàíû íà ðèñ. 5. Èç ðèñóíêà âèäíî, ÷òî â ñïåêòðàëüíîì èíòåðâàëå 0,8–1,2 ìêì ïðîèñõîäèò ñóùåñòâåííîå óâåëè÷åíèå ìîäóëÿöèè ñå÷åíèÿ ïîãëîùåíèÿ íàíî÷àñòèö ïðè ÔÏÏÌ çà ñ÷åò ïëàçìîííîãî ðåçîíàíñà. Ìàêñèìóì ïëàçìîííîãî ðåçîíàíñà ïðèõîäèòñÿ íà λ = 0,8 ìêì.  òî æå âðåìÿ èçìåíåíèå ñå÷åíèÿ ðàññåÿíèÿ âî âñåì ñïåêòðàëüíîì èíòåðâàëå ìàëî è îòíîøåíèå Δ = σs(M)/σs(S) áëèçêî ê åäèíèöå (M è S – ìåòàëëè÷åñêàÿ è ïîëóïðîâîäíèêîâàÿ ôàçà VO2 ñîîòâåòñòâåííî). Òàêèì îáðàçîì, â ñïåêòðàëüíîì èíòåðâàëå 0,8–1,8 ìêì îñíîâíîé âêëàä â îïòè÷åñêèé îòêëèê ñðåäû âíîñèò èçìåíåíèå ïîãëîùåíèÿ íàíî÷àñòèö ïðè ÔÏÏÌ. Àíàëîãè÷íàÿ ñèòóàöèÿ íàáëþäàåòñÿ è â âèäèìîé îáëàñòè ñïåêòðà. Îäíàêî ìîäóëÿöèÿ ñå÷åíèÿ ïîãëîùåíèÿ â ýòîì ñëó÷àå çíà÷èòåëüíî íèæå èç-çà îòñóòñòâèÿ ïëàçìîííîãî ðåçîíàíñà è ìàëîãî èçìåíåíèÿ îïòè÷åñêèõ êîí-
σh×10–14, ñì2 3
σs×10–17, ñì2 1
2
4 13
2
0,5
1 0 1,0
1,2 1,4
1,6 λ, ìêì
Ðèñ. 5. Ðàñ÷åòíûå ñïåêòðàëüíûå çàâèñèìîñòè ñå÷åíèÿ ïîãëîùåíèÿ è ñå÷åíèÿ ðàññåÿíèÿ íàíî÷àñòèö VO2 â ïîðàõ ñòåêëà. 1, 2 – σa â ïîëóïðîâîäíèêîâîé è ìåòàëëè÷åñêîé ôàçàõ ñîîòâåòñòâåííî; 3, 4 – σs â ïîëóïðîâîäíèêîâîé è ìåòàëëè÷åñêîé ôàçàõñîîòâåòñòâåííî.
“Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 1, 2008
ñòàíò VO2 ïðè ÔÏÏÌ â ýòîì ñïåêòðàëüíîì èíòåðâàëå.
Òàê êàê íàíî÷àñòèöà çàíèìàåò ëèøü ÷àñòü îáúåìà ïîðû ñòåêëà, òî ñóùåñòâóåò âîçìîæíîñòü çàïîëíåíèÿ îñòàâøåãîñÿ îáúåìà ïîðû æèäêîñòüþ èëè òâåðäûì ïîëèìåðîì. Òàêîå çàïîëíåíèå ìîæåò ïðèâåñòè ê ñóùåñòâåííîìó èçìåíåíèþ âêëàäà ñâåòîðàññåÿíèÿ â îïòè÷åñêèé îòêëèê ñðåäû. Íà ðèñ. 6 ïîêàçàíà ðàñ÷åòíàÿ çàâèñèìîñòü Δ îò ïîêàçàòåëÿ ïðåëîìëåíèÿ ñðåäû, îêðóæàþùåé íàíî÷àñòèöó â ïîðå ñòåêëà. Èç ðèñóíêà âèäíî, ÷òî ïðè ns = 1,28–1,3 ïðîèñõîäèò óâåëè÷åíèå Δ â äåñÿòêè ðàç. Äàííûé ýôôåêò ñâÿçàí ñ òåì, ÷òî äëÿ íàíî÷àñòèö ñ îáîëî÷êîé ñóùåñòâóåò óñëîâèå, ïðè êîòîðîì ïðîèñõîäèò ðåçîíàíñíîå óìåíüøåíèå ñâåòîðàññåÿíèÿ – îáðàùåíèå â íóëü ÷èñëèòåëÿ â âûðàæåíèè äëÿ ïîëÿðèçóåìîñòè íàíî÷àñòèöû ñ îáîëî÷êîé δ [16]. Äëÿ ðàññìàòðèâàåìîãî íàìè ñëó÷àÿ ýòî óñëîâèå âûïîëíÿåòñÿ ïðè îïðåäåëåííîì ñîîòíîøåíèè ïîêàçàòåëåé ïðåëîìëåíèÿ ÿäðà è îáîëî÷êè íàíî÷àñòèöû è îêðóæàþùåé ñðåäû äëÿ ïîëóïðîâîäíèêîâîé ôàçû VO2 (ÿäðî íàíî÷àñòèöû). Ïðè ýòîì ïðîèñõîäèò çíà÷èòåëüíîå óìåíüøåíèå ñâåòîðàññåÿíèÿ ñðåäû ñ ïîëóïðîâîäíèêîâûìè íàíî÷àñòèöàìè VO2, íî ñëàáî ìåíÿåòñÿ ñâåòîðàññåÿíèå ñðåäû ñ ìåòàëëè÷åñêèìè íàíî÷àñòèöàìè VO2.  ðåçóëüòàòå ñóùåñòâåííî óâåëè÷èâàåòñÿ âåëè÷èíà Δ.
Òàêèì îáðàçîì, ðàçðàáîòàí ìåòîä ñèíòåçà íàíî÷àñòèö VO2, îáëàäàþùèõ ÔÏÏÌ, â íàíîïîðèñòûõ ñèëèêàòíûõ ñòåêëàõ. Óñòàíîâëåíî, ÷òî êîìïîçèòíàÿ ñðåäà íàíîïîðèñòîå ñòåêëî–äèîêñèä âàíàäèÿ îáëàäàåò íåëèíåéíî-îïòè÷åñêèìè ñâîéñòâàìè ñ ïèêîñå-
Δ 150
2
100
50 1
0 1,0 1,2
1,4 ns
Ðèñ. 6. Ðàñ÷åòíûå çàâèñèìîñòè îòíîøåíèÿ ñå÷åíèÿ ðàññåÿíèÿ â ìåòàëëè÷åñêîé è ïîëóïðîâîäíèêîâîé ôàçàõ íàíî÷àñòèö VO2 îò ïîêàçàòåëÿ ïðåëîìëåíèÿ ñðåäû, îêðóæàþùåé íàíî÷àñòèöó. 1 – λ = 1,06 ìêì, 2 – 1,5 ìêì.
“Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 1, 2008
êóíäíûì áûñòðîäåéñòâèåì â âèäèìîì è áëèæíåì ÈÊ äèàïàçîíàõ. Ìåòîäàìè ÷èñëåííîãî ìîäåëèðîâàíèÿ ïîêàçàíî, ÷òî îñíîâíîé âêëàä â íåëèíåéíî-îïòè÷åñêèé îòêëèê âíîñèò ñâåòîèíäóöèðîâàííîå èçìåíåíèå ñå÷åíèÿ ïîãëîùåíèÿ íàíî÷àñòèö. Îäíàêî ïðè äîïîëíèòåëüíîì çàïîëíåíèè ïîð ñòåêëà ïðîçðà÷íîé ñðåäîé ñ îïðåäåëåííûì ïîêàçàòåëåì ïðåëîìëåíèÿ îïòè÷åñêèé îòêëèê ìîæåò áûòü óâåëè÷åí çà ñ÷åò óâåëè÷åíèÿ èçìåíåíèÿ ñå÷åíèÿ ðàññåÿíèÿ. Ðàçðàáîòàííàÿ êîìïîçèòíàÿ ñðåäà ìîæåò áûòü èñïîëüçîâàíà ïðè ñîçäàíèè áûñòðîäåéñòâóþùèõ îïòè÷åñêèõ ïåðåêëþ÷àòåëåé è îãðàíè÷èòåëåé èçëó÷åíèÿ âèäèìîãî è áëèæíåãî ÈÊ äèàïàçîíîâ.
Ðàáîòà âûïîëíåíà â ðàìêàõ ïðîåêòà ISTC # 3063p.
ËÈÒÅÐÀÒÓÐÀ
11. Bruckner W., Opperman H., Reichelt W. et al. Vanadiumoxide. Berlin: Akademie-Verlag, 1983. 252 p.
12. Áóãàåâ À.À., Çàõàð÷åíÿ Á.Ï., ×óäíîâñêèé Ô.À. Ôàçîâûé ïåðåõîä ïîëóïðîâîäíèê-ìåòàëë è åãî ïðèìåíåíèå. Ë.: Íàóêà, 1979. 183 ñ.
13. Becker M.F., Buckman A.B., Walser R.M. et al. Femtosecond laser excitation of the semiconductor-metal phase transition in VO2 // J. Appl. Phys. 1996. V. 79. ¹ 5. P. 2404–2408.
14. Cavallieri A., Toth C., Siders C.W. et al. Femtosecond structural dynamics in VO2 during ultrafast solid-solid phase transition // Phys. Rev. Lett. 2001. V. 87. ¹ 23. P. 237401–237405.
15. Rini M., Cavalleri A., Schoenlein R.W. et al. Photoinduced phase transition in VO2 nanocrystals: ultrafast control of surface-plasmon resonance // Opt. Lett. 2005. V. 30. ¹ 5. P. 558–560.
16. Êîíîâàëîâà Î.Ï., Ñèäîðîâ À.È., Øàãàíîâ È.È. Èíòåðôåðåíöèîííûå ñèñòåìû óïðàâëÿåìûõ çåðêàë íà îñíîâå äèîêñèäà âàíàäèÿ äëÿ ñïåêòðàëüíîãî äèàïàçîíà 0,6– 10,6 ìêì // Îïòè÷åñêèé æóðíàë. 1999. Ò. 66. ¹ 5. Ñ. 13–21.
17. Áóãàåâ À.À., Çàõàð÷åíÿ Á.Ï. Îêèñíàÿ ïëåíêà âàíàäèÿ êàê ðåãèñòðèðóþùàÿ ñðåäà äëÿ ãîëîãðàôèè // Êâàíòîâàÿ ýëåêòðîíèêà. 1979. Ò. 6. Â. 7. Ñ. 1459–1465.
18. Ãðèãîðüåâ Ì.È., Îëåéíèê À.Ñ., Ñìîëÿêîâ Â.Ô. Òåðìîõðîìíûå èíäèêàòîðû íà îñíîâå ìàòåðèàëà ÔÒÈÐÎÑ // Ýëåêòðîííàÿ ïðîìûøë. 1982. Â. 5–6. Ñ. 108–111.
19. Äàíèëîâ Î.Á., Ìèõååâà Î.Ï., Ñèäîðîâ À.È. è äð. Îïòè÷åñêîå îãðàíè÷åíèå èçëó÷åíèÿ ñðåäíåãî ÈÊ äèàïàçîíà â ïëåíêàõ äèîêñèäà âàíàäèÿ // ÆÒÔ. 2003. Ò. 73. Â. 1. Ñ. 79–83.
10. Lopez R., Haynes T.E., Boatner L.A. et al. Temperaturecontrolled surface plasmon resonance in VO2 nanorods // Opt. Lett. 2002. V. 27. ¹ 15. P. 1327–1329.
11. Àêèìîâ À.Â., Âèð÷åíêî À.Â., Ãîëóáåâ Â.Ã. è äð. Ïåðåñòðîéêà ñïåêòðà áðýããîâñêîé äèôðàêöèè â êîìïîçèòàõ îïàë–VO2 ïîä äåéñòâèåì ëàçåðíûõ èìïóëüñîâ // ÔÒÒ. 2003. Ò. 45. ¹ 2. Ñ. 231–238.
47
12. Îñòðîñàáëèíà À.À., Ñèäîðîâ À.È. Íåëèíåéíî-îïòè÷åñêèå ñâîéñòâà òîëñòûõ êîìïîçèòíûõ ñðåä ñ íàíî÷àñòèöàìè äèîêñèäà âàíàäèÿ. I. Ñàìîäåôîêóñèðîâêà èçëó÷åíèÿ âèäèìîãî è áëèæíåãî ÈÊ äèàïàçîíîâ // Îïòè÷åñêèé æóðíàë. 2005. Ò. 72. ¹ 7. Ñ. 36–41.
13. Îñòðîñàáëèíà À.À., Âèíîãðàäîâà Î.Ï., Ñèäîðîâ À.È. Íåëèíåéíî-îïòè÷åñêèå ñâîéñòâà òîëñòûõ êîìïîçèòíûõ ñðåä ñ íàíî÷àñòèöàìè äèîêñèäà âàíàäèÿ. II. Ñàìîôîêóñèðîâêà èçëó÷åíèÿ ñðåäíåãî ÈÊ äèàïàçîíà // Îïòè÷åñêèé æóðíàë. 2006. Ò. 73. ¹ 2. Ñ. 17–20.
14. Lopez R., Haynes T.E., Boatner L.A. et al. Enhanced hysteresis in the semiconductor-to-metal phase transition of VO2 precipitates formed in SiO2 by ion implantation // Appl. Phys. Lett. 2001. V. 79. P. 3161–3170.
15. Àíäðååâà Î.Â., Îáûêíîâåííàÿ È.Å., Ãàâðèëþê Å.Ð. è äð. Ãàëîãåíèäîñåðåáðÿíûå ôîòîìàòåðèàëû íà îñíîâå íàíîïîðèñòûõ ñòåêîë // Îïòè÷åñêèé æóðíàë. 2005. Ò. 72. ¹ 12. Ñ. 37–45.
16. Áîðåí Ê., Õàôìåí Ä. Ïîãëîùåíèå è ðàññåÿíèå ñâåòà ìàëûìè ÷àñòèöàìè Ì.: Ìèð, 1986. 664 ñ.
48 “Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 1, 2008
ÓÄÊ 535.241.13:621.373.826
ÎÏÒÈ×ÅÑÊÈÅ ÑÂÎÉÑÒÂÀ ÍÀÍÎ×ÀÑÒÈÖ ÄÈÎÊÑÈÄÀ ÂÀÍÀÄÈß Â ÍÀÍÎÏÎÐÈÑÒÛÕ ÑÒÅÊËÀÕ
© 2008 ã. © 2007 ã. © 2007 ã.
À. È. Ñèäîðîâ, äîêòîð ôèç.-ìàò. íàóê; Î. Ï. Âèíîãðàäîâà; Ò. À. Õðóùåâà; È. Å. Îáûêíîâåííàÿ, êàíä. ôèç.-ìàò. íàóê; Ã. Í. Åðìîëàåâà, êàíä. ôèç.-ìàò. íàóê; Â. Á. Øèëîâ, äîêòîð ôèç.-ìàò. íàóê
ÍÏÊ “Ãîñóäàðñòâåííûé îïòè÷åñêèé èíñòèòóò èì. Ñ.È. Âàâèëîâà”, Ñàíêò-Ïåòåðáóðã
E-mail: aisidorov@newmail.ru
Ïðîâåäåí ñèíòåç íàíî÷àñòèö äèîêñèäà âàíàäèÿ â ñèëèêàòíûõ íàíîïîðèñòûõ ñòåêëàõ ñ ðàçìåðîì ïîð 7 è 17 íì. Ïîëó÷åíû ñòàòè÷åñêèå òåìïåðàòóðíûå ïåòëè ãèñòåðåçèñà êîýôôèöèåíòà ïðîïóñêàíèÿ, ñîîòâåòñòâóþùèå ôàçîâîìó ïåðåõîäó ïîëóïðîâîäíèê–ìåòàëë â íàíî÷àñòèöàõ äèîêñèäà âàíàäèÿ, íà äëèíå âîëíû 1,15 ìêì. Èçìåðåí íåëèíåéíî-îïòè÷åñêèé îòêëèê íàíî÷àñòèö â âèäèìîì è áëèæíåì ÈÊ äèàïàçîíàõ äëÿ ïèêîñåêóíäíûõ ëàçåðíûõ èìïóëüñîâ. Ïðîâåäåíî ÷èñëåííîå ìîäåëèðîâàíèå èçìåíåíèÿ îïòè÷åñêèõ ñâîéñòâ íàíî÷àñòèö â ïîðàõ ñòåêëà ïðè ôàçîâîì ïåðåõîäå ïîëóïðîâîäíèê–ìåòàëë.
Êîäû OCIS: 160.0160.
Ïîñòóïèëà â ðåäàêöèþ 21.02.2007.
Äèîêñèä âàíàäèÿ (VO2) êàê îïòè÷åñêèé ìàòåðèàë ïðèâëåêàåò âíèìàíèå èññëåäîâàòåëåé íà ïðîòÿæåíèè ìíîãèõ äåñÿòèëåòèé. Ïðè÷èíîé ýòîãî ÿâëÿåòñÿ îáðàòèìûé ôàçîâûé ïåðåõîä ïîëóïðîâîäíèê– ìåòàëë (ÔÏÏÌ) [1, 2], êîòîðûé ñîïðîâîæäàåòñÿ ÷ðåçâû÷àéíî ñèëüíûì èçìåíåíèåì îïòè÷åñêèõ ñâîéñòâ äàííîãî ìàòåðèàëà. Ñâåòîèíäóöèðîâàííûé ÔÏÏÌ îáëàäàåò î÷åíü âûñîêèì áûñòðîäåéñòâèåì è ìîæåò ïðîèñõîäèòü çà âðåìÿ ïîðÿäêà 100–200 ôñ [3–5]. Ïîëèêðèñòàëëè÷åñêèå ïëåíêè VO2 íàøëè ïðèìåíåíèå â çåðêàëàõ ñ óïðàâëÿåìûì êîýôôèöèåíòîì îòðàæåíèÿ [6], â êà÷åñòâå ñðåä äëÿ çàïèñè ãîëîãðàìì [7], âèçóàëèçàòîðàõ ÈÊ èçëó÷åíèÿ [8] è íåëèíåéíî-îïòè÷åñêèõ îãðàíè÷èòåëÿõ èçëó÷åíèÿ [9].  ïîñëåäíèå ãîäû âîçíèê èíòåðåñ ê îïòè÷åñêèì êîìïîçèòíûì ñðåäàì ñ íàíî÷àñòèöàìè VO2. Ýòî ñâÿçàíî ñ òåì, ÷òî â êîìïîçèòíîì ìàòåðèàëå ñ VO2 ïîÿâëÿåòñÿ âîçìîæíîñòü íå òîëüêî âàðüèðîâàòü â øèðîêèõ ïðåäåëàõ åãî ëèíåéíûå îïòè÷åñêèå ñâîéñòâà, íî è óâåëè÷èòü íåëèíåéíî-îïòè÷åñêèé îòêëèê ìàòåðèàëà çà ñ÷åò ïëàçìîííûõ ðåçîíàíñîâ íàíî÷àñòèö [5, 10]. Óæå ïðîâåäåíû èññëåäîâàíèÿ îïòè÷åñêèõ ñâîéñòâ íàíî÷àñòèö VO2 â èñêóññòâåííûõ îïàëàõ [11], ïîëèìåðíûõ ìàòåðèàëàõ [12, 13] è òîíêèõ (ìåíåå 0,5 ìêì) ñëîÿõ ñòåêëà [14].  ïîñëåäíåì ñëó÷àå íàíî÷àñòèöû VO2 ñîçäàâàëèñü â ñòåêëå ïóòåì åãî ëåãèðîâàíèÿ èîíàìè âàíàäèÿ è êèñëîðîäà è ïîñëåäóþùåãî îòæèãà.
“Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 1, 2008
Íàíîïîðèñòûå ñèëèêàòíûå ñòåêëà [15] ÿâëÿþòñÿ èäåàëüíûì ìàòåðèàëîì äëÿ ñîçäàíèÿ îáúåìíûõ îïòè÷åñêèõ êîìïîçèòîâ. Îíè îïòè÷åñêè ïðîçðà÷íû, õèìè÷åñêè èíåðòíû, âûäåðæèâàþò íàãðåâ äî ñîòåí ãðàäóñîâ è ïîçâîëÿþò ïîëó÷àòü îáðàçöû òîëùèíîé äî 10 ìì. Ïîýòîìó â íàøåì èññëåäîâàíèè äëÿ ñîçäàíèÿ êîìïîçèòà ñ íàíî÷àñòèöàìè VO2 áûë âûáðàí èìåííî ýòîò òèï ìàòåðèàëà.  äàííîé ðàáîòå îïèñàí ìåòîä ñèíòåçà íàíî÷àñòèö VO2 â ïîðàõ ñòåêëà è ïðèâåäåíû ýêñïåðèìåíòàëüíûå è òåîðåòè÷åñêèå ðåçóëüòàòû èññëåäîâàíèÿ ëèíåéíûõ è íåëèíåéíûõ îïòè÷åñêèõ ñâîéñòâ êîìïîçèòà íàíîïîðèñòîå ñòåêëî–VO2.
 êà÷åñòâå îñíîâû äëÿ ñîçäàíèÿ êîìïîçèòà â ðàáîòå èñïîëüçîâàëèñü ñèëèêàòíûå íàíîïîðèñòûå ñòåêëà [15] òîëùèíîé 1 ìì ñî ñðåäíèì ðàçìåðîì ïîð 7 íì (NPG7) è 17 íì (NPG17). Îáúåìíàÿ êîíöåíòðàöèÿ ïîð â NPG7 ñîñòàâëÿëà 20–25%, â NPG17 – 50–52%. Êîýôôèöèåíò ïðîïóñêàíèÿ â ñïåêòðàëüíîì èíòåðâàëå 0,5–1,5 ìêì äëÿ NPG7 èçìåíÿëñÿ îò 80 äî 92%, äëÿ NPG17 – îò 70 äî 90%.
Ïðîöåäóðà ñèíòåçà íàíî÷àñòèö çàêëþ÷àëàñü â ñîçäàíèè â ïîðàõ ñòåêëà êðèñòàëëè÷åñêèõ íàíî÷àñòèö V2O5 è ïîñëåäóþùåì âîññòàíîâëåíèè V2O5 äî VO2 â âîäîðîäå. Îêñèäû âàíàäèÿ ñ âûñîêèì ñîäåðæàíèåì êèñëîðîäà îáðàçóþò ñëåäóþùèé ðÿä [1]: V2O5 (S) – V3O7 (S) – V4O9 (S) – V6O13 (150 K) – VO2 (340 K) – V8O15 (70 K).  ñêîáêàõ óêàçàíî ñîñòîÿ-
43
T, % 1
80 2
40
3
0 0,4 0,8 1,2 1,6 λ, ìêì
Ðèñ. 1. Ñïåêòðû ïðîïóñêàíèÿ íàíîïîðèñòûõ ñòåêîë ñ íàíî÷àñòèöàìè îêñèäîâ âàíàäèÿ. 1 – NPG17:V2O5, 2 – NPG7:VO2, 3 – NPG17:VO2. Òîëùèíà îáðàçöîâ 1 ìì.
íèå îêñèäà áåç ÔÏÏÌ (S – ïîëóïðîâîäíèê) ëèáî òåìïåðàòóðà ÔÏÏÌ äëÿ îêñèäîâ, îáëàäàþùèõ îáðàòèìûì ôàçîâûì ïåðåõîäîì.
Äëÿ ñîçäàíèÿ êîìïîçèòà îáðàçöû íàíîïîðèñòûõ ñòåêîë çàïîëíÿëèñü íàñûùåííûì âîäíûì ðàñòâîðîì ïîëèâàíàäèåâîé êèñëîòû è âûñóøèâàëèñü. Ïðè ýòîì â ïîðàõ ñòåêëà ôîðìèðîâàëèñü òâåðäûå ÷àñòèöû V2O5·nH2O. Ïðè ïîñëåäóþùåì îòæèãå íà âîçäóõå ïðè t = 450 °Ñ â òå÷åíèå 2 ÷ ïðîèñõîäèëè òåðìè÷åñêîå ðàçëîæåíèå V2O5·nH2O äî V2O5 è êðèñòàëëèçàöèÿ íàíî÷àñòèö V2O5. Äàëåå ïðîâîäèëñÿ íàãðåâ îáðàçöîâ â àòìîñôåðå âîäîðîäà â òå÷åíèå 16 ÷ ïðè òåìïåðàòóðå 200 °Ñ. Äëèòåëüíîñòü äàííîãî ýòàïà îïðåäåëÿåòñÿ íåîáõîäèìîñòüþ âûâîäà èç ïîð ñòåêëà ïðîäóêòîâ ðåàêöèè (H2O) è çàïîëíåíèÿ èõ íîâûìè ïîðöèÿìè H2 ïóòåì äèôôóçèè. Ïðè óâåëè÷åíèè òåìïåðàòóðû îáðàáîòêè äî 300 °Ñ äëèòåëüíîñòü äàííîãî ýòàïà óìåíüøàåòñÿ äî 8–9 ÷. Îïèñàííàÿ
ïðîöåäóðà ïîçâîëÿåò ïîëó÷èòü îáúåìíóþ êîíöåíòðàöèþ íàíî÷àñòèö VO2 â îáðàçöàõ 0,05–0,1%.
Îáðàçöû, çàïîëíåííûå íàíî÷àñòèöàìè V2O5, èìåëè ñâåòëî-æåëòóþ îêðàñêó. Ïîñëå âîññòàíîâëåíèÿ â âîäîðîäå îáðàçöû ñòàíîâÿòñÿ êîðè÷íåâûìè. Íà ðèñ. 1 ïîêàçàíû ñïåêòðû ïðîïóñêàíèÿ íàíîïîðèñòûõ ñòåêîë ñ íàíî÷àñòèöàìè V2O5 (êðèâàÿ 1) è VO2 (êðèâûå 2 è 3) ïðè êîìíàòíîé òåìïåðàòóðå. Îñîáåííîñòè ñïåêòðà íà äëèíàõ âîëí 1350 è 1900 íì ñâÿçàíû ñî ñëåäàìè âîäû â ïîðàõ è ãèäðîêñèëüíûìè ãðóïïàìè.
Íà ðèñ. 2 ïîêàçàíû çàâèñèìîñòè êîýôôèöèåíòà ïðîïóñêàíèÿ îò òåìïåðàòóðû îáðàçöîâ NPG17 (à) è NPG7 (á) ñ íàíî÷àñòèöàìè VO2 íà äëèíå âîëíû 1,15 ìêì. Ðåçêîå èçìåíåíèå êîýôôèöèåíòà ïðîïóñêàíèÿ â òåìïåðàòóðíîì èíòåðâàëå 40–75 °Ñ, îáðàòèìîñòü ýòîãî ýôôåêòà è íàëè÷èå ïåòëè ãèñòåðåçèñà óêàçûâàþò íà òî, ÷òî íàíî÷àñòèöû VO2, ñèíòåçèðîâàííûå â ïîðàõ ñòåêëà, íàõîäÿòñÿ â êðèñòàëëè÷åñêîì ñîñòîÿíèè è îáëàäàþò ÔÏÏÌ. Îöåíêà ñðåäíåãî ðàçìåðà ïîëó÷åííûõ íàíî÷àñòèö VO2 äàåò âåëè÷èíó 6–8 íì äëÿ NPG17 è 2–4 íì äëÿ NPG7. Ôàçîâûé ïåðåõîä íàíî÷àñòèö VO2 â îáðàçöå NPG17 íà÷èíàåòñÿ ïðè t = 65 °Ñ è çàâåðøàåòñÿ ïðè t = 75 °Ñ. Øèðèíà ïåòëè òåìïåðàòóðíîãî ãèñòåðåçèñà äëÿ äàííîãî îáðàçöà ðàâíà 35 °Ñ. Ôàçîâûé ïåðåõîä íàíî÷àñòèö VO2 â îáðàçöå NPG7 íà÷èíàåòñÿ ïðè t = 50 °Ñ è çàâåðøàåòñÿ ïðè t = 75 °Ñ. Øèðèíà ïåòëè òåìïåðàòóðíîãî ãèñòåðåçèñà äëÿ äàííîãî îáðàçöà ïðèìåðíî ðàâíà 30 °Ñ.
Èññëåäîâàíèÿ íåëèíåéíî-îïòè÷åñêîãî îòêëèêà íàíîïîðèñòûõ ñòåêîë ñ íàíî÷àñòèöàìè VO2 ïðîâîäèëèñü ïðè êîìíàòíîé òåìïåðàòóðå íà äëèíå âîëíû 1,06 ìêì ïðè äëèòåëüíîñòè ëàçåðíîãî èìïóëüñà
T, %
40 35
T, % (à)
60
55
(á)
30 50
25 0 20 40 60 t, °C
45 20 40 60 t, °C
Ðèñ. 2. Çàâèñèìîñòè êîýôôèöèåíòà ïðîïóñêàíèÿ NPG17:VO2 (à) è NPG7:VO2 (á) îò òåìïåðàòóðû. λ = 1,15 ìêì. 44 “Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 1, 2008
Åâûõ, ìÄæ/ñì2 10
5
02 Åâûõ, Äæ 10–6
4
10–8
(à)
6 8 10 Åâõ, ìÄæ/ñì2
(á)
ôàçå). Ïðè÷èíîé ýòîãî ìîæåò áûòü òî, ÷òî ïðè äàííîé èíòåíñèâíîñòè èçëó÷åíèÿ ñêîðîñòü ãåíåðàöèè íåðàâíîâåñíûõ íîñèòåëåé çàðÿäà â íàíî÷àñòèöàõ ìàëà ïî ñðàâíåíèþ ñî ñêîðîñòüþ èõ ðåêîìáèíàöèè. Êîíöåíòðàöèÿ íåðàâíîâåñíûõ íîñèòåëåé çàðÿäà â ýòîì ñëó÷àå îêàçûâàåòñÿ íåäîñòàòî÷íîé äëÿ ïåðåâîäà íàíî÷àñòèöû â ìåòàëëè÷åñêóþ ôàçó ïî ýëåêòðîííîìó êàíàëó.  ñôîêóñèðîâàííîì ïó÷êå ïîðîã âîçíèêíîâåíèÿ îïòè÷åñêîé íåëèíåéíîñòè ñíèæàåòñÿ äî 10–9 Äæ (ðèñ. 3á) áëàãîäàðÿ óâåëè÷åíèþ ïëîòíîñòè ýíåðãèè â ôîêóñå ïó÷êà. Ýíåðãåòè÷åñêàÿ îáëàñòü ñóùåñòâîâàíèÿ îïòè÷åñêîé íåëèíåéíîñòè ïðè ýòîì ñóùåñòâåííî ðàñøèðÿåòñÿ çà ñ÷åò âêëàäà ñâåòîèíäóöèðîâàííîãî èçìåíåíèÿ ïîêàçàòåëÿ ïðåëîìëåíèÿ è ýôôåêòà ñàìîäåôîêóñèðîâêè.
Íà ðèñ. 4 ïîêàçàí îïòè÷åñêèé îòêëèê íàíîïîðèñòûõ ñòåêîë NPG7 ñ íàíî÷àñòèöàìè VO2 â ïèêî-
10–10
10–10
10–8
10–6 Åâõ, Äæ
Ðèñ. 3. Íåëèíåéíî-îïòè÷åñêèé îòêëèê NPG17:VO2 äëÿ λ = 1,06 ìêì è τ = 10 íñ. Íà âñòàâêàõ ïîêàçàíû óñëîâèÿ ýêñïåðèìåíòà.
10 íñ è 500 ïñ è íà äëèíå âîëíû 0,56 ìêì ïðè äëèòåëüíîñòè ëàçåðíîãî èìïóëüñà 20 ïñ. Ýêñïåðèìåíòû ïðîâîäèëèñü â ïàðàëëåëüíîì ëàçåðíîì ïó÷êå äèàìåòðîì 3–6 ìì, à òàêæå â ñôîêóñèðîâàííîì ïó÷êå ñ äèàôðàãìîé ïåðåä ôîòîïðèåìíèêîì.  ïåðâîì ñëó÷àå íåëèíåéíî-îïòè÷åñêèé îòêëèê ôîðìèðîâàëñÿ òîëüêî çà ñ÷åò ñâåòîèíäóöèðîâàííîãî èçìåíåíèÿ êîýôôèöèåíòà ïîãëîùåíèÿ îáðàçöîâ. Âî âòîðîì ñëó÷àå – çà ñ÷åò ñâåòîèíäóöèðîâàííîãî èçìåíåíèÿ êîýôôèöèåíòà ïîãëîùåíèÿ è ïîêàçàòåëÿ ïðåëîìëåíèÿ. Èçìåíåíèå ïîêàçàòåëÿ ïðåëîìëåíèÿ ïðè ýòîì ïðèâîäèò ê îáðàçîâàíèþ îòðèöàòåëüíîé äèíàìè÷åñêîé ëèíçû, ýôôåêòó ñàìîäåôîêóñèðîâêè [12] è óâåëè÷åíèþ íåëèíåéíî-îïòè÷åñêîãî îòêëèêà.
Íà ðèñ. 3à ïîêàçàíà çàâèñèìîñòü ýíåðãèè ïðîøåäøåãî ÷åðåç îáðàçåö èçëó÷åíèÿ îò ýíåðãèè ïàäàþùåãî äëÿ îáðàçöà NPG17:VO2 äëÿ äëèíû âîëíû 1,06 ìêì ïðè äëèòåëüíîñòè ëàçåðíîãî èìïóëüñà τ = 10 íñ. Èç ðèñóíêà âèäíî, ÷òî â ïàðàëëåëüíîì ïó÷êå íåëèíåéíî-îïòè÷åñêèé îòêëèê âîçíèêàåò ïðè Åâõ = 2 ìÄæ/ñì2. Îòíîñèòåëüíî áîëüøàÿ âåëè÷èíà ïîðîãîâîé ïëîòíîñòè ýíåðãèè óêàçûâàåò íà òî, ÷òî ÔÏÏÌ â äàííîì ñëó÷àå èíèöèèðóåòñÿ òåïëîâûìè ïðîöåññàìè, íåñìîòðÿ íà òî ÷òî hν > Eg (Eg – øèðèíà çàïðåùåííîé çîíû VO2 â ïîëóïðîâîäíèêîâîé
“Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 1, 2008
Åâûõ, ìÄæ/ñì2 1,5
1,0
0,5
01 Åâûõ, ìÄæ/ñì2
20 2
10
(à)
23 Åâõ, ìÄæ/ñì2 (á)
1
0 20 40 60 Åâõ, ìÄæ/ñì2
Ðèñ. 4. Íåëèíåéíî-îïòè÷åñêèé îòêëèê NPG7:VO2. λ = 1,06 ìêì è τ = 500 ïñ (à). 1 – λ = 0,56 ìêì è τ = 20 ïñ, 2 – λ = 0,53 ìêì è τ = 500 ïñ (á).
45
ñåêóíäíîì äèàïàçîíå â ïàðàëëåëüíîì ïó÷êå. Íåëèíåéíî-îïòè÷åñêèé îòêëèê ôîðìèðóåòñÿ ïðè Åâõ = = 1–1,6 ìÄæ/ñì2 êàê äëÿ äëèíû âîëíû 1,06 ìêì, òàê è â âèäèìîé îáëàñòè ñïåêòðà. Îäíàêî îòêëîíåíèå îò ëèíåéíîñòè ïðîïóñêàíèÿ íà äëèíå âîëíû 1,06 ìêì ñóùåñòâåííî âûøå, ÷åì íà äëèíå âîëíû 0,53–0,56 ìêì. Ýòî ñâÿçàíî ñ òåì, ÷òî èçìåíåíèå êîýôôèöèåíòà ïîãëîùåíèÿ VO2 ïðè ÔÏÏÌ â áëèæíåì ÈÊ äèàïàçîíå â íåñêîëüêî ðàç áîëüøå, ÷åì â âèäèìîé îáëàñòè ñïåêòðà [5]. Êðîìå òîãî, îïòè÷åñêèé îòêëèê ñðåäû ñ íàíî÷àñòèöàìè VO2 â ñïåêòðàëüíîì èíòåðâàëå 1–1,5 ìêì óñèëèâàåòñÿ çà ñ÷åò ïëàçìîííîãî ðåçîíàíñà (íàïðèìåð, [10]). Óâåëè÷åíèå ýôôåêòà îãðàíè÷åíèÿ èçëó÷åíèÿ ïðè óìåíüøåíèè äëèòåëüíîñòè ëàçåðíîãî èìïóëüñà äëÿ λ = 0,53– 0,56 ìêì ìîæåò áûòü ñâÿçàíî ñ âêëàäîì ñâåòîèíäóöèðîâàííîé ãåíåðàöèè íåðàâíîâåñíûõ íîñèòåëåé çàðÿäà â ïðîöåññ ÔÏÏÌ è èíèöèèðîâàíèåì ýëåêòðîííîãî êàíàëà äàííîãî ïðîöåññà.
 êîìïîçèòíûõ ñðåäàõ ñ íåëèíåéíî-îïòè÷åñêèìè íàíî÷àñòèöàìè îïòè÷åñêèé îòêëèê ìîæåò ôîðìèðîâàòüñÿ íå òîëüêî çà ñ÷åò ñâåòîèíäóöèðîâàííîãî èçìåíåíèÿ ýôôåêòèâíîãî ïîêàçàòåëÿ ïîãëîùåíèÿ è ïðåëîìëåíèÿ ñðåäû, íî è çà ñ÷åò ñâåòîèíäóöèðîâàííîãî èçìåíåíèÿ ñå÷åíèÿ ðàññåÿíèÿ íàíî÷àñòèö. Äëÿ îöåíêè âêëàäà ñâåòîðàññåÿíèÿ â îïòè÷åñêèé îòêëèê áûëî ïðîâåäåíî ÷èñëåííîå ìîäåëèðîâàíèå îïòè÷åñêèõ ñâîéñòâ íàíî÷àñòèö VO2 â ïîðàõ ñòåêëà äëÿ ïîëóïðîâîäíèêîâîé è ìåòàëëè÷åñêîé ôàç.
×èñëåííîå ìîäåëèðîâàíèå ïðîâîäèëîñü â ïðèáëèæåíèè ñôåðè÷åñêèõ ÷àñòèö, èìåþùèõ ðàçìåð ìíîãî ìåíüøå äëèíû âîëíû. Òàê êàê íàíî÷àñòèöà íå ïîëíîñòüþ çàïîëíÿåò ïîðó ñòåêëà, òî â ðàñ÷åòàõ èñïîëüçîâàëàñü ìîäåëü ñôåðè÷åñêîé íàíî÷àñòèöû, ñîñòîÿùåé èç ÿäðà (VO2) è òîíêîé êîíöåíòðè÷åñêîé îáîëî÷êè (âîçäóõ). Ñå÷åíèÿ ïîãëîùåíèÿ è ðàññåÿíèÿ íàíî÷àñòèöû ñ îáîëî÷êîé îïèñûâàþòñÿ ñëåäóþùèìè âûðàæåíèÿìè [16]:
σa
=
8π2
εh λ
rs3
Im(δ),
σs
=
128π5εh2 3λ4
rs6
δ 2,
çäåñü
δ
=
εsεa − εhεb εsεa + 2εhεb
– ïîëÿðèçóåìîñòü íàíî÷à-
ñòèöû
εa = εc(3 − 2P) + 2εs P,
εb = εc + εc(3 − P),
P
=
1
−
⎛ ⎜ ⎝
rc rs
⎞⎟3, ⎠
ãäå εh, εc, εs – äèýëåêòðè÷åñêàÿ ïðîíèöàåìîñòü ñðåäû, ÿäðà è îáîëî÷êè ñîîòâåòñòâåííî, rc – ðàäèóñ
46
ÿäðà, rs – ðàäèóñ îáîëî÷êè, λ – äëèíà âîëíû èçëó÷åíèÿ.
Óñëîâèåì âîçíèêíîâåíèÿ ïëàçìîííîãî ðåçîíàíñà ÿâëÿåòñÿ îáðàùåíèå â íóëü äåéñòâèòåëüíîé ÷àñòè çíàìåíàòåëÿ ïîëÿðèçóåìîñòè íàíî÷àñòèöû [16]
Re(A) = Re(εsεa + 2εhεb) = 0.
Ïðè ìîäåëèðîâàíèè èñïîëüçîâàëèñü îïòè÷åñêèå êîíñòàíòû VO2 èç [5] äëÿ ñïåêòðàëüíîãî èíòåðâàëà λ = 0,8–1,8 ìêì, ðàäèóñ ÿäðà è îáîëî÷êè rc = 4 íì è rs = 8,5 íì ñîîòâåòñòâåííî. Ïîêàçàòåëü ïðåëîìëåíèÿ ñòåêëà – 1,45.
Ðàñ÷åòíûå ñïåêòðàëüíûå çàâèñèìîñòè ñå÷åíèÿ ïîãëîùåíèÿ è ðàññåÿíèÿ íàíî÷àñòèö VO2 â ïîðàõ ñòåêëà äëÿ ïîëóïðîâîäíèêîâîé è ìåòàëëè÷åñêîé ôàç ïîêàçàíû íà ðèñ. 5. Èç ðèñóíêà âèäíî, ÷òî â ñïåêòðàëüíîì èíòåðâàëå 0,8–1,2 ìêì ïðîèñõîäèò ñóùåñòâåííîå óâåëè÷åíèå ìîäóëÿöèè ñå÷åíèÿ ïîãëîùåíèÿ íàíî÷àñòèö ïðè ÔÏÏÌ çà ñ÷åò ïëàçìîííîãî ðåçîíàíñà. Ìàêñèìóì ïëàçìîííîãî ðåçîíàíñà ïðèõîäèòñÿ íà λ = 0,8 ìêì.  òî æå âðåìÿ èçìåíåíèå ñå÷åíèÿ ðàññåÿíèÿ âî âñåì ñïåêòðàëüíîì èíòåðâàëå ìàëî è îòíîøåíèå Δ = σs(M)/σs(S) áëèçêî ê åäèíèöå (M è S – ìåòàëëè÷åñêàÿ è ïîëóïðîâîäíèêîâàÿ ôàçà VO2 ñîîòâåòñòâåííî). Òàêèì îáðàçîì, â ñïåêòðàëüíîì èíòåðâàëå 0,8–1,8 ìêì îñíîâíîé âêëàä â îïòè÷åñêèé îòêëèê ñðåäû âíîñèò èçìåíåíèå ïîãëîùåíèÿ íàíî÷àñòèö ïðè ÔÏÏÌ. Àíàëîãè÷íàÿ ñèòóàöèÿ íàáëþäàåòñÿ è â âèäèìîé îáëàñòè ñïåêòðà. Îäíàêî ìîäóëÿöèÿ ñå÷åíèÿ ïîãëîùåíèÿ â ýòîì ñëó÷àå çíà÷èòåëüíî íèæå èç-çà îòñóòñòâèÿ ïëàçìîííîãî ðåçîíàíñà è ìàëîãî èçìåíåíèÿ îïòè÷åñêèõ êîí-
σh×10–14, ñì2 3
σs×10–17, ñì2 1
2
4 13
2
0,5
1 0 1,0
1,2 1,4
1,6 λ, ìêì
Ðèñ. 5. Ðàñ÷åòíûå ñïåêòðàëüíûå çàâèñèìîñòè ñå÷åíèÿ ïîãëîùåíèÿ è ñå÷åíèÿ ðàññåÿíèÿ íàíî÷àñòèö VO2 â ïîðàõ ñòåêëà. 1, 2 – σa â ïîëóïðîâîäíèêîâîé è ìåòàëëè÷åñêîé ôàçàõ ñîîòâåòñòâåííî; 3, 4 – σs â ïîëóïðîâîäíèêîâîé è ìåòàëëè÷åñêîé ôàçàõñîîòâåòñòâåííî.
“Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 1, 2008
ñòàíò VO2 ïðè ÔÏÏÌ â ýòîì ñïåêòðàëüíîì èíòåðâàëå.
Òàê êàê íàíî÷àñòèöà çàíèìàåò ëèøü ÷àñòü îáúåìà ïîðû ñòåêëà, òî ñóùåñòâóåò âîçìîæíîñòü çàïîëíåíèÿ îñòàâøåãîñÿ îáúåìà ïîðû æèäêîñòüþ èëè òâåðäûì ïîëèìåðîì. Òàêîå çàïîëíåíèå ìîæåò ïðèâåñòè ê ñóùåñòâåííîìó èçìåíåíèþ âêëàäà ñâåòîðàññåÿíèÿ â îïòè÷åñêèé îòêëèê ñðåäû. Íà ðèñ. 6 ïîêàçàíà ðàñ÷åòíàÿ çàâèñèìîñòü Δ îò ïîêàçàòåëÿ ïðåëîìëåíèÿ ñðåäû, îêðóæàþùåé íàíî÷àñòèöó â ïîðå ñòåêëà. Èç ðèñóíêà âèäíî, ÷òî ïðè ns = 1,28–1,3 ïðîèñõîäèò óâåëè÷åíèå Δ â äåñÿòêè ðàç. Äàííûé ýôôåêò ñâÿçàí ñ òåì, ÷òî äëÿ íàíî÷àñòèö ñ îáîëî÷êîé ñóùåñòâóåò óñëîâèå, ïðè êîòîðîì ïðîèñõîäèò ðåçîíàíñíîå óìåíüøåíèå ñâåòîðàññåÿíèÿ – îáðàùåíèå â íóëü ÷èñëèòåëÿ â âûðàæåíèè äëÿ ïîëÿðèçóåìîñòè íàíî÷àñòèöû ñ îáîëî÷êîé δ [16]. Äëÿ ðàññìàòðèâàåìîãî íàìè ñëó÷àÿ ýòî óñëîâèå âûïîëíÿåòñÿ ïðè îïðåäåëåííîì ñîîòíîøåíèè ïîêàçàòåëåé ïðåëîìëåíèÿ ÿäðà è îáîëî÷êè íàíî÷àñòèöû è îêðóæàþùåé ñðåäû äëÿ ïîëóïðîâîäíèêîâîé ôàçû VO2 (ÿäðî íàíî÷àñòèöû). Ïðè ýòîì ïðîèñõîäèò çíà÷èòåëüíîå óìåíüøåíèå ñâåòîðàññåÿíèÿ ñðåäû ñ ïîëóïðîâîäíèêîâûìè íàíî÷àñòèöàìè VO2, íî ñëàáî ìåíÿåòñÿ ñâåòîðàññåÿíèå ñðåäû ñ ìåòàëëè÷åñêèìè íàíî÷àñòèöàìè VO2.  ðåçóëüòàòå ñóùåñòâåííî óâåëè÷èâàåòñÿ âåëè÷èíà Δ.
Òàêèì îáðàçîì, ðàçðàáîòàí ìåòîä ñèíòåçà íàíî÷àñòèö VO2, îáëàäàþùèõ ÔÏÏÌ, â íàíîïîðèñòûõ ñèëèêàòíûõ ñòåêëàõ. Óñòàíîâëåíî, ÷òî êîìïîçèòíàÿ ñðåäà íàíîïîðèñòîå ñòåêëî–äèîêñèä âàíàäèÿ îáëàäàåò íåëèíåéíî-îïòè÷åñêèìè ñâîéñòâàìè ñ ïèêîñå-
Δ 150
2
100
50 1
0 1,0 1,2
1,4 ns
Ðèñ. 6. Ðàñ÷åòíûå çàâèñèìîñòè îòíîøåíèÿ ñå÷åíèÿ ðàññåÿíèÿ â ìåòàëëè÷åñêîé è ïîëóïðîâîäíèêîâîé ôàçàõ íàíî÷àñòèö VO2 îò ïîêàçàòåëÿ ïðåëîìëåíèÿ ñðåäû, îêðóæàþùåé íàíî÷àñòèöó. 1 – λ = 1,06 ìêì, 2 – 1,5 ìêì.
“Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 1, 2008
êóíäíûì áûñòðîäåéñòâèåì â âèäèìîì è áëèæíåì ÈÊ äèàïàçîíàõ. Ìåòîäàìè ÷èñëåííîãî ìîäåëèðîâàíèÿ ïîêàçàíî, ÷òî îñíîâíîé âêëàä â íåëèíåéíî-îïòè÷åñêèé îòêëèê âíîñèò ñâåòîèíäóöèðîâàííîå èçìåíåíèå ñå÷åíèÿ ïîãëîùåíèÿ íàíî÷àñòèö. Îäíàêî ïðè äîïîëíèòåëüíîì çàïîëíåíèè ïîð ñòåêëà ïðîçðà÷íîé ñðåäîé ñ îïðåäåëåííûì ïîêàçàòåëåì ïðåëîìëåíèÿ îïòè÷åñêèé îòêëèê ìîæåò áûòü óâåëè÷åí çà ñ÷åò óâåëè÷åíèÿ èçìåíåíèÿ ñå÷åíèÿ ðàññåÿíèÿ. Ðàçðàáîòàííàÿ êîìïîçèòíàÿ ñðåäà ìîæåò áûòü èñïîëüçîâàíà ïðè ñîçäàíèè áûñòðîäåéñòâóþùèõ îïòè÷åñêèõ ïåðåêëþ÷àòåëåé è îãðàíè÷èòåëåé èçëó÷åíèÿ âèäèìîãî è áëèæíåãî ÈÊ äèàïàçîíîâ.
Ðàáîòà âûïîëíåíà â ðàìêàõ ïðîåêòà ISTC # 3063p.
ËÈÒÅÐÀÒÓÐÀ
11. Bruckner W., Opperman H., Reichelt W. et al. Vanadiumoxide. Berlin: Akademie-Verlag, 1983. 252 p.
12. Áóãàåâ À.À., Çàõàð÷åíÿ Á.Ï., ×óäíîâñêèé Ô.À. Ôàçîâûé ïåðåõîä ïîëóïðîâîäíèê-ìåòàëë è åãî ïðèìåíåíèå. Ë.: Íàóêà, 1979. 183 ñ.
13. Becker M.F., Buckman A.B., Walser R.M. et al. Femtosecond laser excitation of the semiconductor-metal phase transition in VO2 // J. Appl. Phys. 1996. V. 79. ¹ 5. P. 2404–2408.
14. Cavallieri A., Toth C., Siders C.W. et al. Femtosecond structural dynamics in VO2 during ultrafast solid-solid phase transition // Phys. Rev. Lett. 2001. V. 87. ¹ 23. P. 237401–237405.
15. Rini M., Cavalleri A., Schoenlein R.W. et al. Photoinduced phase transition in VO2 nanocrystals: ultrafast control of surface-plasmon resonance // Opt. Lett. 2005. V. 30. ¹ 5. P. 558–560.
16. Êîíîâàëîâà Î.Ï., Ñèäîðîâ À.È., Øàãàíîâ È.È. Èíòåðôåðåíöèîííûå ñèñòåìû óïðàâëÿåìûõ çåðêàë íà îñíîâå äèîêñèäà âàíàäèÿ äëÿ ñïåêòðàëüíîãî äèàïàçîíà 0,6– 10,6 ìêì // Îïòè÷åñêèé æóðíàë. 1999. Ò. 66. ¹ 5. Ñ. 13–21.
17. Áóãàåâ À.À., Çàõàð÷åíÿ Á.Ï. Îêèñíàÿ ïëåíêà âàíàäèÿ êàê ðåãèñòðèðóþùàÿ ñðåäà äëÿ ãîëîãðàôèè // Êâàíòîâàÿ ýëåêòðîíèêà. 1979. Ò. 6. Â. 7. Ñ. 1459–1465.
18. Ãðèãîðüåâ Ì.È., Îëåéíèê À.Ñ., Ñìîëÿêîâ Â.Ô. Òåðìîõðîìíûå èíäèêàòîðû íà îñíîâå ìàòåðèàëà ÔÒÈÐÎÑ // Ýëåêòðîííàÿ ïðîìûøë. 1982. Â. 5–6. Ñ. 108–111.
19. Äàíèëîâ Î.Á., Ìèõååâà Î.Ï., Ñèäîðîâ À.È. è äð. Îïòè÷åñêîå îãðàíè÷åíèå èçëó÷åíèÿ ñðåäíåãî ÈÊ äèàïàçîíà â ïëåíêàõ äèîêñèäà âàíàäèÿ // ÆÒÔ. 2003. Ò. 73. Â. 1. Ñ. 79–83.
10. Lopez R., Haynes T.E., Boatner L.A. et al. Temperaturecontrolled surface plasmon resonance in VO2 nanorods // Opt. Lett. 2002. V. 27. ¹ 15. P. 1327–1329.
11. Àêèìîâ À.Â., Âèð÷åíêî À.Â., Ãîëóáåâ Â.Ã. è äð. Ïåðåñòðîéêà ñïåêòðà áðýããîâñêîé äèôðàêöèè â êîìïîçèòàõ îïàë–VO2 ïîä äåéñòâèåì ëàçåðíûõ èìïóëüñîâ // ÔÒÒ. 2003. Ò. 45. ¹ 2. Ñ. 231–238.
47
12. Îñòðîñàáëèíà À.À., Ñèäîðîâ À.È. Íåëèíåéíî-îïòè÷åñêèå ñâîéñòâà òîëñòûõ êîìïîçèòíûõ ñðåä ñ íàíî÷àñòèöàìè äèîêñèäà âàíàäèÿ. I. Ñàìîäåôîêóñèðîâêà èçëó÷åíèÿ âèäèìîãî è áëèæíåãî ÈÊ äèàïàçîíîâ // Îïòè÷åñêèé æóðíàë. 2005. Ò. 72. ¹ 7. Ñ. 36–41.
13. Îñòðîñàáëèíà À.À., Âèíîãðàäîâà Î.Ï., Ñèäîðîâ À.È. Íåëèíåéíî-îïòè÷åñêèå ñâîéñòâà òîëñòûõ êîìïîçèòíûõ ñðåä ñ íàíî÷àñòèöàìè äèîêñèäà âàíàäèÿ. II. Ñàìîôîêóñèðîâêà èçëó÷åíèÿ ñðåäíåãî ÈÊ äèàïàçîíà // Îïòè÷åñêèé æóðíàë. 2006. Ò. 73. ¹ 2. Ñ. 17–20.
14. Lopez R., Haynes T.E., Boatner L.A. et al. Enhanced hysteresis in the semiconductor-to-metal phase transition of VO2 precipitates formed in SiO2 by ion implantation // Appl. Phys. Lett. 2001. V. 79. P. 3161–3170.
15. Àíäðååâà Î.Â., Îáûêíîâåííàÿ È.Å., Ãàâðèëþê Å.Ð. è äð. Ãàëîãåíèäîñåðåáðÿíûå ôîòîìàòåðèàëû íà îñíîâå íàíîïîðèñòûõ ñòåêîë // Îïòè÷åñêèé æóðíàë. 2005. Ò. 72. ¹ 12. Ñ. 37–45.
16. Áîðåí Ê., Õàôìåí Ä. Ïîãëîùåíèå è ðàññåÿíèå ñâåòà ìàëûìè ÷àñòèöàìè Ì.: Ìèð, 1986. 664 ñ.
48 “Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 1, 2008