CC BY
170
Нанофотоника: состояние и перспективы
Нанофотоника как новая область науки возникла на стыке оптики, лазерной физики, материаловедения, физической химии, физики и химии твердого тела. Она изучает распространение, преобразование, испускание и поглощение оптического излучения в наноструктурах, а также ставит своей целью использовать особенности взаимодействия излучения с веществом в технике: от систем передачи информации до биосенсоров и биочипов.
В наноструктурах происходит пространственное ограничение движения электронов, если характерный размер неоднородности приближается к дебройлевской длине волны электрона в кристаллах (2—10 нм), или ограничение распространения электромагнитных волн, если он близок к длине волны электромагнитного излучения (400—700 нм для видимого диапазона). В основе нанофотоники лежат несколько глубоких физических явлений и эффектов, которые обусловили формирование и выделение этой междисциплинарной области в самостоятельное крупное направление современной науки и техники. К ним относятся квантовые размерные эффекты в твердотельных наноструктурах и наночастицах размером в несколько нанометров, локализация электромагнитного излучения и возникновение оптических аналогов по отношению к электронным явлениям в твердых телах в наноструктурированных диэлектриках, формирование сингулярностей электромагнитного поля и плотности состояний в металло-диэлектрических наноструктурах, изменение вероятности квантовых переходов в условиях пространственного ограничения электромагнитных волн. Ожидается, что развитие нанофотоники приведет в ближайшие десятилетия к созданию оптической микро-схемотехники, микро- и нанолазеров, эффективных модуляторов и переключателей света, люминофоров и т.п.
В течение многих десятилетий иследова-ния в области нанофотоники развивались внутри различных сфер науки без обозначения причастности к нанотехнологиям и задолго до появления этого «брэнда» в научно-техническом лексиконе. Предвестниками систематической работы по теме нанофотоники в Беларуси были труды академика Ф.И. Федорова и его научной школы по электромагнитной теории излучения в сложных средах и на границах их раздела (1950—1960-е гг.), исследования в области фотоники биомолекул, начатые академиком А.Н. Севченко и продолженные его многочисленными учениками (именно в этой сфере в русскоязычной научной литературе впервые возник термин «фотоника»), построение теории взаимодействия излучения с веществом (академики Б.И. Степанов, П.А. Апанасевич и их последователи), изыскания в областях оптики полупроводников, коллоидной химии и химии твердого тела (научные школы члена-корреспондента В.П. Грибковского и академика В.В. Свиридова), развитие электрохимических технологий получения нанопористых материалов и базовых технологий порошковой металлургии и керамики (научные школы академиков В.А. Ла-бунова и П.А. Витязя), создание научных основ производства новых материалов при экстремальных воздействиях в институтах физики и тепло- и массообмена Национальной академии наук.
Сегодня белорусские ученые, работающие в сфере нанофотоники, известны во всем мире. Их статьи печатают лучшие международные журналы, они выступают с докладами на престижных конференциях, ими получены многие приоритетные результаты.
В нашей стране систематически изучены оптические свойства полупроводниковых нанокристаллов, что позволило перейти от фундаментальных исследований к прикладным, направленным на получение новых материалов, компонентов лазерной техники, биомаркеров и биочипов. Эти работы получили развитие в организациях НАН Беларуси, в НИИ физико-химических проблем и НИИ ядерных проблем Белорусского государственного университета, НИИ оптических материалов и технологий Белорусского национального технического университета, Гродненском госуниверситете им. Я. Купалы. Одновременно в Академии наук разрабатываются методы получения наночастиц и других наноструктур с использованием лазерно-плазменных процессов.
Отечественные специалисты активно участвуют в изучении и создании фотонных кристаллов, что подразумевает структуризацию вещества на масштабе длины световой волны с целью добиться проявления новых оптических свойств. В Институте физики им. Б.И. Степанова совместно с НИИ порошковой металлур-
гии были предложены методы синтеза диэлектрических наноструктур с трехмерной периодичностью на основе коллоидных кристаллов, в Белорусском государственном университете информатики и радиоэлектроники — способы генерации структур с двумерной периодичностью с использованием электрохимических процессов и методы «встраивания» в них люминофоров, что важно не только для проведения фундаментальных исследований взаимодействия света и вещества, но и для практического применения наноструктур в дисплеях, источниках и преобразователях света (Н.В. Гапоненко с сотр.).
В изучении взаимодействия излучения и вещества особое место занимает понимание динамики квантовых переходов в фотонных кристаллах. В Институте физики НАН Беларуси построена последовательная квантово-электродинамическая теория испускания света в фотонных кристаллах (профессоры С.Я. Килин, Д.С. Мо-гилевцев), выполнены экспериментальные исследования динамики квантовых переходов в фотонно-кристаллических коллоидных структурах, разрабатывается теория резонансного и комбинационного рассеяния света в наноструктурах. Среди теоретических изысканий следует также отметить создание в Институте молекулярной и атомной физики (ИМАФ) НАН Беларуси теории распространения излучения в упорядоченных дисперсных средах с учетом многократного рассеяния и интерференции рассеянных волн (А.Н. По-нявина с сотр.), построение теории пла-нарных фотонно-кристаллических волноводов, позволяющих манипулировать световыми потоками в микроустройствах (А.В. Лавриненко с сотр., БГУ).
Развитие концепции фотонных кристаллов оказало влияние и на такую традиционную для прикладной оптики область, как оптика тонких пленок и слоистых сред. В последние годы предложен и реализован метод создания планарных широкоугольных диэлектрических зеркал, разработана теория распространения волн в средах с фрактальной геометрией (БГУ и ИМАФ), оптимизированы способы получения тонкопленочных нелинейно-оптических элементов (институты физики и прикладной
Сергей ГАПОНЕНКО заведующий лабораторией нанооптики Института физики им. Б.И. Степанова НАН Беларуси, член-корреспондент
оптики НАН Беларуси — А.П. Войтович и А.В. Хомченко с сотр.). Начаты систематические исследования сверхбыстрых процессов в наноструктурах с фемто-секундным временным разрешением (С.А. Тихомиров с сотр.).
В современной нанофотонике значительное место занимает целенаправленное изучение оптических процессов в ме-талло-диэлектрических наноструктурах. Последние позволяют локально сформировать гигантское электромагнитное поле из-за размерно-зависимых плазмонных резонансов в металлических наночасти-цах и возбуждения поверхностных плаз-
монных мод. В Гродненском госуниверситете им. Я. Купалы под руководством профессора С.А. Маскевича разработаны практические методы создания активных металло-диэлектрических наноструктур, в которых интенсивность комбинационного рассеяния света увеличивается на несколько порядков. Это имеет важное прикладное значение для высокочувствительного спектрального анализа в экологических, медицинских и биологических исследованиях.
Следует особо отметить высокий творческий тонус белорусских ученых в области нанофотоники. В последние годы защищено несколько, без преувеличения, блестящих докторских диссертаций (А.Н. Понявина, А.В. Лавриненко, Д.С. Мо-гилевцев). В год 80-летия Национальной академии наук только в Институте физики трое талантливых молодых людей стали кандидатами наук.
Приведенный обзор направлений исследований по нанофотонике в республике свидетельствует о значительном вкладе белорусов в эту область науки и техники, что подтверждается высокой частотой упоминания отечественных работ в мировой литературе и участием в международных проектах. По данным организации Tomson Scientific, по совокупному цитированию в области нанокристаллов наша страна занимает 20-е, фотоники в целом — 16-е, в сфере фотонных кристаллов—6-е место в мире. Ученые нашей республики входят в Европейскую сеть по нанофотонике, созданную в VI Рамочной програм-
Длительности импульсов света и спектры излучения новых твердотельных лазеров, в которых применяются полупроводниковые нанокристаллы (результаты получены в НИИ оптических материалов и технологий БНТУ)
№1(71)_2009 НАУКА И ИННОВАЦИИ
15
Самосборка диэлектрических наночастиц в структуру типа «фотонный кристалл» (Институт физики им. Б.И. Степанова совместно с Институтом порошковой металлургии)
Нанопористый оксид алюминия используется для создания новых светоизлучающих структур (Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники)
Планарный фотонно-кристаллический волновод: геометрическая конструкция (слева) и рассчитанная интенсивность электромагнитного поля (справа). Расчеты А.В. Лавриненко (БГУ)
ме ЕС, участвуют в других ее разделах, выполнили несколько проектов МНТЦ и около 10 — ИНТАС.
Многие эксперты считают, что в будущем развитие нанофотоники по масштабам долговременного технологического и социального воздействия может быть сравнимо с влиянием полупроводниковой электроники на технологический прогресс и повышение качества жизни. В связи с этим целесообразно обсудить возможнос-
ти практической реализации накопленных в Беларуси знаний и их промышленного применения. По-видимому, по восприимчивости и готовности результатов к внедрению на первое место следует поставить лазерно-оптическую промышленность. Это неудивительно, так как именно на стыке оптических и лазерных исследований и зародилась нанофото-ника. Отечественная лазерно-оптическая отрасль соответствует мировому уровню, демонстрирует стабильную положитель-
ную динамику в своем развитии и имеет ярко выраженный экспортный потенциал. Это во многом связано с решающей ролью Национальной академии наук в зарождении и становлении производства лазерной техники в нашей стране. Отрасль, занимающаяся выпуском государственных документов и ценных бумаг, тоже легко восприимчива к достижениям нанофотоники. Данное направление работы также возникло благодаря деятельности Академии наук, прежде всего институтов физики, молекулярной и атомной физики, общей и неорганической химии. Однако следует учитывать, что, несмотря на важную роль данной сферы для обеспечения госнужд, она не имеет самостоятельного экономического значения и экспортной перспективы. На третьем месте в нашем прогнозе находится электронная и оптоэлектронная техника, для которой могут быть предложены новые компоненты дисплейных устройств, спектральные преобразователи для кремниевых фотодетекторов и солнечных элементов. Эта отрасль обладает высоким экспортным потенциалом, однако развитие новых технологий в оптоэлектронике требует крупных инвестиций. Решение о строительстве предприятия по выпуску светодиодной техники в нашей стране, несомненно, приведет к востребованности многих разработок в области люминесцирующих материалов и источников света. Мировой рынок таких изделий в ближайшие 10—20 лет практически ненасыщаем. В то же время развитие в Беларуси производства фотонно-кристаллических компонентов и оптических микро- и нанопереключа-телей для микросхемотехники, по-видимому, осуществимо лишь в серьезной кооперации с ведущими государствами в силу высокой стоимости промышленных субмикронных технологий, исчисляемой миллиардами долларов, и необходимости функциональной и технологической интеграции продукции в конечные изделия. Наконец, в практику будут внедряться и отечественные биомедицинские приложения. Правда, из-за специфики данной отрасли и закрытости зарубежных рынков для наших медицинских разработок ориентироваться здесь имеет смысл главным образом на регион СНГ.
