Оптические и сенсорные свойства фотонных кристаллов

Актуальность
В области оптики и фотоники фотонные кристаллы хорошо известны своими многочисленными необычными оптическими свойствами и широким спектром их практических применений. Фотонные кристаллы представляют собой периодические структуры с одним или несколькими ортогональными пространственными изменениями диэлектрической проницаемости (или показателя преломления). Фотонные кристаллы обладают запрещенные зоны для фотонов аналогичные электронным запрещенным зонам в обычных атомных кристаллах. Поэтому обладание запрета на распространие электромагнитных волн в фотонных кристаллах приводит к таким необычным явлениям, как направление, локализация, дисперсионное распространение и ограничение фотонов. В последние годы фотонные кристаллы имеют много практических приложений, например, в качестве сенсоров, диэлектрических отражателей для антенн, эффективных фотовольтаических ячеек, белых светоизлучающих диодов, преобразователей мод и поляризации излучения, трехмерных волноводов, трехмерных фотонных интегральных схем, беспороговых миниатюрных лазеров и устройств, управляющих квантовыми шумами в системах обработки оптической информации.
Проблема
Для проведения систематических исследований необходимы синтез фотонных кристаллов или композитов фотонных кристаллов – металлические наночастицы на их основе с контролируемыми свойствами, последующий их комплексный анализ, выявление эффектов, связанных с усилением взаимодействия света с веществом, а также миниатюризация рабочих элементов путем микроструктурирования ФК пленок. Решение данных вопросов для целей детектирования различных аналитов, в том числе при их низкой концентрации в растворе, является актуальной проблемой.
Цель
1.Синтез инвертированных опалов монодисперсных сферических частиц на основе SiO2 с контролируемым диаметром и получение фотонных кристаллов опалового типа на их основе. 2.Синтез одномерных фотонных кристаллов на основе анодного оксида алюминия. Применение их в качестве рефрактометрических сенсоров. 3.Получение инвертированных опалов на основе полимеров (ETPTA, PEGDA) с разным спектральным положением фотонной стоп-зоны. Изучение возможностей их применения в качестве сенсоров состава жидкостей и рамановских сенсоров для детектирования аналитов с низкой концентрацией. 4.Установление зависимости интенсивности сигнала КР от спектрального положения фотонной стоп-зоны.
Задачи
1. Экспериментальное изучение спектров отражения/пропускания и комбинационного рассеяния света полученных фотонных кристаллов. 2. Теоретическое изучение фотонных запрещенных зон с использованием програмных обеспечений COMSOL Multiphysics, Matlab, MEEP MIT Python.
Результат
1. Возможность использования полученных фотонно-кристаллических материалов (в частности, инвертированных пленок из ETPTA) в качестве сенсоров состава жидкостей. 2. Установление, что пленки со структурой инвертированного опала могут применяться для многократного усиления КР света на молекулах аналита. 3. Получение фотонно-кристаллические композиты типа ФК-металлические наночастицы, которые могут выполнять роль подложек для ГКР с хорошей конкурентной способностью по совокупности параметров. 4. Предложение подходы к миниатюризации пленок ФК и показана принципиальная возможность использования микроструктурированных пленок в качестве сенсоров состава жидкостей.
Партнёры проекта
Московский политехнический университет
***