CC BY
33
10. Pal S.K., Madjumadar D.D. Fuzzy Mathematical Approach to Pattern Recognition. NY, Wiley, 1986.
11. Jäger G., Benz U. Measures of Classification Accuracy Based on Fuzzy Similarity. IEEE Trans. On Geoscience and Remote Sensing, 2000, vol. 38, no. 3, pp. 1462-1467.
12. Gribkov I.V., Koltsov P.P., Kotovich N.V., Kravchenko A.A., Kutsaev A.S., Osipov A.S., Zakharov A.V. Performance evaluation of Texture Segmentation Methods. Proc. 13th World Mul-tiConf. on Systemics, Cybernetics and Informatics, 2009, vol. 4, pp. 137-142.
13. Gribkov I.V., Koltsov P.P., Kotovich N.V., Kravchenko A.A., Kutsaev A.S., Osipov A.S., Zakharov A.V. Comparative Study of Image Segmentation Algorithms. Proc. 8th WSEAS Int. Conf. on Signal, Speech and Image Processing, 2008, pp. 21-28.
14. Gribkov I.V., Koltsov P.P., Kotovich N.V., Kravchenko A.A., Kutsaev A.S., Osipov A.S., Zakharov A.V. Affine Invariance Study of Edge Detection Algorithms by Means of PICASSO 2 System. Proc. 6th WSEAS Int. Conf. on Signal, Speech and Image Processing, 2006, pp. 11 -16.
15. Грибков И.В., Захаров А.В., Кольцов П.П., Коганов М.А., Котович Н.В., Кравченко А.А., Куцаев А.С., Осипов А.С., Хисамбеев И.Ш. Развитие системы стохастического тестирования микропроцессоров INTEG // Программные продукты и системы. 2010. № 2. С. 14-23.
References
1. Arabov I.I., Zakharov A.V., Koltsov P.P., Kotovich N.V., Kravchenko A.A., Koutsaev A.S., Nikolaev V.K., Pavlovskaya E.Ya. Realizatsiya i issledovanie prostranstvennogo izobrazheniya v realnom vremeni [Real-time implementation and study of the spatial image]. Moscow, NIISI RAN Publ., 1994, 14 p.
2. Gribkov I.V., Zakharov A.V., Koltsov P.P., Kotovich N.V., Kravchenko A.A., Koutsaev A.S., Nikolaev V.K. Automated system of ground surface monitoring DEDAL-2. Integral-naya geometriya. Matematicheskie modeli. Ponimanie izobrazheny [Integral geometry. Mathematical models. Images Understanding]. Moscow, NIISI RAN Publ., 2001, pp. 5-50 (in Russ.).
3. Gribkov I., Koltsov P., Kotovich N., Kravchenko A., Koganov A., Kutsaev A., Nikolaev V., Zakharov A. PRIZM: Generator of Image Understanding Systems. Pattern Recognition and Image Analysis. 2000, vol. 10, no. 1, pp. 143-149.
4. Gribkov I.V., Koltsov P.P., Kotovich N.V., Kravchenko A.A., Koutsaev A.S., Nikolaev V.K., Zakharov A.V. PICASSO
- A system for evaluating edge detection algorithms. Pattern Recognition and Image Analysis. 2003, vol. 13, no. 4, pp. 617-622.
5. Gribkov I.V., Koltsov P.P, Kotovich N.V., Kravchenko A.A., Koutsaev A.S., Nikolaev V.K., Zakharov A.V. Testing of Energy Minimizing Methods in Image Preprocessing Using the PICASSO System. Proc. 8th World MultiConf. on Systemics, Cybernetics and Informatics. 2004, vol. 6, pp. 233-238.
6. Isard M., Blake A. Active Contours: The Application of Techniques from Graphics, Vision, Control Theory and Statistics to Visual Tracking of Shapes in Motion. Springer, 2000, 352 p.
7. Kass M., Witkin A., Terzopoulos D. Snakes: Active Contour Models. International Journal of Computer Vision, 1988, vol. 1, no. 4, pp. 321-331.
8. Xu Ch., Prince J.L. Shapes and Gradient Vector Flow. IEEE Transactions on Image Processing, 1998, vol. 7, no. 3, pp. 359-369.
9. Gribkov I.V., Koltsov P.P., Kotovich N.V., Kravchenko A.A., Koutsaev A.S., Osipov A.S., Zakharov A.V. Study of Noisy and Blurry Images Segmentation. Proc. 9th int. conf. on Pattern Recognition and Image Analysis: New Information Technologies (PRIA-9-2008), 2008, vol. 1, pp. 193-196.
10. Pal S.K., Madjumadar D.D. Fuzzy Mathematical Approach to Pattern Recognition. NY, Wiley, 1986, 280 p.
11. Jäger G., Benz U. Measures of Classification Accuracy Based on Fuzzy Similarity. IEEE Trans. on Geoscience and Remote Sensing, 2000, vol. 38, no. 3, pp. 1462-1467.
12. Gribkov I.V., Koltsov P.P., Kotovich N.V., Kravchenko A.A., Koutsaev A.S., Osipov A.S., Zakharov A.V. Performance evaluation of Texture Segmentation Methods. Proc. 13th World multiconf. on Systemics, Cybernetics and Informatics, 2009, vol. 4, pp. 137-142.
13. Gribkov I.V., Koltsov P.P., Kotovich N.V., Kravchenko A.A., Koutsaev A.S., Osipov A.S., Zakharov A.V. Proc. 8th WSEAS Int. Conf. on Signal, Speech and Image Processing. 2008, pp. 21-28.
14. Gribkov I.V., Koltsov P.P., Kotovich N.V., Kravchenko A.A., Kutsaev A.S., Osipov A.S., Zakharov A.V. Proc. 6th WSEAS Int. Conf. on Signal, Speech and Image Processing. 2006, pp. 11 -16.
15. Gribkov I.V., Zakharov A.V. Koltsov P.P., Koganov M.A., Kotovich N.V., Kravchenko A.A., Koutsaev A.S., Osipov A.S., Khisambeev I.Sh. The development of the system for microprocessor random testing INTEG. Programmnye produkty i sistemy [Software & Systems]. 2010, no. 2, pp. 14-23.
УДК 535.8, 537.29
РАДИКАЛЬНЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ НАНОРАЗМЕРНЫХ ПЛЕНОК СЕРЕБРА ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ ПРИЛОЖЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ
Б.В. Крыжановский, д.ф.-м.н., член-корр. РАН, руководитель центра; А.Н. Палагушкин, зав. отделом; С.А. Прокопенко, зав. сектором;
А.П. Сергеев, зав. сектором (НИИСИ РАН, Нахимовский просп.., 36, корп. 1, г. Москва, 11 7218, Россия, kryzha.no v@ma.il. ты, iontras@yan.dex. ты); А.О. Меликян, д.ф.-м.н., профессор (Институт математики и высоких технологий, Российско-армянский (Славянский) университет, ул. Эмина, 123, г. Ереван, 0051, Армения,
ar■men_melikyan@)hюtmail. сот)
Методом поверхностного плазмонного резонанса обнаружено значительное изменение диэлектрической проницаемости пленки серебра под влиянием приложенного постоянного напряжения к наноразмерной структуре металл-диэлектрик-металл. Структура изготовлена в виде конденсатора с пленками Ag толщиной 49 нм и 37 нм в качестве обкладок и пленкой А1203 толщиной 177 нм в качестве диэлектрика. Эффект проявляется в значительном изменении коэффициента отражения световой волны при подаче на электроды напряжения до 30 V. Хорошее соответствие тео-
рии результатам эксперимента достигается, если принять, что оптические параметры Ag на аноде и катоде изменяются по-разному, а в слое диэлектрика Al2O3 появляется поглощение. Показано, что при напряжении свыше 16 V величина показателя преломления катодного слоя серебра обращается в нуль.
Ключевые слова: плазмонный резонанс, наноразмерные пленки, напряжение, диэлектрическая проницаемость.
REVOLUTIONIZING OF DIELECTRIC CONSTANT OF A SILVER NANOFILM UNDER VOLTAGE
Kryzhanovskiy B. V., Dr.Sc. (Physics and Mathematics), corresponding member of RAS, head of center;
Palagushkin A.N., head of department; Prokopenko S.A., head of sector; Sergeev A.P., head of sector (SRISA RAS, Nakhimovskiy Av., 36/1, Moscow, 117218, Russian Federation, kryzhanov@mail.ru, iontras@yandex.ru);
Melikyan A.O., Dr.Sc. (Physics and Mathematics), professor (Departament of Physical Engineering, Russian-Armenian (Slavonic) University, Hovsep Emin St., 123, Yerevan 0051, Republic of Armenia, kryzhanov@gmail.com) Abstract. The surface plasmon resonance (SPR) technique is used to detect a considerable change of the dielectric constant of a silver film when a constant voltage is applied to a MDM nanostructure. The structure looks like a capacitor with Ag films 49 nm and 37 nm thick as capacitor plates and a 177-nm Al2O3 film as the dielectric. The effect is a significant change of light reflectance when applied voltage is up to 30 V across the electrodes. A good match between the theory and experiment can be achieved with the assumption that the optical properties of silver change differently at the cathode and the anode, and the Al2O3 dielectric layer begins absorbing the light. The refraction of the cathode silver layer is shown to become zero when the voltage is greater than 16 V.
Keywords: surface plasmon resonance, nanoplates, DC voltage, dielectric constant.
Оптические свойства тонких слоев металлов обусловливают их применение в самых различных устройствах: от зеркал и сверхчувствительных сенсоров [1], позволяющих регистрировать изменения показателя преломления порядка 10-7 [2], до оптических затворов и систем обработки информации [3]. Принято считать, что эти свойства весьма устойчивы к внешним воздействиям и только при переходе от макроскопических образцов к наноразмерам обнаруживается изменение спектра поглощения. Последний эффект связан с коллективными колебаниями электронов (так называемыми плазмонными колебаниями) в наноча-стицах с размерами, меньшими длины свободного пробега электронов в массивных образцах. Замечено, что статическая поляризуемость металлических кластеров, определяющая частоту коллективных колебаний, сильно отличается от макроскопической поляризуемости для кластеров, содержащих несколько десятков атомов [4]. Кроме того, расчеты показывают, что в кластерах Ag диаметром в 1-2 нм дополнительные 1-3 заряда электрона должны вызвать сдвиг линии плазмон-ного поглощения примерно в 5 нм, а уже для кластеров диаметром в 10 нм этот сдвиг ничтожен [5]. Это можно понять, поскольку сдвиг обусловлен изменением плотности заряда, которое заметно в случае малых кластеров и ничтожно мало в случае больших. Вместе с тем известно, что плаз-монные частоты существенно зависят от формы и размера наночастиц. Приведенные примеры говорят о том, что существенного изменения оптических свойств металлических наноразмерных образцов без изменения их геометрии добиться очень трудно.
В настоящей работе приводятся результаты экспериментов, однозначно указывающие на значительное изменение эффективной диэлектрической восприимчивости на оптической частоте пленок Ag в наноразмерной структуре металл-диэлектрик-металл (МДМ).
Методика эксперимента
Электронно-лучевым нанесением слоев в высоком вакууме были изготовлены экспериментальные макеты плазмонных МДМ-структур на основе четырехслойных нанопокрытий Al2O3/Ag. На рисунке 1 показана структура с толщиной слоев ^=12/49/177/36 нм соответственно с определенными оптическими свойствами. При нанесении слоев использовалась относительно низкая (~150 °С ) температура кварцевой подложки. Такая технология позволяет уменьшить размеры кристаллитов осаждаемых слоев и толщину переходных слоев, хотя и несколько снижает плотность диэлектрика. Внешний слой Al2O3 (^=12 нм) служил защитой от окисления Ag. Дополнительные адгезионные подслои не применялись. Для возбуждения SPR использовался лазер с длиной волны Х=632,8 нм. При этом такая структура одновременно представляла собой металлодиэлек-трический плазмонный оптический волновод, в котором существуют два резонанса SPR при углах 9^43° и 92=56,3°.
А1203 (Л = 12 пт) ^ (|1 = 49 пт)
А1303 (й = 177 пт)
Аг (|1 = 36 пт) —— подложка
Рис. 1. Плазмонная МДМ-наноструктура
Слои наносились через маски так, что сформировалась структура тонкопленочного конденсатора. Диаметр внешнего электрода из Ag составлял 3 мм. К такому конденсатору прикладывалось постоянное электрическое поле. Устойчивость
структур к электрическому пробою составляла до 30 V, что соответствует напряженности поля в слое диэлектрика до 1,7х106 ^см при диэлектрической проницаемости корунда е=10. Однако в ряде случаев наблюдались снижение пробивного напряжения и возрастание токов утечки структур при повышенной влажности окружающей среды.
В ходе эксперимента измерялся спектр SPR -угловой спектр отражения от изготовленной МДМ-структуры. Измерения проводились методом поверхностного плазмонного резонанса по схеме Крейчмана [6]. Для измерения угловой зависимости нарушенного полного отражения использовался автоматический 6-26 гониометр с полуцилиндром и дополнительной цилиндрической оптикой, обеспечивающей плоский фронт волны на образце.
Результаты эксперимента приведены на рисунке 2, где показано, как изменяется вид спектра отражения при изменении напряженности электрического поля от 0 до 30 V. Анализ кривых показывает, что при напряжении более 4 V происходит заметное изменение коэффициента отражения, которое при и>16 V достигает насыщения. Ширина резонансов с ростом и существенно возрастает, однако их угловое смещение относительно исходных значений 61=43° и 62=56,3° не происходит. Коэффициент отражения при этом сильно изменяется: при увеличении напряжения до значений и>20 V он уменьшается более чем в 4 раза вблизи первого резонанса (при 6^=42,9°) и увеличивается более чем в 5 раз в области второго резонанса (при 6^=55,8°). На рисунке 2 видно, что можно условно выделить три группы кривых: первая соответствует интервалу напряжений ие[0, 6] V,
30 35 40 45 50 55 60 65
Reflactance (%) vc Angle (deg)
Рис. 2. Изменение спектра отражения при приложении напряжения к МДМ-структуре (кривые сверху вниз соответствуют изменениям U от 0 до 28 V с шагом 4 V, а самая нижняя кривая соответствует предпробойному напряжению U=30 V)
вторая и третья - интервалам ие[8, 16] V соответственно. Обоснование такой группировки дается в следующем разделе при анализе зависимости оптических параметров от напряжения. Кроме того, имеются две точки, в которых величина отражения не зависит от приложенного напряжения: Я« 11,6 % при 6^=53,95° и Я«11,8 % при 6^в=57,39° для любых и. Существование этих точек трудно объяснить, однако их можно использовать для проверки результатов: теоретические кривые тоже должны пересекаться в этих точках.
Полученные кривые зависимости Я=Я(6) коэффициента отражения Я от угла падения 6 позволили рассчитать оптические параметры всех слоев МДМ-структуры (значения оптической толщины, показатели преломления п и коэффициенты поглощения к) как функции приложенного напряжения ие[0, 30] V. При этом эффективные оптические параметры слоев структуры определялись по наилучшему соответствию экспериментальных и теоретических угловых зависимостей величины отражения.
Моделирование углового спектра отражения проводилось стандартным способом с использованием известных пакетов прикладных программ (методика подробно описана в [7, 8]). Причем в отсутствие напряжения в качестве начальных значений для теоретической модели использовались оптические константы Ag и А^з из базы SOPRA и толщина слоев, измеренная в ходе изготовления МДМ-структуры. Затем значения толщины покрытий корректировались расчетом по наилучшему совпадению модельной кривой Я=Я(6) с экспериментальной зависимостью отражения и фиксировались для последующих расчетов.
•V* U = 0
) > \ i
> \ /
\ у
\ J
30 35 40 45 50 55 60 65
Reflactance (%) vc Angle (deg)
Рис. 3. Спектр SPR в отсутствие постоянного электрического поля (линия - расчет, маркер - эксперимент)
Результаты моделирования при и=0 показаны на рисунке 3 и приведены в таблице 1.
100.0
100.0
30.0
80.0
60.0
60 . 0
40.0
40.0
20.0
20.0
0 . 0
J . 0
Таблица 1
Исходные оптические параметры слоев (^=0)
Материал Коэффициент Коэффициент Толщина
слоя преломления п поглощения к слоя (нм)
М2О3 1,659 0 12,02
АД 0,136 4,011 49,20
М2О3 1,659 0 177,36
АД 0,136 4,011 36,46
Подложка 1,525 0 -
При расчете спектров отражения с приложением внешнего поля (Ц>0) значения толщины слоев считались фиксированными (табл. 1), а эффективные оптические параметры слоев Ag и А1203 (коэффициенты преломления п и коэффициенты поглощения к) варьировались до достижения наилучшего совпадения с экспериментальным спектром. Причем все параметры верхнего защитного слоя А1203 (й?=12 нм) также фиксировались в соответствии с таблицей 1, поскольку электрическое поле в нем должно отсутствовать.
Сравнение экспериментальных и теоретических кривых позволяет сделать следующие выводы. Моделирование в отсутствие внешнего поля (рис. 3) близко к идеальному: исходные значения оптических параметров слоев при ^0 в точности соответствуют значениям, приведенным в оптической базе SOPRA. Моделирование при наличии напряжения требует большего внимания. Если принять, что оптические свойства обоих слоев Ag остаются одинаковыми при приложении электрического поля, то с увеличением напряженности будет наблюдаться все большее различие расчетных и экспериментальных данных, которое никак не устраняется вариацией величин п и k. Действительно, теоретические кривые на рисунке 4, построенные в этом предположении, очень плохо согласуются с экспериментальными. Очевидно, это вызвано тем, что при расчете не учитываются не-
линейные эффекты, которые могут присутствовать при сильных напряженностях электрического поля, а также поверхностные заряды при поляризации диэлектрика и изменения плотности электронной плазмы в металлических слоях. Значительно лучшее соответствие теории и эксперимента достигается, если принять, что свойства Ag на катоде и аноде могут кардинально отличаться друг от друга.
Результаты моделирования
Если оптические параметры верхнего (анод) и нижнего (катод) слоев Ag различны, их оптимизацию следует проводить раздельно. Такое разделение возможно из предположений о накоплении зарядов на границах раздела диэлектрика и металла, а также изменений плотности электронной плазмы по толщине слоев металла в сильном электрическом поле.
Действительно, при толщине пленки диэлектрика d~200 нм и напряжении Ц~30 V поверхностная плотность заряда будет ст=U/4яed0~40 Св8Е (диэлектрическая проницаемость корунда ей 10). Если площадь пленки равна 1 см2, то число избыточных электронов на одной из пленок Ag (и недостающих на другой) будет ~1011, в то время как полное число электронов проводимости будет ~1018.
Выясним, к чему может привести дефицит заряда на пленке. Очевидно, что потенциальная яма для всех электронов анода окажется углубленной на 30 эВ. Но при этом надо учесть также изменение зонной структуры. Дело в том, что дополнительная сила притяжения со стороны нескомпен-сированного положительного заряда приведет к сдвигу зоны проводимости и, конечно, уровня Ферми EF вниз по шкале энергий. Соответственно, это приведет к понижению порога межзонного по-
"V и = 16У
Л ч
1
I N /
1 \
и 30У
> У
1 Ч
Ие£1а^апсе (%) ус Апд1е (deд)
ИеОа^апсе (%) ус Апд1е ^ед)
Рис. 4. Спектры БГЯ при Ы=16 V и Ы=30 V (маркер - эксперимент, линия - расчет). Расчетные кривые построены в предположении, что оптические свойства обоих слоев Ag одинаковы. Видно, что эти кривые плохо согласуются с экспериментальными
100.0
100.0
30.0
30.0
о 0.0
о 0.0
4 0.0
20.0
20.0
0 . 0
0 . 0
глощения. Зона ^-электронов при этом сдвигается гораздо меньше из-за более сильной связи с ядром. Это можно понять, сравнивая данные по работе выхода А и порогу межзонного поглощения Д для благородных металлов Ag, Аи и Си. Закономерность такова: чем ниже Д, тем больше А. Объяснение очевидно: валентный электрон сильнее связывается с ^-электронами, что и затрудняет его удаление из металла. Зона ^-электронов при этом сдвигается гораздо меньше из-за более сильной связи с ядром.
Изменение порога межзонного поглощения приводит к изменению диэлектрической проницаемости металла и, следовательно, параметров п и к. Например, для золота выведена модельная функция е(ю) (см. [1]), которая учитывает два межзонных перехода, и с помощью одиннадцати подгоночных параметров (резонансные частоты,
ширина резонансов, комплексные амплитуды, асимптотика и т.д.) удалось достичь хорошего совпадения с данными [9]. Для серебра до настоящего времени что-либо подобное не найдено, поэтому ограничимся приблизительной оценкой по формулам работы [1] для золота. Изменение порога Д на 0,1 эВ приводит к изменению диэлектрической проницаемости примерно на единицу, что может быть обнаружно в экспериментах, аналогичных обсуждаемому.
В то же самое время на катоде избыток электронов приводит к повышению порога межзонного поглощения. Лишние электроны не вылетают из металла до тех пор, пока сила притяжения со стороны зарядов-изображений превышает силу отталкивания со стороны лишних электронов. Условие равенства этих сил можно записать в виде е2/12=еи/2ё, где и/2ё - напряженность поля на катоде (в самом конденсаторе она вдвое больше), I - расстояние, на которое удаляется электрон от
катода. Для напряжения насыщения получим Ц=6-10-12//2 V. Предположим, что медленные электроны рассеиваются дефектами, концентрация которых составляет ~1018 см-3, при этом средняя длина свободного пробега будет ~10 нм, и напряжение насыщения оказывается порядка нескольких вольт. При дальнейшем возрастании и наступает динамическое равновесие, то есть число электронов, поступающих в единицу времени на катод, равно числу электронов, в единицу времени просачивающихся через диэлектрик.
Таким образом, необходима независимая оптимизация оптических параметров верхнего (анод) и нижнего (катод) слоев Ag. Действительно, моделирование с независимой оптимизацией слоев анода и катода приводит к хорошему совпадению теоретических и экспериментальных кривых. На рисунке 5 приведены результаты моделирования
углового спектра SPR при напряжениях и=16 V и и=30 V. Сравнение с кривыми рисунка 4 показывает, что независимая оптимизация приводит к существенному улучшению согласия теории с экспериментом. Расчетные величины оптических параметров, полученные при таком моделировании, приведены в таблице 2. Во-первых, обращает на себя внимание то, что показатель преломления анодного слоя оказался меньше, чем на катоде. Этот ожидаемый результат совпадает с измерениями, проводимыми в процессе изготовления структуры, и объясняется тем, что при напылении на гладкую подложку качество слоя серебра всегда выше, чем при напылении на относительно рыхлый промежуточный слой. Во-вторых, с ростом напряжения в слое диэлектрика Al2O3 появляется небольшое поглощение, а его показатель преломления уменьшается. Возможно, это связано с просачиванием электронов в этот слой из катода. Во избежание недоразумений следует подчерк-
и 16У
и 30У
У
1 ч
35 40 45 50 55 6
Reflactance (%) vc Angle (deg)
35 40 45 50 55 6
Reflactance (%) vc Angle (deg)
Рис. 5. Спектры БРК при и=16¥ и и=30¥ (маркер - эксперимент, линия - расчет). Расчетные кривые построены при независимой оптимизации параметров Ag на аноде и катоде
100.0
100.0
8 0.0
30.0
60.0
50 . 0
40.0
40.0
20.0
2 0.0
Э . 0
3 . 0
5
5
n
о. 6
\ Ag, anoc le
Ag, cathod ie
0 4 8 12 16 20 24 28
Reflactive index vc Voltage
и
k
5 . 0
Ag, anode
1 A g, cath ode 1
4 8 12 16 20 24 28 J
Extinction koefficient vc Voltage
n
1.75
Al2O,
0 4 8 12 16 20 24 28 J/
Reflactive index vc Voltage
k°7
0.06
0.05
Al2O3
—
4 8 12 16 20 24 28 3
Extinction koefficient vc Voltage
Рис. 6. Показатели преломления и коэффициенты поглощения как функции напряжения и. Верхние панели - параметры Ag в катодном и анодном слоях, нижние панели - параметры диэлектрического слоя А1203
0 . 5
0 . 4
3 . 0
0 . 3
2 . 0
0 . 2
1 . 0
0 . 1
0 . 0
0 . 0
1.50
1 . 25
0.04
1.00
0.03
0./5
0.02
0.50
0.01
0 . 25
0.00
0
нуть, что при моделировании невозможно учесть шероховатость поверхностей, взаимопроникновение слоев и нелинейные эффекты, которые могут присутствовать при сильных напряженностях электрического поля. Поэтому приведенные в таблице 2 значения параметров п и к следует рассматривать как некоторые эффективные значения, в какой-то мере учитывающие эти недостатки теоретического описания.
Таблица 2
Оптичежие параметры слоев МДМ-структуры
Зависимость оптических параметров слоев МДМ-структуры от напряжения показана на рисунке 6. Видно, что при напряжениях &~8 V и
&~16 V все оптические параметры слоев Ag претерпевают резкие изменения. Аналогичное скачкообразное поведение наблюдается и у параметров диэлектрического слоя А1203. В промежутках между скачками величины п и к ведут себя достаточно стабильно у всех слоев. Исключение составляет только коэффициент поглощения диэлектрического слоя А1203, который демонстрирует небольшой рост на отрезке &е[20, 30] V. Интересно, что при напряжениях &~16 V показатель преломления катодного слоя Ag падает до нуля, то есть диэлектрическая проницаемость становится строго отрицательной без мнимой компоненты.
Следом за изменением величин п и к резко изменяется и коэффициент отражения. Наиболее сильные изменения в отражательной способности МДМ-структуры происходят при превышении напряжения &~16 V. Эксперимент на данной МДМ-структуре показал, что увеличение напряжения до значений &=20-30 V сопровождается уменьшением коэффициента отражения в 4,2 раза при 68РЕ=42,9° и увеличением его в 5,4 раза при 6ЗЖ=55,8°. Расчет показывает, что контрастность отражательной способности можно резко увеличить, незначительно варьируя толщину слоев. На-
U, V Ag (anode) AI2O3 Ag (cathode)
n k n k n k
0 0,1360 4,0110 1,6908 0,0000 0,1341 4,0100
4 0,1341 4,0109 1,6592 0,0022 0,1340 4,0100
8 0,5928 4,2967 1,6593 0,0087 0,0881 3,4853
12 0,5931 4,2969 1,6533 0,0116 0,0882 3,4852
16 0,5932 4,2970 1,6531 0,0113 0,0882 3,4852
20 0,3752 4,6909 1,5059 0,0583 0,0000 1,0263
24 0,3717 4,6840 1,5064 0,0589 0,0000 1,0308
28 0,3828 4,6885 1,5122 0,0622 0,0000 1,0619
30 0,3778 4,7022 1,5161 0,0642 0,0000 1,0816
пример, увеличив толщину анодного слоя до 54 нм, получим структуру с нулевым отражением при угле падения 6SPR=60,5°, коэффициент отражения которой поднимется до 20 % при повышении напряжения до U=30 V.
Таким образом, удалось обнаружить значительное изменение диэлектрической проницаемости серебра под влиянием приложенного к оптической волноводной МДМ-наноструктуре постоянного напряжения до 30 V. Показано, что, изменяя напряжение, можно сильно модулировать величину коэффициента отражения. В перспективе данный эффект может быть использован при разработке электроуправляемых оптических ключей.
Получить приемлемое теоретическое обоснование скачкообразного изменения оптических параметров МДМ-структуры авторам пока не удалось. Это будет темой дальнейших исследований.
(Исследования проводились в рамках проектов №№ 1.8 и 2.1 Отделения нанотехнологий и информационных технологий РАН.)
Литература
1. Maier S. Plasmonics: Fundamentals and Applications, Springer, 2007.
2. Mikaelian A.L., Kryzhanovskiy B.V., Palagushkin A.N., Prokopenko S.A., Sergeev A.P., Yudkin F.A., Arlamenkov A.N. Sensors Using Plasmon Nanostructures, Optical Memory&Neural Network, 2005, vol. 14, pp. 229-238.
3. Cohen E., Dolev S., Kryzhanovskiy B., Palagushkin A., Frenkel S., Palagushkin A., Rosenblit M., Zakharov V. Optical solver of combinatorial problems: nanotechnological approach, JOSA A. 2013, vol. 30, iss. 9, pp. 1845-1853.
4. Knight W.D., Clemenger K., de Heer W.A., Saunders W.A. Phys. Rev. B, 1985, vol. 31, pp. 2539-2540.
5. Quinten M. Optical Properties of Nanoparticle Systems. Wiley-VCH Verlag & Co. KGaA. 2011.
6. Kretschmann E. Die Bestimmung optischer Konstanten von Metallen durch Anregung von Oberflachenplasmaschwin-gugen, Zeitschrift fur Physic, 1971, Bd. 241, no. 4, pp. 313-324.
7. Palagushkin A.N., Prokopenko S.A., Sergeev A.P. Optical Memory and Neural Networks (Information Optics), 2007, vol. 16, pp. 288-294.
8. Palagushkin A.N., Prokopenko S.A., Sergeev A.P. Optical Memory and Neural Networks (Information Optics), 2009, vol. 18, pp. 156-163.
9. Etchegoin P.G., Le Ru E.C., Meyer M. Journ. of Chem, Physics, 2006, vol. 125, pp. 164-705.
References
1. Maier S. Plasmonics: Fundamentals and Applications. Springer, 2007.
2. Mikaelian A.L., Kryzhanovskiy B.V., Palagushkin A.N., Prokopenko S.A., Sergeev A.P., Yudkin F.A., Arlamenkov A.N. Sensors Using Plasmon Nanostructures. Optical Memory&Neural Network. 2005, vol. 14, pp. 229-238.
3. Cohen E., Dolev S., Kryzhanovskiy B., Palagushkin A., Frenkel S., Palagushkin A., Rosenblit M., Zakharov V. Optical solver of combinatorial problems: nanotechnological approach. JOSA A. 2013, vol. 30, iss. 9, pp. 1845-1853.
4. Knight W.D., Clemenger K., de Heer W.A., Saunders W.A. Phys. Rev. B. 1985, vol. 31, pp. 2539-2540.
5. Quinten M. Optical Properties of Nanoparticle Systems. Wiley-VCH Verlag & Co, KGaA, 2011, 502 p.
6. Kretschmann E. Determination of the metal optical constants through exciting surface plasma waves. Zeitschrift fur Physik [Journ. of Physics]. 1971, vol. 241, no. 4, pp. 313-324 (in German).
7. Palagushkin A.N., Prokopenko S.A., Sergeev A.P. Optical Memory and Neural Networks (Information Optics). 2007, vol. 16, pp. 288-294.
8. Palagushkin A.N., Prokopenko S.A., Sergeev A.P. Optical Memory and Neural Networks (Information Optics). 2009, vol. 18, pp. 156-163.
9. Etchegoin P.G., Le Ru E.C., Meyer M. Journ. of Chem. Physics. 2006, vol. 125, pp. 164-705.
УДК 629.78
О ВОЗМОЖНОСТИ РЕАЛИЗАЦИИ МОБИЛЬНОЙ СЕТИ СПУТНИКОВОЙ СВЯЗИ СТАНДАРТА DVB-RCS С ПРОСТРАНСТВЕННО-ЧАСТОТНО-ВРЕМЕННЫМ РАЗДЕЛЕНИЕМ РЕСУРСА В Х-ДИАПАЗОНЕ
(Работа поддержана грантом РФФИ, проект № 13-07-00057-а)
А.А. Генов, д.т.н.., старший научный сотрудник; В.В. Осипов, к.т.н.., старший научный сотрудник; С.Б. Савилкин, к.ф.-м..н., старший научный сотрудник (НИИСИ РАН, Нахимовский просп., 36, корп. 1, г. Москва, 117218, Россия, vlad_osipovv@mail.ш, savilkin@mail.ru)
Спутниковые сети носимых земных станций в настоящее время реализуются через космические аппараты на геостационарной орбите, как правило, в режиме прямой ретрансляции с частотным разделением каналов (FDMA).
Переход к стандарту DVB-R.CS с пространственно-частотно-временным разделением каналов (MSF-TDMA) предполагает реализацию на борту космического аппарата многолучевых приемно-передающих антенн (гибридных многолучевых антенн или активных фазированных антенных решеток) и мультисервисных бортовых цифровых платформ стандарта DVB-RCS, обеспечивающих многоканальную демодуляцию сигналов земных станций.
Использование стандарта DVB-RCS с MSF-TDMA позволяет существенно расширить функциональные характеристики сетей мобильной связи через космические аппараты на геостационарной орбите.
