Д. С. ДОВЖЕНКО, Е. В. ОСИПОВ
Научные руководители – А. А. ЧИСТЯКОВ, д. ф.-м. н., профессор
– И. Л. МАРТЫНОВ, к. ф.-м. н., доцент
Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»
ИССЛЕДОВАНИЕ УСИЛЕНИЯ СПОНТАННОГО
ИЗЛУЧЕНИЯ ЛЮМИНОФОРОВ В ФОТОННЫХ
КРИСТАЛЛАХ КАК ЭФФЕКТИВНЫЙ СПОСОБ
УВЕЛИЧЕНИЯ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ СЕНСОРОВ
НА ИХ ОСНОВЕ
В работе экспериментально и теоретически исследовался эффект усиления спонтанного излучения люминофоров, внедренных в фотонные кристаллы на базе пористого кремния. В качестве люминофоров использовались полупроводниковые квантовые точки и полимеры класса polyphenylenevinylene (PPV). Были проведены расчеты оптических характеристик гибридных систем, представляющих собой люминофоры, внедренные в фотонные кристаллы методом конечных разностей во временной области (FDTD). Показано, что при внедрении люминофоров внутрь фотонного кристалла происходит усиление спонтанного излучения на резонансной длине волны фотонного кристалла. Результаты данной работы позволят значительно повысить чувствительность сенсоров на основе фотонных кристаллов из пористого кремния, а также упростить производство конечных сенсорных систем.
В настоящее время существует множество сенсорных систем для диагностики малых концентраций различных веществ: маркеров заболеваний в биологических жидкостях, взрывчатых и наркотических веществ в газовой фазе [1,2].
Одними из наиболее компактных и чувствительных являются сенсоры на основе фотонных кристаллов, обеспечивающие высокую чувствительность за счет наличия резонансных свойств и сильного влияния показателя преломления среды на их оптические свойства. При этом наиболее распространенными являются сенсоры, в которых отслеживается сдвиг резонансной полосы вследствие попадания частиц, имеющих отличный от среды показатель преломления внутрь структуры. Такой метод, однако, требует достаточно сложной и дорогостоящей аппаратуры для детектирования, что делает невозможным широкое использование сенсоров такого типа.
В данной работе исследуется новый тип сенсоров, основанных на внедрении в фотонные кристаллы люминофоров, максимум спектра люминесценции которых совпадает с резонансной длиной волны фотонного кристалла. В этом случае детектируемой величиной становится интенсивность излучения в узком диапазоне частот, вследствие чего значительно упрощается система детекции для конечного сенсора.
В рамках данной работы на базе пористого кремния были изготовлены методом электрохимического травления фотонные кристаллы, в частности, микрорезонаторы, представляющие собой два брэгговских зеркала, содержащих резонансный слой между ними. В качестве подложки использовались монокристаллические пластины высоколегированного кремния p-типа.
После изготовления микрорезонаторы подвергались окислению для стабилизации оптических свойств. После чего в них внедрялись люминофоры (квантовые точки и полимеры) в жидкой фазе. В нашей работе исследованы фундаментальные оптические характеристики подобных систем.
Экспериментально и теоретически исследованы спектры, кинетика и пространственное распределение люминесценции. Показано усиление люминесценции люминофоров на резонансной длине волны вследствие эффекта Парселла. Показано влияние глубины внедрения на оптические свойства сенсорного элемента и как следствие чувствительность сенсоров.
Список литературы
1. Martynov I. L. et al. Ion mobility spectrometer with ion source based on laser-irradiated porous silicon // Tech. Phys. Lett. 2011. Vol. 37, № 1. P. 15–18.
2. Threm, D. et al. Photonic crystal biosensors towards on-chip integration. // J. Biophot. 2012. Vol. 5, P. 601–616.
