Разработка методов создания и исследование фундаментальных и функциональных физических свойств новых микроструктурированных материалов с фотонной запрещенной зоной

1. Разработана методика синтеза наносфер диоксида кремния по модифицированному методу Штобера. Установлено, что дисперсия размеров кварцевых наносфер, синтезированных таким методом, не превышает 5%. Определена зависимость размера наносфер диоксида кремния от концентрации аммиака при постоянных значениях концентраций воды, тетраэтоксисилана и этилового спирта. Синтезированы золи наночастиц золота со средним размером 15 ± 2 нм. Показано наличие плазмонных резонансов, проявляющихся как резонансное увеличение поглощения в окрестности 540 нм в спектрах пропускания золей.
2. Исследована зависимость зарядовых свойств поверхности наносфер диоксида кремния, плазмон-активных золотых наночастиц и магнитых наночастиц оксида железа от типа и количества осаждаемого на них полиэлектролита. Определены концентрации полиэлектролитов, обеспечивающих разные знаки поверхностных зарядов наносфер диоксида кремния и функциональных наночастиц. Отработана процедура осаждения плазмон-активных и магнитных наночастиц на частицы диоксида кремния. Отработана процедура создания дисперсий частиц диоксида кремния с долей площади покрытия функциональными наночастицами до 50%.
3. Разработана методика двулучевого оптического микропинцета для одновременного оптического захвата и управления двумя наночастицами. Разработана методика управления расстоянием между оптическими ловушками. Проведено исследование зависимости эффективной жесткости оптических ловушек при разных положениях одной ловушки относительно другой. Измеренные значения жесткости составили от 0.1 до 5 фН/нм. Разработана программа для статистической обработки данных, получаемых в измерениях положения частиц в оптических ловушках, с использованием которой изучена взаимная корреляция движения двух микрочастиц диоксида кремния диаметром 3 мкм, расположенных в воде на расстоянии 10 мкм друг от друга. Определен коэффициент взаимной корреляции движения частиц по оси, лежащей на линии соединяющей эти частицы, который составил 0,004.
4. Проведен численный расчет спектров отражения и пропускания трехмерных фотонных кристаллов при различных направлениях распространения электромагнитного излучения методом формализма матриц распространения. Определены оптимальные параметры фотонных кристаллов, обеспечивающие заданные характеристики фотонной запрещенной зоны.
5. Проведен численный расчет параметров оптической ловушки в зависимости от мощности захватывающего лазерного луча и численной апертуры рабочего объектива методом разложения пространственного распределения рассеянного электромагнитного поля по собственным функциям рассеивающей (захваченной) частицы.

1. Разработана методика изготовления трехмерных фотонных кристаллов на основе упорядочения диэлектрических наночастиц диоксида кремния с функциональным нанопокрытием в трехмерную плотную решетку. Отработана процедура обработки поверхности подложки, позволяющая осаждать тонкие пленки трехмерных фотонных кристаллов с контролем количества слоев. Показано наличие фотонной запрещенной зоны в спектрах пропускания образцов трехмерных фотонных кристаллов, а также наличие плазмонных резонансов, свидетельствующих о степени функционализации частиц диоксида кремния.
2. Созданы экспериментальные образцы суспензий наночастиц диоксида кремния с функциональным нанопокрытием. Дисперсия размеров частиц диоксида кремния в созданных суспензиях составила менее 5%, а площадь покрытия функциональными наночастицами контролируемо изменялась от 1% до 50 % общей площади наночастиц диоксида кремния. Проведена характеризация образцов суспензий функциональных наночастиц методами сканирующей электронной микроскопии и динамического светорассеяния.
3. Созданы экспериментальные образцы одномерных фотонных кристаллов, оптимизированных для возбуждения поверхностных электромагнитных волн в схеме Кречманна. Проведен численный расчет эффективности возбуждения поверхностных электромагнитных волн в одномерных фотонных кристаллах, который показал, что наиболее эффективно поверхностная волна будет возбуждаться в фотонном кристалле, состоящим из 22 слоев. Исследованы спектральные зависимости коэффициента отражения созданных образцов одномерных фотонных кристаллов в призменной схеме Кречманна. Обнаружено резонансное уменьшение коэффициента отражения в области возбуждения поверхностных волн до 0,75.
4. Созданы экспериментальные образцы трехмерных фотонных кристаллов, изготовленных на основе упорядочения диэлектрических наночастиц диоксида кремния методом вертикального осаждения. Число ростовых слоев в образцах фотонных кристаллов составило 20, а характерный размер домена идеального упорядочения составил не менее 40 мкм. В спектрах коэффициента пропускания созданных образцов трехмерных фотонных кристаллов обнаружена фотонная запрещенная зона. Значение коэффициента пропускания в центре запрещенной зоны не превышает 2%.

Разработана методика возбуждения и регистрации поверхностных электромагнитных волн в фотонных кристаллах. Проведены исследования явлений нанооптики взаимодействующих наночастиц в двойном оптическом пинцете. Изготовлен лабораторный макет прибора двухлучевого оптического пинцета для захвата и диагностики двух наночастиц с субмикронным контролем расстояния между ними.

Создание лабораторного макета лазерного микропинцета на основе поверхностных электромагнитных волн в фотонных кристаллах; разработка программы внедрения результатов НИР в образовательный процесс