CC BY
14УДК 535.8; 544.77.03
УЗКИЕ РЕЗОНАНСЫ В ПЕРИОДИЧЕСКИ СТРУКТУРАХ НА ОСНОВЕ ТЕРМОСТОЙКОГО НИТРИДА ТИТАНА
В. И. Закомирный1' 2*, В. С. Герасимов1, А. Е. Ершов1' 3, C. В. Карпов1' 4' 5
1 Сибирский федеральный университет Российская Федерация, 660041, г. Красноярск, просп. Свободный, 79 2Департамент теоретической химии и биологии, Школа биотехнологий, Королевский технологический институт
Швеция, 10691, Стокгольм 3Красноярский научный центр СО РАН Институт вычислительного моделирования СО РАН Российская Федерация, 660036, г. Красноярск, Академгородок, 50/44
4Институт физики имени Л. В. Киренского СО РАН Российская Федерация, 660036, г. Красноярск, Академгородок, 50/38 5Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
E-mail: vi.zakomirnyi@gmail.com
Исследованы возможности применения нитрида титана (TiN) для получения высокодобротного поверхностного резонанса на периодической структуре сферических наночастиц. Полученные данные открывают перспективы для использования 2D массивов из TiN наночастиц в качестве элементов оптических интегральных микросхем нового поколения.
Ключевые слова: наночастица, нитрид титана, поверхностный резонанс, узкие резонансы.
NARROW RESONANCES IN PERIODIC STRUCTURES BASED ON REFRACTORY TITANIUM NITRIDE
V. I. Zakomirnyi1, 2*, V. S. Gerasimov1, A. E. Ershov1, 3, S. V. Karpov1, 4 5
1 Siberian Federal University 79, Svobodny Av., Krasnoyarsk, 660041, Russian Federation 2Division of Theoretical Chemistry and Biology, School of Biotechnology, KTH Royal Institute of Technology
Stockholm, 10691, Sweden 3Krasnoyarsk Science Centre SB RAS Institute of Computational Modelling SB RAS 50/44, Akademgorodok, Krasnoyarsk, 660036, Russian Federation
4L. V. Kirensky Institute of Physics SB RAS 50/38, Akademgorodok, Krasnoyarsk, 660036, Russian Federation 5Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: vi.zakomirnyi@gmail.com
The paper proposes the possibility of using titanium nitride (TiN) to obtain high-quality surface resonance on the periodic structure of spherical nanoparticles. The data obtained provide an opportunity of utilizing such structures in optical integral circuits of a new generation.
Keywords: nanoparticles, titanium nitride, surface resonance, narrow resonance.
Введение. В настоящее время весьма актуальным является исследование оптических свойств периодических структур из наночастиц, обладающих поверхностным плазмонным резонансом [1] в связи с возможностью использования этих объектов в качестве функциональных элементов оптических микросхем нового поколения, работающих в условия повышенных температур. Применение таких микросхем является перспективным во многих областях науки и техники, в том числе и в ракетно-космической области.
Наиболее распространенными плазмонными материалами являются благородные металлы, прежде всего серебро (Ag) и золото (Аи). В литературе также приводятся результаты поисков альтернативных плазмонных материалов [2]. В настоящее время нитрид титана (Т1М) находит всё больше и больше применений в области плазмоники [3]. Это связано с простотой синтеза ТШ наночастиц, а также с его высокой термической и химической стабильностью [4]. Так, например, температура плавления нитрида титана
Решетневскуе чтения. 2017
в три раза превышает температуру плавления золота и серебра [4].
Таким образом, исследование оптических свойств различных периодических структур, состоящих из ТШ наночастиц и имеющих рабочую частоту в ИК диапазоне, представляет повышенный интерес с точки зрения поиска новых областей применения плазмон-ных наночастиц, а также развития уже существующих приложений.
Модель. Периодические структуры плазмонных наночастиц имеют выдающиеся особенности: в них может наблюдаться коллективное колебание, основанное на взаимодействии поверхностного плазмона (1111) и аномалии Реллея. Такое взаимодействие принято называть поверхностным резонансом (ПР). Последние теоретические и экспериментальные работы показали, что в периодических структурах может иметь место высокодобротный (Р ~ 300) ПР [5].
Существенная часть теоретических работ, посвященных исследованию оптических свойств плазмон-ных структур, основана на использовании дипольного приближения [6]. Положение плазмонного пика для одиночных частиц из классических плазмонных мета-риалов, таких как Ag и Аи, в большинстве случаев находится в видимом или ближнем инфракрасном диапазоне. Принимая во внимание факт строгой зависимости ПР от положения плазмонного пика одиночной частицы, становится невозможным создание эффективных структур из классических плазмонных материалов, работающих на длинах волн свыше 1200 нм (ближний ИК), в то время как плазмонный пик одиночной частицы нитрида титана Т1М удовлетворяет этому требованию. С другой стороны, положением аномалии Реллея можно управлять за счет изменения геометрии структуры: размера частиц и шага решетки. Таким образом, мы имеем комплексный подход к изменению и управлению положением ПР, что является чрезвычайно важным в современных оптических микросхемах.
Результаты. Перейдем к спектрам трансмиссии периодических структур из сферических частиц Т1М, расположенных в кварце (п = 1,5). Частицы в составе периодической структуры имели сферическую форму. На рисунке, а изображены положения ПР в зависимости от размера частиц и шага решетки исследуемой структуры для комнатной температуры Т = 23 °С.
Положения пиков ПР соответствуют спектральному диапазону оптических микросхем, использующихся в промышленности и технике сегодня (1260-1625 нм). Исследуемая структура позволяет получить высокодобротный резонанс (Р ~ 280-350) для любой длины волны в данном диапазоне за счет изменения геометрии решетки. Так увеличение радиуса Я от 118 нм до 150 нм, а периода решетки Б от 828 нм до 1022 нм позволяет без потерь изменить положение ПР на длине волны X = 1200 нм до 1600 нм. Дальнейшее увеличение радиуса частиц и периода решетки приводит к деградации ПР.
На рисунке, б изображены положения ПР для структур с такими же геометрическими параметрами, что и на рисунке, а, но для температуры Т = 600 °С. Очевидно, что изменение температуры не влияет
на положение ПР, однако незначительно снижается
добротность (Q ~ 170-270).
qJ*
№ 14 12
1(1
а
о
ЙЮ 800 11)1X1 1200 )|[Х> IU00 1800 2000 Д. иш
а
Т 600" С
QjS
10
i-i 12
10
S
о
Спектры экстинкции периодической структуры из сферических наночастиц ТМ с радиусами Я и периодом решетки Б при температуре Т = 23 °С (а) и Т = 600 °С (б)
Таким образом, массивы из Т1М наночастиц с различными геометрическими параметрами обладают широкой перестраиваемой полосой отражения, что позволяет данным структурам функционировать в различных диапазонах телекоммуникационных длин волн (X = 1260-1625 нм). Данная особенность в первую очередь открывает возможности использования периодических структур из Т1М наночастиц в качестве перспективных совместимых компонентов гибридных КМОП (комплементарная структура металл-оксид-полупроводник) - фотонных микросхем.
Заключение. Массивы из сферических Т1М частиц обладают уникальными оптическими свойствами, которые позволяют значительно увеличить эффективность работы современных оптических микросхем, работающих в телекоммуникационном диапазоне длин волн. Представленные спектры экстинкции позволяют считать, что рассматриваемые структуры можно применять в качестве узкополосных и высокочувствительных отражателей, что, несомненно, несет важную роль в их практическом применении. Высокая тепловая устойчивость нитрида титана является большим преимуществом в данном направлении.
Т П С
R. uni and D, пш: 118: 828 130; 907
140: 961 145; 997 150; 1022
References
1. Stockman M. I. Nanoplasmonics: past, present, and glimpse into the future, Opt. Express 19. 2011. 22029.
2. Boltasseva A., Atwater H. A. Low-loss plasmonic metamaterials, Science, 2011, no. 331(6015), p. 290-291.
3. Fully cmos compatible titanium nitride nanoanten-nas / J. A. Briggs [et al.]. Appl. Phys. Lett, 2016, No. 108 (5). 051110.
4. Localheating with lithographically fabricated plasmonic titanium nitride nanoparticles / U. Guler [et al.] // Nano Letters, 2013, No. 13 (12), p. 6078-6083.
5. Nano Letters / B. D. Thackray [et al.]. 2015, No. 15, p. 3519.
6. Transmission spectrum of a system composed of one-dimension alchains of small metallic spheres / Y. Feng-Qi [et al.] // Phys. Rev. B, 1990, No. 42 (17), p. 11003-11007.
© Закомирный В. И., Герасимов В. С., Ершов А. Е., Карпов C. В., 2017
