Алмазные фотонные кристаллы: плазмохимический синтез, структура, оптические свойства

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 21-12-00403

НазваниеАлмазные фотонные кристаллы: плазмохимический синтез, структура, оптические свойства

Руководитель Ральченко Виктор Григорьевич, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Федеральный исследовательский центр "Институт общей физики им. А.М. Прохорова Российской академии наук" , г Москва

Конкурс №55 - Конкурс 2021 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе; 02-204 - Нано- и микроструктуры

Ключевые слова фотонный кристалл, алмаз, монокристалл, химическое осаждение из газовой фазы, СВЧ плазма, темплатный синтез, опаловые структуры, оптические свойства, центры окраски, фотолюминесценция, Рамановская спектроскопия,

Код ГРНТИ29.19.16

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект нацелен на исследование и разработку метода синтеза фотонных кристаллов с высоким диэлектрическим контрастом на основе упорядоченных 3-х мерных алмазных опалоподобных структур (АОС), и исследование их оптических свойств. Фотонные кристаллы (ФК) - среды, у которых диэлектрическая проницаемость периодически меняется в пространстве с периодом, допускающим брэгговскую дифракцию света, являются важным элементом устройства для управления потоками света, в том числе для квантовых оптических технологий. ФК, синтетические структуры, которые могут быть сконструированы из различных веществ, но особо ценными являются материалы с высоким показателем преломления и широким окном прозрачности, к каковым относится и алмаз. В проекте планируется впервые создать ФК из монокристального алмаза методом осаждения из газовой фазы. Развиваемый подход основан на проращивании эпитаксиальным алмазом пористых опаловых темплатов из упорядоченных сфер SiO2, диаметром 250-1200 нм, наносимых на монокристальную подложку алмаза. Алмазные опаловые структуры (АОС) будут обладать повышенной оптической прозрачностью, прочностью и теплопроводностью благодаря монокристаллической природе алмаза, в отличие от реализованных ранее способов создания нанокристаллических (принципиально дефектных) алмазных ФК. Будут проведены исследования структуры композитов алмаз-опал и инвертированных алмазных опалов с помощью электронной микроскопии, спектроскопии комбинационного рассеяния света и фотолюминесценции, рентгеновской дифракции, и другими методами. Систематические измерения и анализ спектров оптического пропускания и отражения от АОС будут сопоставлены с результатами численного моделирования оптических свойств методом матрицы рассеяния. Одним из аспектов работы будет создание центров окраски (примесных дефектов в алмазе, оптически активных в видимой области спектра), в составе ФК. Центры окраски кремний-вакансия SiV (длина волны 738 нм), азот-вакансия NV (575 и 637 нм) и германий-вакансия GeV (602 нм), будут сформированы в объеме ФК в процессе синтеза алмаза путем легирования соответствующим элементом. Эти центры окраски рассматриваются в качестве вариантов однофотонных эмиттеров для квантовых информационных технологий. Будут рассмотрены особенности фотолюминесценции дефектов образцах алмазных ФК. Будет впервые исследована лазерная стойкость АОС и оценены перспективы применимости алмазных ФК в оптике высоких интенсивностей.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. В.Ю. Юров, А.П. Большаков, И.А. Фёдорова, А.Ф. Попович, К.Н. Зяблюк, А.С. Алтахов, Д.Н. Совык, П.А. Пивоваров, П.В. Волков, В.Г. Ральченко Control of silicon dioxide etching rate in hydrogen microwave plasma by addition of oxygen Applied Surface Science, Vol. 612, article #155834 (год публикации - 2023)
10.1016/j.apsusc.2022.155834

2. В.Ю. Юров, А.П. Большаков, А.С. Алтахов, И.А. Федорова, Е.В. Заведеев, А.Ф. Попович, В.Г. Ральченко Hydrogen microwave plasma etching of silicon dioxide at high temperatures with in situ low-coherence interferometry control Vacuum, Vol. 199, article No. 110939 (год публикации - 2022)
10.1016/j.vacuum.2022.110939

3. Д. Совык, В. Ральченко, К. Одинцов, В. Юров, С. Дьяков, В. Масалов, А. Хомич, А. Большаков Opal-like photonic structures made of single crystal diamond Book of Abstracts of the 6th International Conference on the Physics of Optical Materials and Devices "ICOM 2022", August 29th – September 2nd 2022, Belgrade, Serbia, 147 p., O - 28., Issue 6, article No. O-28 (год публикации - 2022)

4. В. Юров, В. Ральченко, Д. Совык, А. Алтахов, А. Большаков, И. Федорова, Е. Заведеев, А. Popovich Etching kinetics of quartz in a microwave hydrogen plasma Proceedings of the X-th International Conference “Plasma Physics and Plasma Technology” ("PPPT-10"), September 12–16 2022, Minsk, Belarus, Issue 10, p. 10 (год публикации - 2022)

5. Совык Д.Н., Одинцов К.А., Юров В.Ю., Масалов В.М., Хомич А.А., Дьяков С.А., Ральченко В.Г. Изготовление алмазных фотонных кристаллов видимого диапазона на основе опаловых темплатов Сборник тезисов докладов Четырнадцатой Международной конференции «Углерод: фундаментальные проблемы науки, материаловедение, технология», 7 – 9 июня 2022 г. Троицк, г. Москва, Том 14, С. 159-160 (год публикации - 2022)

Публикации

1. Совык Д.Н., Одинцов К.А., Большаков А.П., Дьяков С.А., Савин С.С., Федорова И.А., Юров В.Ю., Масалов В.М., Ральченко В.Г., Конов В.И. Синтез композитов алмаз-SiO2 со свойствами фотонных кристаллов видимого диапазона Доклады Российской академии наук. Физика, технические науки, Т. 512, №1, С. 36-39 (год публикации - 2023)
10.31857/S2686740023050127

2. В. Юров, А. Большаков, В. Ральченко, И. Федорова, А. Мартьянов, П. Пивоваров, В. Артемов, А. Хомич, Р. Хмельницкий, К. Болдырев In situ doping of epitaxial diamond with germanium by microwave plasma CVD in GeH4-CH4-H2 mixtures with optical emission spectroscopy monitoring Physical Chemistry Chemical Physics, Vol. 25, P. 26623-26631 (год публикации - 2023)
10.1039/D3CP03967F

3. Крылов Ю.М., Дьяков С.А., Савин С.С., Федорова И.А., Пашинин И.В. Влияние акустического воздействия при синтезе фотонных кристаллов опал-на-алмазе на структуру и оптические свойства. VI Школа-конференция молодых учёных «Прохоровские недели», ИОФ РАН, Москва, 24.10.2023-26.10.2023, Тезисы докладов, т.6, с.84-86 (год публикации - 2023)

4. В.М. Масалов, Н.С. Сухинина, Д.Н. Совык, В.Г. Ральченко, Г.А. Емельченко Кинетические закономерности синтеза наночастиц диоксида кремния при гетерогенном гидролизе тетраэтоксисилана с использованием L-аргинина в качестве катализатора Коллоидный журнал, №2 (год публикации - 2024)

5. Д.Н. Совык, Ю.М. Крылов, В.Ю. Юров, И.А. Фёдорова, А.П. Большаков, В.Г. Ральченко Травление диоксида кремния водородной плазмой в присутствии кислорода: термодинамические расчёты Сборник научных трудов IX Международной конференции «Лазерные, плазменные исследования и технологии» ЛаПлаз-2023, 28-31 марта 2023 года, НИЯУ МИФИ, Москва, Том 1, С. 178 (год публикации - 2023)

6. Федорова И.А., Юров В.Ю., Большаков А.П., Мартьянов А.К., Ральченко В.Г. Оптическая эмиссионная спектроскопия микроволновой плазмы в смесях H2-CH4-GeH4 в процессе легирования алмаза германием для создания центров окраски GeV Материалы XIX Международной молодёжной конференции по люминесценции и лазерной физике "ЛЛФ-2023", Иркутский государственный университет, Иркутск, 03–07 июля 2023 года, Том 19, С. 206 (год публикации - 2023)

7. Совык Д.Н., Крылов Ю.М., Федорова И.А., Юров В.Ю., Рыжков С.Г., Савин С.С., Масалов В.М., Ральченко В.Г. Осаждение упорядоченных опаловых слоёв наносфер SiO2 на алмазные подложки из суспензий в условиях акустического воздействия: влияние на размер доменов и образование дефектов Всероссийская конференция «Поверхностные явления в дисперсных системах». 2-6 октября 2023 года, ИФХЭ РАН, Москва. — Тезисы докладов., т.1, С. 35. (год публикации - 2023)

8. Совык Д.Н., Одинцов К.А., Большаков А.П., Федорова И.А., Дьяков С.А., Савин С.С., Масалов В.М., Таперо М.K., Юров В.Ю., Кудрявцев О.С., Ральченко В.Г. Synthesis, structure and optical properties of a photonic crystal made of an opal-diamond composite material Pulsed Lasers and Laser Applications. Materials of the 16th International Conference AMPL-2023. September 10-15, 2023, Tomsk, Russia, Vol. 16, P. 230-231 (год публикации - 2023)

9. Д. Совык, В. Ральченко, Д. Курдюков, С. Грудинкин, В. Голубев, С. Савин, В. Митюхляев, В. Казаков, С. Дьяков, С. Тиходеев Three-dimensional opal-like photonic crystals made of diamond shells by chemical vapor deposition Optical Materials, Vol. 147, article No. 114702 (год публикации - 2024)
10.1016/j.optmat.2023.114702