4.12. Фотонные нанокристаллы.

Наноматериалы приобретают новые свойства, связанные как кван­товым ограничением длины пробега носителей, так и организацией на­нокластеров в нанокристаллы. В качестве примера наноматериалов, при­обретающих новые свойства, приведем пористый кремний и фотонные нанокристаллы.

Пористый кремний представляет собой пример появления новых оптических свойств, связанных с квантовым ограничение.

Он представляет из себя материал, состоящий из изогнутых крем­ниевых нитей нанометрового диаметра. Для кристаллического кремния радиационные переходы между валентной зоной и зоной проводимости формально запрещены по условиям симметрии. Переходы, однако, про­исходят, но только с участием фононов, и поэтому скорость радиационных переходов мала. Это является причиной того, что кремний не используется для генерации оптических сигналов.

В пористом кремнии наблюдается интенсивная фотолюминесцен­ция, что вначале связывалось с возможным нарушением привила отбора в наносистеме, которая не удовлетворяет трансляционной симметрии. Квантовые ограничения действительно играют основную роль в появле­нии фотолюминесценции путем изменения соотношения интенсивности радиационных и не радиационных переходов. Интенсивность радиацион­ных переходов несколько возрастает, но, главным образом, уменьшается интенсивность нерадиационных переходов, в частности, резко убыва­ет вероятность трехчастичных Оже-процессов, связанных с испусканием электронов после поглощения светового излучения, по сравнению с кри­сталлическим кремнием.

Фотонные кристаллы образуются из нанокластеров с размерами, сравнимыми с длиной волны фотонов, например, для видимого диапазона света это сотни нанометров. Благодаря этому, для таких наноструктур наблюдаются дифракционные процессы и выполняются условия Брэгга, подобно рассеянию рентгеновских лучей на атомной кристаллической решетке. Это в свою очередь приводит к возникновению когерентных эффектов при рассеянии и поглощении света, весьма чувствительных к энергии фотонов и направлению их распространения.

Так, фотонные кристаллы имеют периодически меняющийся коэф­фициент отражения, что позволяет изменять оптические свойства матери­алов. Одномерные наноструктуры используются как интерференционные фильтры, однако большой интерес представляют трехмерные нанокри­сталлы. Для таких наносистем было получено существование щелей фо­тонных состояний в энергетических и дисперсионных спектрах подобно запрещенным зонам в энергетических и дисперсионных спектрах электро­нов в атомных кристаллах. Это предсказывает существование фотонной щели с частотами, при которых фотон не может распространяться внутрь кристалла и происходит его упругое отражение от нанокристаллического слоя. Такие возможности позволяют создавать наноматериалы с изменя­ющимися оптическими свойствами.

Создание фотонных кристаллов с фотонной щелью включает раз­нообразные приемы синтеза. Один из таких приемов состоит в исполь­зовании свойства сфер субмикронного (несколько сотен нанометров) размера произвольно организовываться в гранецентрированную решетку.

Рис. 4.30 Сечение нанокристалла, образованного после фильтрации кремния ( серое поле) в стуктуру опала и выщелачивание сфер SiO_2. Неполная фильтрация приводит к появлению дополнительных треугольного (или алмазного типа) пор.

В результате получается наноматериал – синтетический опал, включаю­щий монодисперсные сферы окиси кремния. Однако такой нанокристалл не обладает устойчивой фотонной щелью, которая легко разрушается различного рода дефектами и несовершенством нанокристалла. Такой синтетический опал далее используется как матрица для получения по­лупроводникового материала путем его фильтрации в поры нанокрастал-лического опала. Удаление матрицы опала позволяет получать нанокристаллический обращенный опал, в котором кремний включает упорядоченную структуру пустот.

Было рассчитано, что если полупроводник обладает достаточно вы­соким коэффициентом отражения > 2,85, то такая структура будет иметь фотонную щель, что экспериментально было обнаружено для фотонного кристалла, сделанного из кремния.

В этой области большой интерес вызывает создание фотонных кри­сталлов, которые способны к интенсивному испусканию света, например на основе GaS, InS, GaP, или созданию упорядоченных полостей на осно­ве алмазной структуры, которая по расчетам может иметь еще большую фотонную щель и меньше зависеть от дефектов и разупорядоченности.