Aggregation of dielectric nanoparticles on the X-cut of LiNbO₃:Сu crystal by the electric fields of photorefr.pdf Введение В настоящее время проявляется значительный интерес к генерируемым в приповерхностных областях кристаллов ниобата лития за счет фотогальванического эффекта пространственно-неоднородным электрическим полям, связанный с задачей создания оптически управляемых манипуляторов микро- и наночастицами (оптических пинцетов) [1-4]. В работах [1-4] для структурирования ансамблей микро- и наночастиц были использованы поля объемных фоторефрактивных голограмм, формируемых в кристаллах LiNbO3:Fe. В качестве преимущества пинцетов фотогальванического типа перед традиционными оптическими манипуляторами авторы [2], рассмотревшие захват микрочастиц CaCO3 с размерами 1-10 мкм полем голограммы с периодом Λ = 30 мкм на поверхности кристаллов X-среза, указывают на большие силы, действующие на микро- и наночастицы. В [4] показано, что ключевую роль в обеспечении высокой степени агрегации микро- и наночастиц играет контраст m интерференционной картины, используемой для фотогальванического формирования поверхностного потенциального рельефа. Наилучшие результаты для изотропных частиц и легированного ионами железа ниобата лития X-среза достигались здесь при m = 0.9. Как известно [5, 6], большие значения фотовольтаических полей (50-100 кВ/см) наблюдаются и при легировании кристаллов LiNbO3 ионами Cu. Для этого может использоваться технология высокотемпературной диффузии, позволяющая получить образцы LiNbO3:Cu с толщиной до 1 мм и с общей концентрацией меди от 5.3·1024 до 1.45 ·1026 м-3 [6]. В данной работе представлены результаты исследований фотогальванического агрегирования диэлектрических наночастиц на поверхности кристалла LiNbO3:Cu X-среза, полученного методом высокотемпературной диффузии из металлической пленки меди. Описание метода и эксперимент Для диффузионного легирования использовалась пластина из конгруэнтного ниобата лития Х-среза с размерами 1×5×13 мм по осям X, Y и Z соответственно, с оптически полированными поверхностями YZ и XY. Процесс диффузии меди в LiNbO3 включал нанесение пленки Сu с толщиной 400 нм на поверхность YZ термическим испарением в вакууме. Затем проводился на- грев образца, помещаемого в алундовую ампулу, в воздушной атмосфере до температуры = 1000 °С в трубчатой электропечи со скоростью около 12 К/мин, отжиг при данной температуре в течение 9 ч и последующее естественное охлаждение. Полученный образец LiNbO3:Сu имел светло-коричневую окраску, степень которой уменьшалась с расстоянием x от поверхности, подвергавшейся диффузионной обработке. Зависимость показателя поглощения кристалла на длине волны 532 нм измерялась при пропускании сфокусированного сферической линзой лазерного пучка вдоль оси Z через полированные грани XY кристалла. Этот пучок имел совмещенную с центром образца перетяжку с диаметром мкм и конфокальный параметр мм. Результаты экспериментального измерения зависимости , полученные при перемещении кристалла относительно зондирующего пучка вдоль оси x с помощью столика с микрометрическим винтом, представлены кружками на рис. 1. Рис. 1. Распределение показателя оптического поглощения на длине волны 532 нм по глубине x в слое LiNbO3:Cu, сформированном диффузией меди в пластину X-среза ниобата лития. Точки - эксперимент, сплошная кривая - аппроксимация функцией Гаусса с полушириной мкм и максимальным значением м-1 Полученная зависимость показателя поглощения от глубины x удовлетворительно аппроксимировалась функцией Гаусса (сплошная кривая на рис. 1) с максимальным значением и полушириной мкм. Таким образом, распределение ионов меди в полученном образце соответствует известной модели твердотельной диффузии из мгновенного поверхностного источника [7], в рамках которой её глубина связана с коэффициентом диффузии и продолжительностью процесса соотношением . (1) Оценка коэффициента диффузии в рассматриваемом случае дает значение мкм2/с, близкое к мкм2/с, полученное авторами [8] для Y-среза LiNbO3 при такой же температуре 1000 °С. Для формирования фоторефрактивной голограммы в полученном поверхностным легированием образце LiNbO3:Сu лазерным излучением с длиной волны = 532 нм и контроля её дифракционной эффективности более длинноволновым считывающим пучком ( = 655 нм) использовалась экспериментальная методика, подробно описанная в работе [9]. Данный выбор и обусловлен высокой фоторефрактивной чувствительностью кристалла LiNbO3:Сu в зеленой области спектра, значительно превосходящей таковую для излучения с длиной волны 655 нм. Записывающие пучки с апертурой = 2 мм, соответствующие обыкновенным волнам, распространялись в плоскости XZ кристалла симметрично относительно оси X, создавая интерференционную картину с пространственным периодом Λ = 45 мкм и контрастом , при суммарной интенсивности Вт/см2. Считывающий пучок полупроводникового лазера, соответствующий обыкновенной волне в образце LiNbO3:Сu, имел апертуру 1.6 мм, мощность 6 мВт и распространялся через центральную область записываемой динамической голограммы в плоскости XZ под углом Брэгга для излучения с = 655 нм. Временные зависимости мощности прошедшего через образец считывающего пучка и дифрагированного пучка фиксировались с помощью фотодиодов ФД-24К и цифровой системы обработки данных, позволяя определить кинетику роста дифракционной эффективности как . (2) Типичная экспериментальная зависимость дифракционной эффективности формируемой фоторефрактивной голограммы представлена на рис. 2. Рис. 2. Экспериментальная временная зависимость эффективности дифракции считывающего излучения с длиной волны 655 нм на фоторефрактивной голограмме с периодом Λ = 45 мкм, формируемой в образце X-среза LiNbO3:Cu с поверхностным легированием лазерными пучками с длиной волны 532 нм и суммарной интенсивностью 1.1 Вт/см², при контрасте интерференционной картины Она характеризуется немонотонным поведением, связанным с неоднородным распределением по толщине кристалла ионов Cu (см. формулу (1)), обеспечивающих фотогальванический механизм перераспределения зарядов, и достигает максимума при временах записи голограммы от 900 до 1200 с. Для приближенной оценки максимально достигаемой напряженности поля пространственного заряда голограммы воспользуемся соотношением для амплитуды её первой пространственной гармоники , следующим из рассмотрения, проведенного, например, в [9]: , (3) где - угол Брэгга для считывающего пучка внутри образца; и - обыкновенный пока- затель преломления кристалла и его эффективная электрооптическая постоянная на длине вол- ны 655 нм; - эффективная длина взаимодействия, которая должна учитывать неоднородность распределения рассматриваемой амплитуды вдоль оси x. Полагая эту эффективную длину примерно равной глубине диффузии, , и используя материальные параметры ниобата лития, приведенные в [9], находим, что в исследуемом образце LiNbO3:Сu максимальная амплитуда поля пространственного заряда может быть оценена как кВ/см. Для демонстрации захвата микрообъектов с использованием электрического поля, создаваемого фоторефрактивной голограммой на поверхности x = 0 образца LiNbO3:Сu, исследовалась временная зависимость картин осаждения на неё диэлектрических частиц нанопорошка на основе оксида алюминия и оксида церия в композиции 90 % Al2O3+10 % CeO2. Частицы имели диаметр 40-80 нм и форму, близкую к сферической. Они распылялись на воздухе на образец с голограммой, записанной в течение некоторого промежутка времени , расположенный горизонтально. Перед каждым экспериментом по осаждению наночастиц исследуемый образец подвергался отжигу при температуре ~ 150 С для стирания записанных в нём ранее фоторефрактивных голограмм. Типичные картины распределения частиц по поверхности кристалла LiNbO3:Сu, регистрируемые фотокамерой, совмещенной с оптическим микроскопом, представлены на рис. 3. Рис. 3. Микрофотографии распределений наночастиц порошка с композицией 90 % Al2O3+10 % CеO2 и диаметром 40-80 нм по поверхности X-среза образца LiNbO3:Cu, подвергнутого предварительной засветке интерференционной картиной с пространственным периодом Λ = 45 мкм, контрастом и средней интенсивностью 1.1 Вт/см², с продолжительностью = 30 (a), 120 (б), 300 (в) и 1800 с (г) Как видно из рис. 3, a, агрегация наночастиц периодическим распределением электрического поля фоторефрактивной голограммы начинает проявляться уже при времени записи = 30 с. С увеличением степень агрегации частиц увеличивается (рис. 3, б для = 120 с), достигая максимума при = 300 с (рис. 3, в). Однако дальнейшее увеличение времени записи приводит к размытию в наблюдаемых распределениях наночастиц по поверхности образца, уменьшению общего числа захватываемых частиц и даже к отсутствию агрегации на её отдельных участках (рис. 3, г). Это может быть связано с немонотонным характером формирования поля пространственного заряда фоторефрактивной голограммы (см. рис. 2) при контрасте , различающимся также по временным характеристикам для поверхностного слоя с и для глубинных областей, с меньшим уровнем легирования ионами Cu. В кристалле с однородными фотовольтаическими и фотопроводящими свойствами и слабым оптическим поглощением немонотонность временной зависимости амплитуды первой пространственной гармоники поля пространственного заряда для такой голограммы определяется произведением , в которое входит модифицированная функция Бесселя первого порядка, а время релаксации τ, обратно пропорциональное суммарной интенсивности записывающих световых пучков J0, имеет фиксированное значение [10, 11]. В пределах слоя с диффузионным легированием J0 изменяется с глубиной x вследствие сильного оптического поглощения и его изменений (см. рис. 1), вызывая вариации τ(x). Оценки показывают, что в исследуемом образце LiNbO3:Сu эти изменения не превосходят 20 % и не должны приводить к значительному временному сдвигу максимума зависимости амплитуды на границе x = 0 относительно таковой для дифракционной эффективности . Однако нормальная и тангенциальная компоненты диэлектрофоретической силы, приводящей к агрегированию диэлектрических частиц в неоднородном электрическом поле фоторефрактивной голограммы на поверхности кристаллов ниобата лития X- и Y-срезов [2, 4], определяются не только первой, но и другими пространственными гармониками. Динамика амплитуд этих гармоник ( ) при имеет сложный характер [11] и для образцов LiNbO3:Сu X- и Y-срезов с диффузионным легированием требует дополнительного изучения. Измерения показали, что периодичность распределения наночастиц в структурированном ансамбле соответствует задаваемому интерференционной картиной значению Λ = 45 мкм, то есть определяется первой пространственной гармоникой электрического поля формируемой фоторефрактивной голограммы. Выводы Таким образом, проведенные эксперименты показали, что при диффузионном легировании медью подложки Х-среза конгруэнтного ниобата лития из металлических пленок с толщиной 400 нм, сформированных термовакуумным напылением, возможна реализация управляемого световым излучением структурирования ансамблей из диэлектрических наночастиц. Для частиц композиционного порошка 90 % Al2O3 + 10 % CeO2 с диаметром 40-80 нм при воздействии записывающих фоторефрактивную голограмму пучков с суммарной интенсивностью 1.1 Вт/см² минимально необходимое время облучения для их захвата и агрегирования составляет 30 с. Авторы признательны профессору М.М. Михайлову за предоставленные диэлектрические нанопорошки.

Скачать электронную версию публикации