Фотонные нанокристаллы и пористый кремний

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 ограничением [181]. 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 правила 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, сравни-мыми с длиной волны фотонов. Для видимого диапазона света это сотни нано-метров. Благодаря этому, для таких наноструктур наблюдаются дифракцион-ные процессы и выполняются условия Брэгга, подобно рассеянию рентгенов-ских лучей на атомной кристаллической решетке. Это приводит к возникно-вению 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 размера произвольно организовываться в гранецентрированную решетку. 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 нанокрасталлического опала (рис. 13). Удаление матрицы опала позволяет получать нанокристалли-ческий обращенный опал, в котором кремний включает упорядоченную структуру пустот [182].

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 [183].

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.