Международная группа физиков показала возможность программировать оптический отклик материала, созданного из частично упорядоченных одностенных углеродных нанотрубок. Ученые разработали теорию, которая позволяет предсказать оптические свойства таких упорядоченных систем. С ее помощью возможно контролируемым образом создавать пленки с заданной ориентацией для последующего использования в оптических элементах. Полученные результаты опубликованы в журнале Аdvanced Science.
На это исследование ученых Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ подтолкнул недавно открытый оптический эффект — эффект блуждающих оптических осей. Оптические оси — направления в анизотропном материале, вдоль которых свет распространяется без расщепления на два луча. Анизотропный материал — материал, свойства которого различны в разных направлениях. А эффект блуждающих оптических осей проявляется таким образом, что направление оптических осей материала меняется в зависимости от длины волны падающего излучения. Этот эффект открывает большие возможности для создания новых метаматериалов, оптический отклик которых может меняться заданным способом.
«Уникальной особенностью пленок из таких материалов является взаимная ориентация отдельных нанотрубок, которая влияет на многие свойства, в том числе оптические. Прогресс в синтезе позволил контролируемым образом располагать их друг относительно друга. Полученные в нашей работе теоретические расчёты позволяют предсказывать необходимое взаимное расположение углеродных нанотрубок для создания плёнок с заданными оптическими свойствами, что способствует последующему синтезу и созданию оптических элементов с запрограммированными оптическими свойствами», — рассказал Кирилл Воронин, аспирант кафедры физики и технологии наноструктур МФТИ.
Так как структура кристаллов строго фиксирована, то повлиять на их оптический отклик весьма затруднительно. В случае материалов, созданных из углеродных нанотрубок, их отклик будет зависеть от расположения самих нанотрубок. Как показано на Рисунке 1, чтобы получить изотропный оптический отклик — оптические свойства которого одинаковы во всех направлениях, — нанотрубки должны быть расположены хаотично. Чтобы получить анизотропный отклик — оптические свойства которого различны при разных направлениях, — нанотрубки необходимо упорядочить. Ученые рассчитали: чтобы получить анизотропный оптический отклик от материала из углеродных нанотрубок с главными оптическими осями, направление которых зависит от длины волны падающего излучения, необходимо расположить трубки частично упорядоченно (Рисунок 1 i).
Рисунок 1. Поверхности диэлектрических функций, определяющих оптические характеристики вещества, на двух различных выбранных длинах волн для: a) изотропных материалов, b) анизотропных материалов с фиксированным направлением оптических осей и c) анизотропных материалов с вращающимися оптическими осями. В природных кристаллах они обычно наблюдаются в d) кубических, e) орторомбических и f) триклинных классах симметрии кристаллических решеток соответственно. Между тем, в искусственно созданных сетях одностенных углеродных нанотрубок такой оптический отклик может быть воспроизведен в g) случайных, h) выровненных и i) частично выровненных конфигурациях. Источник: журнал Advanced Science.
«Контроль ориентации нанотрубок дал нам возможность адаптировать их оптические свойства для конкретных приложений, открывая возможности для достижений в различных областях, таких как фотоника, оптоэлектроника и нанотехнологии в целом», — пояснил Кирилл Воронин.
Углеродные нанотрубки являются идеальным кирпичиком для создания нового поколения наноматериалов с контролируемым или программируемым оптическим откликом. Сама по себе одна углеродная нанотрубка обладает гигантской анизотропией. Это значит, что ее оптические характеристики (например, показатель преломления) значительно различаются, если свет падает на нее параллельно и перпендикулярно. Кроме того, углеродные нанотрубки при контакте друг с другом влияют на оптические параметры друг друга, образуя связанную структуру.
Ученые показали, что учет полей соседних нанотрубок необходим для появления зависимости направления главных осей от длины волны. Чтобы проверить концепцию программируемых сетей углеродных нанотрубок, они подготовили одностенные углеродные нанотрубки со случайной ориентацией (Рисунок 1 g), выровненной (Рисунок 1 h) и частично выровненной (Рисунок 1 i) ориентацией нанотрубок. Сети углеродных нанотрубок формировались в результате осаждения на целлюлозные мембранные фильтры, неоднородность которых влияла на расположение нанотрубок. Из результатов эксперимента видно, что фильтры с высокой степенью ориентации волокон удобны для получения пленок с трубками заданной ориентации. И полученные таким образом пленки обладают эффектом блуждающей оси.
Метаматериалы и метаповерхности, оптический отклик которых возможно контролировать, служат строительными блоками для передовых технологий в области нанофотоники.
«Наконец, можно реализовать наши пленки с вращающимися оптическими осями для маркировки против подделок, используя положения оптических осей для идентификации, поскольку на сегодняшний день нет других вариантов управления оптическими осями. Например, можно сделать чип или этикетку, содержащую пленку из нанотрубок с вращающимися осями, которая будет крепиться на товар, который мы хотим защитить от подделывания. Тогда, измерив зависимость направления оси от длины волны, можно понять, маркировка официальная или поддельная. Подделать маркировку будет сложно, потому что для этого нужно знать конфигурацию фильтра, используемого при изготовлении пленки», — разъяснил Кирилл Воронин.
В работе принимали участие ученые из МФТИ, Сколтеха и Пекинского университета.
