Царящая в настоящее время в вычислительной и телекоммуникационной технике «кремниевая технология», основанная на литографическом способе экспонирования шаблонов, практически подходит к пределу своих возможностей. Продвижение вперёд возможно, благодаря совмещению существующих технологий с новыми материалами и структурами, упорядоченными в нанометровом размерном диапазоне. Одним из таких перспективных материалов является синтетический опал, по своим свойствам относящийся к фотонным кристаллам.

Матрица синтетического опала состоит из сфер диоксида кремния – их называют глобулами – от сотен нанометров до микрона в диаметре с периодически расположенными пустотами между ними. Одним из фундаментальных её свойств является существование в ней фотонной запрещённой зоны (ФЗЗ). Говоря просто, термин «фотонная запрещённая зона» означает запрет на поглощение узкой полосы частот: поверхность кристалла поглощает все излучения, кроме тех, которые имеют длину волны, сравнимую с периодом решётки. А те частоты, которые находятся в пределах полосы, отражаются от первых двух слоёв глобул, и мы можем их увидеть.

Изображение, полученное с помощью
атомно-силового микроскопа (АСМ)

Но – не со всех направлений. Часть «подходящего» излучения отражается уже от первого слоя глобул, другая часть проходит глубже и отражается от второго слоя. В соответствии с законами оптики два этих отражённых луча интерферируют, и в результате в небольшом пространственном секторе наблюдается интенсивное свечение, а вне его – почти полное отсутствие света.

Вспомните крыло бабочки: посмотрев на него в некотором ракурсе, увидим переливающийся цвет; стоит немного отклониться – и видно уже только тёмное пятно. Так же и с опалом: переливающийся блеск, к примеру, зелёный (именно эти частоты ФЗЗ «отказывается поглощать»), можно увидеть лишь под определённым углом, в противном случае его не будет. Наличие ФЗЗ – это свойство, которое делает синтетический опал перспективным материалом для широкого диапазона технических приложений.

Другим важнейшим фактором является то, что опаловая матрица (ОМ) представляет собой строгоупорядоченную плотноупакованную наноструктуру, формирование которой происходит за счёт самоорганизации глобул SiO₂. Это даёт возможность изготавливать наносистемы с периодической структурой размером более 100 ячеек, которые не могут быть получены с использованием привычных технологий. И, что не менее важно, существенно упрощает технологию изготовления приборов, элементы которых реализуются на основе данного материала.

АСМ-изображение опала, полученного методом седиментации. Толщина образца 50 мкм

Матрицы синтетического опала могут найти применение при создании газочувствительных сенсоров, автоэмиссионных катодов для электронно-лучевых устройств и многих других видов устройств и компонентов.

Но ОМ интересны не только «в чистом виде». На их основе можно изготавливать нанокомпозиты, обладающие уникальными оптическими, магнитными и электрическими свойствами, которые станут основой новых технологий изготовления элементов магнитной памяти, электронных и оптических систем. В этой статье мы остановимся на двух областях возможного использования таких композитов – интегрально-оптических волноводах и СВЧ-фильтрах.

Интегрально-оптические волноводы служат для передачи светового сигнала от одного функционального узла к другому и его преобразования. Задача фильтров, работающих в системах связи и телекоммуникации – обеспечение прохождения сигнала в заданной полосе частот и формирование выходного спектра. Для устройств этих классов на базе ОМ создаётся специальный нанокомпозитный материал – магнитные нанорешётки (МНР), для чего в межглобулярные пустоты внедряется ферромагнитные частицы. Обычно изготовление МНР осуществляется в два этапа: получение строгоупорядоченной матрицы и внедрение ферромагнетика в её поры.

Рассеяние луча в волноводе уменьшается за счёт отражения от фотоннокристаллической оболочки. Сверху: макет оптического волновода традиционной конструкции. Снизу: аналогичный макет с нанесённой плёнкой синтетического опала. Хорошо видно, как уменьшилось рассеяние волны на выходе

Матрица формируется в основном методом седиментации: глобулы диоксида кремния под действием собственной силы тяжести самоорганизуются в плотно упакованную структуру. Детальная проверка результата этого этапа проводится при помощи атомно-силового микроскопа и акустооптического спектрофотометра; но есть и способ «экспресс-анализа»: при правильной кубической упаковке глобул простым глазом можно наблюдать иризацию – разноцветный блеск на поверхности образца.

Второй этап – внедрение магнитного материала в поры матрицы – осуществляется методами пропитки, гальваники, под давлением и некоторыми другими. Нам в данном случае интересен процесс пропитки. Один его цикл представляет собой выдержку опаловой матрицы в прекурсоре – растворе солей ферромагнитных металлов – в течение нескольких часов; за это время поры матрицы заполняются ферромагнетиком. Далее следует термообработка, в результате которой происходит термическое разложение прекурсора до оксида или смеси оксидов, которые, собственно, и являются материалами внедрения. Таким образом в межглобулярных пустотах формируются зёрна из магнитного материала. Заполнение пустот приводит к смещению ФЗЗ в сторону ИК-области спектра – матрица становится «рабочей» на другой длине волны. То, что пустоты заполнены именно магнитным материалом, позволяет при эксплуатации управлять коэффициентом отражения, меняя величину и/или направление внешнего электромагнитного поля. Говоря коротко, ширина ФЗЗ задаётся в процессе получения матрицы (формирование глобул, седиментация), нужного положения рабочего диапазона добиваются при заполнении пор (пропитка и термообработка), а коэффициент отражения устанавливается путём приложения электромагнитного поля в процессе эксплуатации МНР в составе устройства.

Цикл пропитки повторяется до достижения необходимого положения ФЗЗ. На выходе имеем магнитную нанорешётку, которую можно использовать, в частности, как материал для изготовления микроволноводов. Какую пользу даёт применение МНР в этом качестве? Оно открывает путь к созданию миниатюрных активных и пассивных устройств (оптических модуляторов, переключателей, ответвителей и др.) с параметрами, превосходящими их аналоги, построенные на стандартных технологиях тонких плёнок и элементах объёмной оптики.

Конструкция интегрально-оптического волновода может быть следующей: волноводная сердцевина из Si₃N₄ и фотоннокристаллическая оболочка из SiO₂ на проводящей подложке. Что получается? В такой структуре работает традиционный механизм каналирования луча, связанный с разностью показателей преломления сердцевины и оболочки. Но к нему добавляется свойство ОМ практически идеально отражать излучение в полосе, соответствующей частоте ФЗЗ. Волноводы используются в основном для работы с фиксированными параметрами сигнала; остаётся только подобрать характеристики МНР к этим параметрам – а мы уже знаем, как это делается, – и получим волновод с потерями, значительно меньшими, чем в традиционной конструкции.

Строение волновода

Ещё более интересные результаты достигаются при применении магнитных нанорешёток для создания новых типов сверхвысокочастотных (СВЧ) фильтров. Так можно решить одну из проблем, существующих в технике современных коммуникаций: переход от элементов с фиксированными рабочими параметрами к настраиваемым, а затем и дистанционно управляемым устройствам. Конкретно – МНР позволяют без сложных схемных решений, только за счёт материала, строить магнитоуправляемые СВЧ-системы.

Фильтр на основе синтетического опала представляет собой отрезок волновода, внутренние стенки которого покрыты плёнкой композита, представляющего собой МНР – матрицу синтетического опала, содержащую ферромагнитный материал. Необходимым образом «настроенная» МНР поглощает энергию побочных колебаний: волна, длина которой попадает в область ФЗЗ нанокомпозитной матрицы, будет отражаться от неё и проходить через фильтр – это и есть диапазон пропускания фильтра; а остальные волны – побочные колебания – будут поглощаться матрицей. Помимо точной настройки фильтра на рабочий диапазон, фотоннокристаллическая оболочка позволяет защищать проходящий сигнал от внешних помех, что ведёт к более стабильной работе прибора.

Получаем фильтр с фиксированным положением ФЗЗ, для которого электромагнитное поле является управляющим сигналом для установки требуемого коэффициента отражения. Настройка на полосу пропускания происходит во время пропитки. В перспективе можно будет менять рабочий диапазон в ходе эксплуатации фильтра. Но поэтапное получение магнитных нанорешёток продолжительно по времени и трудоёмко. Исследовательский проект, осуществляющийся в одной из лабораторий на кафедре «Электронные технологии в машиностроении» МГТУ им. Баумана, ставит целью отработку технологического процесса, объединяющего два этапа, описанные выше как формирование опаловой матрицы и её пропитка ферромагнитным материалом. Отправным пунктом стал один из методов седиментации, когда она проводится с применением электрофореза. Дело в том, что в растворе, из которого осаждается матрица, глобулы, хотя и незначительно, но разнятся по размеру. Подаваемое напряжение замедляет движение глобул более крупного диаметра, что позволяет получить слои с глобулами практически одинакового размера.

СВЧ-фильтр

Идея новой технологии в том, что седиментация проводится из смеси двух коллоидных растворов: диоксида кремния, как в «классике», и пропитывающего материала; в первых опытах им было серебро, далее перешли к никелю, обладающему ферромагнитными свойствами. Размер пор между глобулами SiO₂ составляет 5–10 нм, что практически равно диаметру серебряных или никелевых частиц, находящихся во взвешенном состоянии в растворе. Осаждение столь малых частиц возможно только с помощью поля, которое «притягивает» металл к подложке.

Так, по предположениям исследователей, должны располагаться частицы металла при совместном осаждении из смеси коллоидных растворов

Путём правильного подбора режимов подачи напряжения, а также отношения концентраций растворов, можно реализовать нужную схему: осаждение слоя глобул SiO₂, следом слой частиц никеля, далее снова слой глобул. После завершения процесса электрофореза в порах опаловой матрицы уже будет содержаться магнитный материал. Таким образом, за одну операцию получаем готовый к использованию нанокомпозит. Такой процесс позволяет повысить производительность, сэкономить время, а вдобавок – расширить область возможных вариаций параметров получаемых магнитных нанорешёток.

Ксения БЕСЕДИНА, студентка, МГТУ им. Баумана;

Екатерина БУЛЫГИНА, к.т.н., руководитель лаборатории, МГТУ им. Баумана