CC BY
7
ФИЗИКА PHYSICS
УДК 539.216:538.958
А. И. Ванин1, С. В. Панькова2, В. Г. Соловьев3, А. В. Цветков4, М. В. Яников5
1-5Псковский государственный университет, Псков, Россия
3Военная академия связи им. С. М. Будённого, Санкт-Петербург, Россия
1E-mail: a.ivanin@mail.ru 2E-mail: psvvit@mail.ru 3E-mail: solovyev_v55@mail.ru 4E-mail: aleksandr23031994@gmail.com 5E-mail: losthighway@mail.ru
ЭВОЛЮЦИЯ ОПТИЧЕСКИХ СПЕКТРОВ ПРОПУСКАНИЯ МЕТАЛЛО-ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СТРУКТУР НА ОСНОВЕ ОПАЛОВ
Экспериментально изучены изменения спектров пропускания плазмонно-фо-тонных металлодиэлектрических гетероструктур на основе опалов при длительном хранении в атмосферных условиях. Обнаружены расщепление полос аномального пропускания и азимутальная анизотропия оптических спектров в поляризованном свете.
Ключевые слова: оптические спектры пропускания, плазмон-поляритоны, азимутальная анизотропия, опалы, металлодиэлектрические структуры.
Благодарности. Авторы признательны \С. Г. Романову Ю. А. Кумзерову, С. Д. Ханину, А. А. Панькову, И. А. Панькову, У. Пешелю и Д. Плоссу за помощь в научных исследованиях. Работа выполнена при частичной финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований в рамках научного проекта № 20-32-90003 и Германской службы академических обменов.
Для цитирования: Ванин А. И., Панькова С. В., Соловьев В. Г., Цветков А. В., Яников М. В. Эволюция оптических спектров пропускания металлодиэлектрических структур на основе опалов // Вестник Псковского государственного университета. Серия: Естественные и физико-математические науки. 2023. Т. 16. № 1. С. 83-93.
A. I. Vanin1, S. V. Pan'kova2, V. G. Solovyev3, A. V. Cvetkov4, M. V. Yanikov5
1-5Pskov State University, Pskov, Russia 3S. M. Budyonny Military Academy of Telecommunications, St. Petersburg, Russia
1E-mail: a.ivanin@mail.ru 2E-mail: psvvit@mail.ru 3E-mail: solovyev_v55@mail.ru 4E-mail: aleksandr23031994@gmail.com 5E-mail: losthighway@mail.ru
EVOLUTION OF OPTICAL TRANSMISSION SPECTRA OF OPAL-BASED METAL-DIELECTRIC STRUCTURES
Changes in the transmission spectra of plasmon-photonic metal-dielectric hetero-structures based on opals during long-term storage under atmospheric conditions have been experimentally studied. Splitting of extraordinary transmission bands and azimuthal anisotropy of optical spectra in polarized light have been detected.
Keywords: optical transmission spectra, plasmon-polaritons, azimuthal anisotropy, opals, metal-dielectric structures.
Acknowledgments. The authors are grateful to p. G. Romanov, Yu. A. Kumzerov, S. D. Khanin, A. A. Pan'kov, I. A. Pan'kov, U. Peschel andD. Ploss for help in scientific investigations. The work has been partially funded by the Russian Foundation for Basic Research under the scientific project 20-32-90003 and the German Academic Exchange Service.
For citation: Vanin A. I., Pan'kova S. V., Solovyev V. G., Yanikov M. V., Cvetkov A. V. (2023), Evolution of optical transmission spectra of opal-based metal-dielectric structures, Vestnik Pskovskogo gosudarstvennogo universiteta. Seriya "Estestven-nye i fiziko-matematicheskie nauki" [Bulletin of the Pskov State University. Series: Natural and physical and mathematical sciences], vol. 16, no. 1, pp. 83-93. (In Russ.).
Введение. Плазмонно-фотонные гетерокристаллы (ПФГК) [22; 23], представляющие собой различные комбинации слоёв фотонных кристаллов (ФК) [2; 4; 15; 16; 20; 21; 24], находящихся в контакте с тонкими металлическими плёнками, лежат в основе разработки многих устройств современной фотоники. Использование ПФГК расширяет функциональные возможности систем по сравнению с обычными ФК за счёт переноса энергии вдоль границы металл-диэлектрик поверхностными плазмон-поляритонами (ППП) [7; 8; 19]. Использование в качестве ФК опалов, структура которых образована плотно упакованными сферическими глобулами с радиусами ~ 100 нм [1], позволяет достаточно просто обеспечить необходимое соответствие морфологии напыленного металлического покрытия особенностям поверхности исходного ФК с целью выполнения условия фазового синхронизма [4; 19], необходимого для возбуждения ППП на границе раздела металл-диэлектрик.
Подобные ПФГК могут представлять интерес для разработчиков при создании оптических систем фотоники и наноплазмоники с использованием фотонно-кристаллических материалов с управляемыми свойствами [12]. При этом для успешного применения таких функциональных технических устройств существенное значение имеет понимание процессов, протекающих с течением времени в оптических элементах, входящих в их состав.
Целью исследования являлось экспериментальное изучение эволюции оптических спектров пропускания плазмонно-фотонных металлодиэлектрических гете-роструктур на основе опалов при длительном (11 лет) хранении в атмосферных условиях. На основе полученных экспериментальных данных в настоящей работе предложены теоретические подходы к объяснению физических процессов, происходящих в таких системах с течением времени.
Методика эксперимента. Технологии изготовления опаловых плёнок позволяют получать образцы толщиной от одного до нескольких десятков слоёв моносфер за промежуток времени от нескольких часов до нескольких дней. При этом одной из наиболее сложных задач, возникающих в процессе получения плёнок, является перенос монодисперсных частиц из суспензии на подложку с возможностью их последующей самоорганизации. В литературе описан ряд методов решения этой задачи [4], один из которых применялся в настоящей работе.
Схема и фотография экспериментальной установки для выращивания монослоя опаловых глобул на стеклянной подложке (предварительно отмытой изопропа-нолом, раствором NaOH и очищенной в ультразвуковой ванне) представлены на рис. 1. Подложка 1 подвешена в вертикальном положении на нити, навитой на медленно вращающийся вал электродвигателя 2 и опущена в стаканчик с суспензией сферических наночастиц из полиметилметакрилата диаметром D « 413нм. С. Г. Романовым [17; 18] предложен оригинальный метод повышения качества выращиваемых образцов путём воздействия механических вибраций на раствор в процессе кристаллизации. Суть метода основывается на принципе улучшения процесса самоорганизации частиц при добавлении фоновой хаотической компоненты к равнодействующей сил, действующей в системе. Для реализации этого принципа стаканчик с суспензией устанавливался на динамическом громкоговорителе 3, на который подавался сигнал от звукового генератора в широком частотном диапазоне. При непрерывном подъёме стеклянной подложки в течение 10-20 часов на ней вырастал монослой опаловых глобул.
Исследование структуры полученных образцов осуществлялось сотрудником университета Эрланген-Нюрнберг (ФРГ) Д. Плоссом под руководством профессора У. Пешеля с использованием сканирующего электронного микроскопа (СЭМ) ZEISS FIB-SEM GEMINI. СЭМ-изображение фрагмента монослоя, содержащего дефекты упаковки (пленочные домены с трещинами), представлено на рис. 2.
Для получения многослойных плазмонно-фотонных гетерокристаллов (ПФГК) наиболее удобным оказался метод магнетронного распыления. Пленки металла (серебра) и диэлектрика (оксида кремния) наносились магнетронным распылением на установке ATC ORION SERIES SPUTTERING SYSTEM (рис. 3) на монослой опаловых глобул из ПММА (рис. 4, а) или непосредственно на стеклянную подложку (рис. 4, б).
а б
Рис. 1. Схема (а) и фотография (б) установки для выращивания монослоя опаловых глобул на стеклянной подложке. 1 — образец, 2 — электродвигатель, 3 — динамик (стрелки указывают направление скорости перемещения образца)
Рис. 2. Электронно-микроскопическое изображение фрагмента монослоя опаловых глобул на подложке, содержащего дефекты упаковки
Рис. 3. Экспериментальная установка для нанесения плёнок металла и диэлектрика
методом магнетронного распыления
гттЗ
Ш2
а б
Рис. 4. Плазмонно-фотонные гетерокристаллы (ПФГК) Ag/SiO^/Ag/ML/Ag (а) и Ag/ML/Ag/SiO2/Ag (б) с различной последовательностью чередующихся металлических и диэлектрических слоев и морфологией границы раздела металл-диэлектрик: 1 — стеклянная подложка, 2 — монослой (ML) опаловых глобул, 3 — резонатор Ag/SiO^/Ag (источник [13])
Существенная информация о влиянии структуры исследуемых образцов на их оптические свойства может быть получена на основе анализа спектров пропускания света изучаемыми фотонно-кристаллическими структурами. В настоящей работе оптические спектры пропускания полученных образцов изучались на экспериментальных установках, созданных на базе спектрометра Ocean Optics QE65000 (в 2011 г.) и спектрофотометра КФК-3КМ (в 2022 г.).
Результаты и их обсуждение. Как показал эксперимент [4-6; 11-13], ППП возбуждались лишь в системе с профилированным резонатором (рис. 4, а), но не в системе с плоским резонатором (рис. 4, б), где условие фазового синхронизма не выполняется, так что при возбуждении плазмона, локализованного на металлической «шапочке» одной из опаловых глобул, резонансного переноса возбуждения к соседним глобулам не происходит.
С другой стороны, одним из проявлений возбуждения ППП в системе с профилированным резонатором (рис. 4, а) является возникновение областей аномального пропускания (extraordinary transmission — EOT) [4-6; 11-13] в оптических спектрах ПФГК (рис. 5).
Рис. 5. Спектры пропускания металлодиэлектрической структуры (ПФГК) Ag/SiO/Ag/ML/Ag с толщиной диэлектрического слоя резонатора 250 нм, измеренные сразу после её приготовления (кривые 1, 2) и после длительного хранения образца (кривые 3, 4) при нормальном падении света. Кривые 1, 3 (сплошные линии) отвечают «горизонтальному» направлению вектора напряжённости электрического поля Е линейно поляризованного света (когда вектор Е перпендикулярен скорости
роста монослоя опаловых глобул); кривые 2, 4 (пунктир) — «вертикальному» направлению (когда вектор Е параллелен этой скорости). Стрелки указывают положения областей аномального пропускания (EOT) свежеприготовленного образца
Сравнение спектров пропускания свежеприготовленного образца (кривые 1 и 2, рис. 5) с аналогичными спектрами этого же образца после одиннадцатилетнего хранения в атмосферных условиях (кривые 3 и 4, рис. 5) позволяет утверждать, что в процессе эволюции оптических характеристик ПФГК:
1) происходит расщепление полос аномального пропускания (EOT),
2) возникает азимутальная анизотропия оптических спектров пропускания.
Как показывает теория [3; 14], некоторые особенности (расщепление и асимметрия полос) в спектрах пропускания систем со сферическими металлическими частицами могут быть связаны с их взаимным влиянием друг на друга. При этом существенную роль играет взаимодействие поверхностных мод сферических частиц в группах, на которые может разбиваться ансамбль частиц (например, в результате увеличения количества микротрещин в монослое опаловых глобул при длительном хранении).
При нормальном падении поляризованного света на свежеприготовленный изотропный образец ПФГК, когда различие между s- и р-поляризацией отсутствует, спектры пропускания также изотропны (кривые 1 и 2, рис. 5). Однако, после длительного хранения образца спектр пропускания (Я) некоторых его областей (кривая 3, рис. 5), соответствующий «горизонтальному» направлению вектора напряжённости электрического поля Е линейно поляризованного света (когда вектор Е перпендикулярен скорости роста V монослоя опаловых глобул — см. рис. 1), отличается от спектра пропускания TV(A) (кривая 4, рис. 5), отвечающего «вертикальному» направлению вектора Е (когда он параллелен этой вертикально направленной скорости V). Возникновение подобной азимутальной анизотропии, когда спектр пропускания нормально падающего света зависит от ориентации вектора Е в плоскости, проходящей через центры опаловых глобул монослоя, свидетельствует о формировании анизотропии физических свойств самого образца в процессе его длительного хранения. Этот факт можно, по-видимому, объяснить анизотропией сетки микротрещин монослоя опаловых глобул, обусловленной различием механической прочности монослоя в вертикальном направлении его роста и вдоль движущегося горизонтально ориентированного мениска.
Следуя работам [9; 10], в качестве меры анизотропии используем найденное из эксперимента отношение (^(/О - Tv(A))/(Th00 + TV (А)) Отметим интересный экспериментальный факт: для некоторых образцов ПФГК азимутальная анизотропия спектров пропускания наблюдалась изначально (рис. 6, кривая 1), демонстрируя сильную зависимость от длины волны падающего нормально видимого света, а в процессе длительного хранения указанное отношение существенно изменялось (рис. 6, кривая 2). Причина такого поведения требует дополнительного изучения.
(ТИ-Ту)/(ТИ+ТУ)
Рис. 6. Анизотропия (ТиШ - + Т,:(Л)) СПС[<ТрОВ пропускания металлоди-
электрической структуры (ПФГК) Ag/SiO2/Ag/ML/Ag с толщиной диэлектрического слоя резонатора 150 нм при нормальном падении света сразу после приготовления
образца (кривая 1) и после длительного хранения (кривая 2). Спектры (Я) отвечают «горизонтальному» направлению вектора напряженности электрического поля Е линейно поляризованного света (когда вектор Е перпендикулярен скорости роста монослоя опаловых глобул); спектры ТР(А) — «вертикальному» направлению (когда вектор Е параллелен этой скорости).
Выводы. В результате длительного хранения образцов плазмонно-фотонных металлодиэлектрических гетероструктур на основе опалов происходит эволюция их оптических характеристик, проявляющаяся в расщеплении полос аномального пропускания и в возникновении азимутальной анизотропии оптических спектров. Возможная причина этих изменений связана с увеличением количества микротрещин в монослое опаловых глобул при длительном хранении.
Литература
1. Балакирев В. Г., Богомолов В. Н., Журавлёв В. В., Кумзеров Ю. А., Петра-новский В. П., Романов С. Г., Самойлович Л. А. Трёхмерные сверхрешетки в матрицах опалов // Кристаллография. 1993. Т. 38. № 3. С. 111-120.
2. Быков В. П. Спонтанное излучение в периодической структуре // Журнал экспериментальной и теоретической физики. 1972. Т. 62. № 2. С. 505-513.
3. Ванин А. И. Экстинкция света на группах малых сферических частиц // Оптика и спектроскопия. 1996. Т. 80. № 2. С. 290-293.
4. Ванин А. И., КумзеровЮ. А., Лукин А. Е., Соловьёв В. Г., Ханин С. Д., Яни-ков М. В. Передача и преобразование электромагнитного излучения в фотонно-кристаллических структурах и металлодиэлектрических композиционных системах на основе опалов. Псков: Псковский государственный университет, 2017. 104 c.
5. Ванин А. И., Кумзеров Ю. А., Романов С. Г., Соловьев В. Г., Ханин С. Д., Цветков А. В., Яников М. В. Передача и преобразование электромагнитного излучения фотонно-кристаллическими металлодиэлектрическими системами на основе опалов // Оптика и спектроскопия. 2020. Т. 128. Вып. 12. С. 1919-1925.
6. Ванин А. И., Лукин А. Е., Романов С. Г., Соловьев В. Г., Ханин С. Д., Яни-ков М. В. Оптические свойства металлодиэлектрических структур на основе фо-тонно-кристаллических опаловых матриц // Физика твердого тела. 2018. Т. 60. № 4. С. 770-773.
7. Климов В. В. Наноплазмоника. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2010. 480 с.
8. Поверхностные поляритоны (Электромагнитные волны на поверхностях и границах раздела сред) / Под ред. В. М. Аграновича и Д. Л. Миллса. М.: Наука, 1985. 526 с.
9. Романов С. Г. Особенности поляризационной анизотропии в оптическом отражении и пропускании коллоидных фотонных кристаллов // Физика твердого тела. 2010. Т. 52. № 4. С. 788-798.
10. Романов С. Г., Bardosova M. Поляризационная анизотропия оптического пропускания в опалах и Лэнгмюр-Блоджетт-кристаллах // Физика твердого тела. 2010. Т. 52. № 3. С. 495-504.
11. Ханин С. Д., Ванин А. И., Кумзеров Ю. А., Соловьев В. Г., Цветков А. В., Яников М. В. Особенности распространения электромагнитного излучения в фо-тонно-кристаллических металлодиэлектрических системах на основе опалов // Техника радиосвязи. 2021. Т. 51 (4). С. 89-99.
12. Ханин С. Д., Ванин А. И., Кумзеров Ю. А., Соловьев В. Г., Цветков А. В., Яников М. В. Реализация физических подходов к конструированию функциональных металлодиэлектрических систем на основе опалов в фотонике // Журнал технической физики. 2022. Т. 92. № 2. С. 291-296.
13. Cvetkov A. V., Khanin S. D., Kumzerov Yu. A., Puchkov N. I., Solovyev V. G., Vanin A. I., Yanikov M. V. Peculiar properties of surface plasmon-polaritons excitation in metal-dielectric structures based on opals // St. Petersburg Polytechnic University Journal. Physics and Mathematics. 2022. Vol. 15. No. 3.1. Р. 27-31.
14. Gerardy J. M., Ausloos M. Absorption spectrum of clusters of spheres from the general solution of Maxwell's equations. The long-wavelength limit // Physical Review B. 1980. Vol. 22. No. 10. P. 4950-4959.
15. Joannopoulos J. D., Johnson S. G., Winn J. N., Meade R. D. Photonic Crystals: Molding the Flow of Light. Princeton University Press, 2008. 286 p.
16. John S. Strong localization of photons in certain disordered dielectric superlat-tices // Physical Review Letters. 1987. Vol. 58. No. 23. P. 2486-2489.
17. Khunsin W., Amann A., Kocher-Oberlehner G., Romanov S. G., Pullteap S., Seat H. C., O'Reilly E. P., Zentel R., Sotomayor Torres C. M. Noise-assisted crystallization of opal films // Advanced Functional Materials. 2012. Vol. 22. P. 1812-1821.
18. Khunsin W., Kocher G., Romanov S. G., Sotomayor Torres C. M. Quantitative analysis of lattice ordering in thin film opal-based photonic crystals // Advanced Functional Materials. 2008. Vol. 18. P. 2471-2479.
19. Maier S. A. Plasmonics: Fundamentals and Applications. NY: Springer, 2007.
223 p.
20. Optical Properties of Photonic Structures: Interplay of Order and Disorder / Ed. by M. F. Limonov, R. V. De La Rue. CRC Press, 2012. 566 p.
21. Photonic crystals: Advances in design, fabrication, and characterization / Ed. by K. Busch, S. Lölkes, R. B. Wehrspohn, H. Föll. Wiley-VCH, 2004. 354 p.
22. Romanov S. G., Korovin A., Regensburger A., Peschel U. Hybrid colloidal plas-monic-photonic crystals // Advanced Materials. 2011. Vol. 23. P. 2515-2533.
23. Romanova A. S., Korovin A. V., Романов С. Г. Опалы с тонкопленочным металлическим дефектом - гибридные коллоидные плазмонно-фотонные кристаллы // Физика твердого тела. 2011. Т. 53. № 6. С. 1097-1105.
24. Yablonovitch E. Inhibited spontaneous emission in solid-state physics and electronics // Physical Review Letters. 1987. Vol. 58. No. 20. P. 2059-2062.
Об авторах
Ванин Александр Иванович — доктор физико-математических наук, профессор кафедры прикладной информатики и моделирования, Псковский государственный университет, г. Псков, Россия.
E-mail: a.ivanin@mail.ru
Панькова Светлана Витиславовна — кандидат физико-математических наук, доцент кафедры физики, Псковский государственный университет, г. Псков, Россия.
E-mail: psvvit@mail.ru
Соловьёв Владимир Гаевич — доктор физико-математических наук, профессор кафедры физики, Военная академия связи им. Маршала Советского Союза С. М. Будённого, С.-Петербург; Псковский государственный университет, г. Псков, Россия.
E-mail: solovyev_v55@mail.ru
Цветков Александр Витальевич — аспирант кафедры физики, Псковский государственный университет, г. Псков, Россия.
E-mail: aleksandr23031994@gmail.com
Яников Михаил Владимирович — кандидат физико-математических наук, доцент кафедры физики, Псковский государственный университет, г. Псков, Россия.
E-mail: losthighway@mail.ru
About the authors
Prof. Alexander Vanin, Department of Applied Informatics and Modelling, Pskov State University, Pskov, Russia.
E-mail: a.ivanin@mail.ru
Dr Svetlana Pan'kova, Associate Professor, Department of Physics, Pskov State University, Pskov, Russia.
E-mail: psvvit@mail.ru
Prof. Vladimir Solovyev, Department of Physics, S. M. Budyonny Military Academy of Telecommunications, St. Petersburg; Pskov State University, Pskov, Russia.
E-mail: solovyev_v55@mail.ru
Alexander Cvetkov, Postgraduate Student, Department of Physics, Pskov State University, Pskov, Russia.
E-mail: aleksandr23031994@gmail.com
Dr Mikhail Yanikov, Associate Professor, Department of Physics, Pskov State University, Pskov, Russia
E-mail: losthighway@mail.ru
Поступила в редакцию 03.01.2023 г.
Поступила после доработки 10.02.2023 г.
Статья принята к публикации 16.02.2023 г.
