Фотонные кристаллы обладают уникальными оптическими свойствами и характеризуются периодической структурой. Фотонные стёкла, напротив, имеют неупорядоченную структуру, но также интересны с точки зрения использования в будущих оптических устройствах. Можно ли совместить два взаимоисключающих свойства в одном материале? На этот вопрос отвечает международная группа исследователей, в которую входит обладатель мегагранта Юрий Кившарь.

Известно, что фотонные кристаллы – материалы, способные управлять светом, уже активно применяются в создании оптических волокон, лазеров, а также прототипов функциональных элементов будущих фотонных интегральных схем. Уникальные свойства подобных материалов заложены в упорядоченно расположенных структурных элементах кристалла. Именно вследствие упорядоченности элементов-рассеивателей фотонные кристаллы называют кристаллами.

Учёные продолжили данную аналогию и предположили, что в фотонике, наряду с регулярными структурами, можно создавать и некие аморфные, неупорядоченные вещества. Подобный материал удалось синтезировать из коллоидного раствора сферических частиц полиметилметакрилата в 2010 году коллективу испанских и немецких учёных, которые вскоре дали данному классу веществ название – фотонные стёкла. В фотонных стёклах идентичные друг другу образующие элементы формируют неупорядоченную структуру. Примечательно, что её оптические свойства, в отличие от фотонных кристаллов, определяются индивидуальными свойствами рассеивателей, а не их упорядоченным ансамблем. Эти особенности придают материалу уникальные оптические свойства и позволяют реализовывать новые режимы распространения света в неупорядоченных средах.

Интернациональная группа исследователей из Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе РАН,Австралийского национального университета, Лазерного центра в Ганновере и НИУ информационных технологий, механики и оптики, в которую также входил приглашённый иностранный учёный и обладательмегагранта Юрий Кившарь, для синтеза фотонных кристаллов и стёкол предложила использовать лазер.

Синтез наноструктур проводился при помощи метода трёхмерной лазерной литографии, который заключался в послойной обработке фоточувствительного материала лазерным пучком. При последовательном сканировании лазерным излучением происходила полимеризация фоторезиста в областях, в которых луч находился в фокусе, в то время как структура остальной части материала оставалась неизменной. Затем с помощью проявителя учёные удаляли материал, не подвергшийся воздействию интенсивного лазерного излучения. Сам процесс хода луча контролировался сложной системой позиционирования, которая управлялась компьютерной программой.

Задачу синтеза фотонного стекла исследователи решали в два этапа. На первом этапе описанным методом был получен классический фотонный кристалл, в котором прослойки воздуха чередовались с цилиндрами из фоторезиста диаметром 740 нм. Сменяющие друг друга области воздуха и цилиндров формировали периодическую структуру, которая придавала фотонному кристаллу особые оптические свойства.

На втором этапе исследователи модифицировали параметры синтеза: увеличили скорость сканирования, мощность используемого излучения и ограничили ускорение, развиваемое системой позиционирования в горизонтальной плоскости. В результате была получена также периодическая структура чередующихся областей воздуха и цилиндров, однако цилиндры в этом случае были уже не однородными, а состояли из пустот и различных мелких элементов.

Таким образом, сама периодическая структура материала по свойствам приближала его к фотонному кристаллу, а неупорядоченная структура составляющих его цилиндров – к фотонному стеклу. Исследование оптических свойств фотонного квазистекла, которое по типу структуры находится между двумя материалами-антагонистами, является интересной и нетривиальной задачей, которую авторы работы пообещали реализовать в их следующей статье.

Работа выполнена при поддержке РФФИ (грант № 11-02-00865), программы фундаментальных исследований президиума РАН № 24 и гранта Правительства Российской Федерации для государственной поддержки научных исследований, проводимых под руководством ведущих учёных в российских образовательных учреждениях высшего профессионального образования (договор № 11.G34.31.0020 от 28 ноября 2010 г.).

Источник информации:

И.И. Шишкин, К.Б. Самусев, М.В. Рыбин, М.Ф. Лимонов, Ю.С. Кившарь, А. Гайдукевийчуте, Р.В. Киян, Б.Н. Чичков «Стеклообразная наноструктура, изготовленная методом лазерной нанолитографии». Физика твердого тела, 2012, том 54, выпуск 10.