Наноразмерные структуры: классификация, формирование и исследование. Булыгина Е.В - 26 стр.

получены действительно трехмерные нанокомпозиты с характерной наномасштабной
структурой.
      В ряде работ опаловые матрицы рассматриваются как самоорганизующиеся системы.
Известный специалист в этой области J.D.Joannopoulos писал в журнале "Nature" (2001 г.):
"Опалы делают это, даже биомолекулы делают это, так почему самоорганизующиеся
системы не могут использоваться для создания фотонных кристаллов с почти
совершенным порядком? Новая технология показывает, что абсолютный порядок не
требует абсолютного контроля" [1] Интерес к опаловым матрицам, в конечном итоге,
связан с задачами нанотехнологии, особенно в части перехода к трехмерным системам. Дело
в том, что стандартные приемы реплицирования (повторения) с использованием методов
литографии становится неприменимыми для 3D−наноструктур. Невозможность, в этом
случае, применения поверхностного монтажа, так же как и автоматизированных систем
сборки, не оставляет иных вариантов, кроме использования механизмов самоорганизации,
аналогичных действующим в биологических системах. В этом смысле опаловая матрица
представляет собой упрощенный вариант самоорганизующейся системы – 3D−нанорешетку,
поскольку сама структура является одновременно реплицирующей матрицей для других
материалов. Следовательно, появляется возможным создания 3D−фотонных кристаллов на
основе опаловых матриц с определенными функциональными свойствами.
      Открытие материалов с полупроводниковыми свойствами соотносится с такими
понятиями как разрывы функции плотности состояний электронов и зонная структура, в
свою очередь обусловленных такими явлениями как локализация электронов и
периодическое строение. В это же время появление материалов с фотонной запрещенной
зоной (МФЗЗ) – фотонных кристаллов – также соотносится с таким свойством как
локализация света, ведущим к появлению фотонных зон (и, следовательно, к разрывам
функций плотности состояний электромагнитных мод) в системах с периодическим
изменением диэлектрической постоянной (показателя преломления). Само по себе понятие
локализации электронов было введено в пионерских работах Андерсена [7] и Мотта [8], а в
случае световых потоков (электромагнитных волн) на это явление было обращено внимание
в работе Быкова [9], а в последовательной форме − Яблоновичем [10] и Джоном [11].
Практически сразу, а именно с середины 90-х годов прошлого столетия, стали
рассматриваться эффекты ближнепольной оптики, также связанные с явлением локализации
света [12].
      Фотонные кристаллы являются новым классом материалов (для наноэлектроники и
оптоэлектроники), чьи свойства определяются периодичностью изменения диэлектрической
проницаемости (ε), что при определенных условиях (например, это могут быть правильные
кубические упаковки наносфер различных веществ) приводит к образованию "фотонных
зон". Физический смысл этого явления обусловлен не только периодичностью ε, но и
зависимостью фазовой скорости распространения света (фотонов) от ε, что, в совокупности,
приводит к когерентному распространению света и к появлению "запрещенных" частот в
зависимости от направления распространения света, т.е. к зонной структуре. В отличие от
обычных кристаллов, брегговская дифракция для фотонных кристаллов имеет место не в
рентгеновском диапазоне, а в оптической области. При этом края аналогов зон Бриллюэна
играют роль брегговских плоскостей.
      Следует отметить следующие принципиальные отличия материалов с фотонной
запрещенной зоной, обусловленные такими их общими свойствами как формирование зон
фотонных состояний, запрет спонтанной эмиссии в определенных частотных диапазонах и
необходимость учета того, что статистика фотонных состояний является статистикой
Бозе − Эйнштейна. В первую очередь стоит отметить нарушение фермиевского "золотого
правила" гладкости и непрерывности функций плотности состояний для поглощения и
излучения света. И, соответственно, в неприменимости к МФЗЗ скоростного уравнения
Эйнштейна, согласно которому в обычном вакууме скорости стимулированного излучения и
поглощения равны, и отношение N2/N имеет верхнюю границу ½ (здесь N = N1+N2 – общее

                                                                                     2