Аннотация результатов, полученных в 2014 году
Разработаны жидкокристаллические смесевые материалы для допирования лазерными красителями. Эти материалы обладают широким спектральным диапазоном прозрачности, что позволяет использовать широкий ассортимент лазерных красителей для получения генерации на различных длинах волн в широком спектральном диапазоне. Изучены спектры люминесценции данных материалов как в фотонных холестерических структурах с геликоидальным распределением поля директора ЖК, так и в однородно ориентированных слоях в системах с микрорешетками, образуемыми встречно-штыревыми электродами. Детально исследована лазерная генерация света в гомеотропно ориентированном слое нематического жидкого кристалла, легированного красителем, в волноводном режиме. Слой жидкого кристалла помещался между кварцевой подложкой и стеклянной покровной пластиной, на поверхности которой была нанесена микрорешетка из системы встречно-штыревых электродов. Система электродов имела период 3.75 мкм и играла двоякую роль: (а) в электрическом поле создавала пространственную периодичность показателя преломления среды волновода и следовательно обеспечивала возникновение распределенной обратной связи и (б) служила в качестве дифракционной решетки для вывода части волноводного излучения в стеклянную подложку. Распределенная обратная связь, которая обеспечивала лазерную генерацию, реализовывалась на 18-м порядке дифракции для ТЕ мод волновода и на 19-м порядке – для ТМ мод. Интенсивность ТЕ излучения не продемонстрировала какой-либо регулярной зависимости от электрического напряжения на электродах. В случае ТМ поляризации удалось получить плавную перестройку длины волны генерации от напряженности электрического поля. Однако, при этом наблюдалось уширение спектра лазерного излучения, которое может быть связано с неоднородным распределением поля директора ЖК по толщине слоя. Методом ионного травления на вакуумно напыленных пленках из алюминия и серебра изготовлены субволновые нанорешетки. Экспериментально, а также методом численного моделирования, изучены спектры пропускания этих решеток в видимом и ближнем ИК диапазонах для различных состояний поляризации света. Для алюминиевых решеток спектры пропускания изучены при двух принципиально важных граничных условиях. В первом случае алюминиевые решетки на стеклянной подложке контактировали с воздухом, а во втором случае - с жидким кристаллом. Впервые в спектрах пропускания света ТЕ поляризации обнаружены резонансные аномалии, связанные с контактом решетки с двумя разными границами: а) стеклом и б) жидким кристаллом. Эти аномалии характеризуются повышенным коэффициентом пропускания ТЕ поляризации, что объясняется "огибанием" светом металлических полосок и концентрацией световой энергии в щелях между электродами. Методом численного моделирования изучено распределение поля директора (локальной оптической оси) жидкого кристалла у поверхности субволновых нанорешеток при приложении к электродам нанорешетки электрического напряжения. Показано, что при полях ~ 20 В/мкм у ее поверхности начинает возникать выраженное пространственно периодическое распределение поля директора. Характерное время установления этого распределения составляет около двухсот микросекунд, а его глубина проникновения вглубь слоя ЖК соответствует примерно двум периодам решетки (~600 нм). Свыше этой глубины поле директора становится однородным в плоскости слоя, и однородная деформация распространяется вглубь слоя с постоянной времени, определяемой толщиной слоя и вязкоупругими параметрами ЖК (вращательной вязкостью и коэффициентами упругости). Осуществлен выбор фотоэлектрически активных материалов для органических гетероструктур на микро- и нанорешетках. Гетероструктуры из этих материалов исследованы в традиционной (сэндвичевой) геометрии, когда фотоэлектрический ток регистрируется вдоль нормали к слоям гетероструктуры. Измерены диэлектрические параметры, фотоэлектрический отклик и встроенные статические поля. Эти данные являются чрезвычайно важными для последующего исследования фотоэлектрических эффектов в планарной геометрии с микро- и нанорешетками электродов. Апробированы две технологии (метод вакумного напыления и Ленгмюра-Блоджетт) нанесения органических фоточувствительных материалов на подложки с микро- и нанорешетками. Измерены оптические спектры пропускания полученных структур. Развиты экспериментальные методы для проведения дальнейших фотоэлектрических и оптоэлектрических измерений в геометрии с микро- и нанорешетками.

Аннотация результатов, полученных в 2015 году
В области жидкокристаллических систем с микро- и нанорешетками были проведены следующие работы: - методом ионной литографии, на подложках из кварцевого стекла изготовлен ряд субволновых алюминиевых нанорешеток с различными пространственным периодом в диапазоне 250 - 800 нм; используя подложки c алюминиевыми нанорешетками, а также подложки с микрорешетками с периодом 1.76 мкм из хрома (изготовлены методом фотолитографии) были приготовлены жидкокристаллические образцы для исследования фотонных (флуоресценция и лазерный эффект) и электрооптических эффектов; - изучен лазерный эффект в видимой области спектра на 9-м порядке Брэгговской дифракции (микрорешетка с периодом 1.76 мкм); измерены порог возбуждения, а также модовый состав и зависимости свойств лазерного излучения от электрического напряжения на электродах микрорешетки; показано, что количество возбуждаемых мод, их поляризация, а также интенсивность не монотонно зависят от амплитуды электрического поля; - исследована угловая зависимость флуоресценции в жидкокристаллических образцах с нанорешеткой (800 нм) при возбуждении полупроводниковым лазерным диодом; обнаружено согласие измеренной спектральной структуры флуоресценции с положением фотонных зон, найденных с помощью численного моделирования; - изучен электрооптический эффект в жидкокристаллических ячейках с микро- и нанорешетками; показано, что такие системы могут быть перспективны не только как переключаемые электрическим полем фотонные кристаллы, но и как эффективные модуляторы света для традиционных дисплейных приложений; - развиты подходы численного моделирования распространения света и лазерной генерации в жидкокристаллических системах с микро- и нанорешетками; предложены методы описания жидкокристаллической среды для расчетов методом конечных разностей во временном домене (FDTD), которые учитывают оптическую дисперсию компонент тензора диэлектрической проницаемости и усиление света в жидком кристалле; выполнена серия расчетов для последующей экспериментальной проверки; В части изучения твердых органических гетероструктур в 2015 г. использовались следующие материалы, а именно, фотоактивные полупроводники фталоцианинов меди (CuPc) и цинка (ZnPc) и фуллеренов C60 и C70, а также сегнетоэлектрического сополимера P(VDF-TrFE) (поливинилиден фторид – трифторэтилен состава 70/30% и 65/35%). Для исследований были приготовлены разные образцы органических фотоактивных и сегнетоэлектрических пленок, электродных структур и гетероструктур. Пленки фотоактивных материалов в основном получались методами вакуумного напыления, а сегнетоэлектрических материалов - методом Ленгмюра-Блоджетт (иногда также вакуумным напылением). Во всех случаях исследования спектров фотоэлектрического отклика в пленках отдельных материалов и в гетероструктурах были получены важные результаты при сопоставлении стандартных (сэндвичевых) образцов с образцами на решеточных электродах. Изучена фоточувствительность и фотопроводимость хорошо известного донорного органического полупроводника (CuPc) и акцепторного полупроводника (С70). Результаты каждого исследования были получены на отобранной паре образцов. Выяснено, что фотопроводимость С70 оказывается близкой в обоих случаях, тогда как фотопроводимость CuPc в образце с электродной решеткой с субмикронным зазором более, чем в 100 раз превышает таковую в стандартном образце. Это может оказаться важным при разработке приборов на фотопроводниках. Проведены исследования встроенных полей в фоточувствительных гетероструктур с сегнетоэлектриками типа ITO-CuPc-P(VDF/TrFE)-Al методом электропоглощения c измерениями фототока при контролируемой электрической поляризацией. Нам удалось найти корреляцию напряженности встроенного поля и величины фототока в гетероструктуре с сегнетоэлектриком. Этот результат получен впервые и может быть востребован в технологии фотовольтаических приборов на органических полупроводниках и сегнетоэлектриках. Кроме того, исследовано пропускание света сквозь субволновую металлическую (Al) решетку, сверху контактирующую с воздухом, а снизу - с органическим сегнетоэлектриком. Для этого была приготовлена наноструктура, состоящая из стеклянной подложки, покрытой прозрачным электродом ITO, пленкой сегнетоэлектрика P(VDF/TrFE) и электродом из Al с вытравленной решеткой. Нами исследованы спектры коэффициента пропускания света ТМ и ТЕ поляризаций в отсутствие электрического поля и при подаче электрических импульсов напряжения к электродам для поляризации сегнетоэлектрика. При использовании субволновых нанорешеток, по-видимому, впервые наблюдалось влияние электрического поля в пленке органического сегнетоэлектрика на оптическую поляризацию оптической ТМ моды. При этом также отмечен нелинейный эффект в той же моде, связанный с электрической поляризацией сегнетоэлектрика. Результаты исследований доложены на Международных конференциях и опубликованы в 6 статьях в реферируемых международных журналах.

Аннотация результатов, полученных в 2016 году
Нами проведены детальные экспериментальные и теоретические исследования флуоресценции и лазерного эффекта в микроструктурированных жидкокристаллических системах с распределенной обратной связью, создаваемой с помощью системы электродных микрорешеток. Численное моделирование позволило определить оптимальные геометрические параметры микрорешеток для возбуждения лазерного эффекта в видимом спектральном диапазоне. В предложенной нами геометрии возбуждения лазерного эффекта электродная микрорешетка выполняет двоякую роль. Во-первых она служит для создания обратной связи и управления ее глубиной с помощью электрического поля. Во-вторых, решетка служит для вывода, возбуждаемых лазерных мод в подложку. В экспериментах нами были использованы как электродные ITO-микрорешетки, изготовленные методами фотолитографии и травлением ионным пучком, так и решетки из хрома. В обоих случаях экспериментально получен лазерный эффект. Однако, как показали исследования, решетки из хрома являются предпочтительными. Во-первых, благодаря большей отражательной способности хрома, обратная связь, необходимая для возбуждения лазерного эффекта, оказывается более глубокой, что приводит к более низкому энергетическому порогу возбуждения генерации. Во-вторых, как выяснилось в процессе экспериментов, электродные решетки из ITO деградируют под воздействием оптической накачки. Разрушение микроэлектродов ITO возникает при существенно меньших интенсивностях накачки (1.8 МВт/см2), чем микроэлектродов хромовых решеток (2.5 МВт/см2). Таким образом, если ориентироваться на использование ITO, то требуется поиск и исследование новых геометрий оптической накачки и возбуждения лазерного эффекта. В жидкокристаллических системах с скрещенными электродными решетками нами предложена новая электрооптическая мода, получившая название BFS ITN (bidirectional field switching inverse twisted nematic mode). От традиционного твиста в нематиках (TN-mode) новую BFS ITN-моду отличают: высокое быстродействие (суммарное время переключения 0.5 мс); высокий оптический контраст, характерный для вертикально-ориентированной (VA) моды; плавная (от приложенного напряжения) шкала серости. Показаны потенциальные перспективы использования новой моды в жидкокристаллических модуляторах света и дисплейных технологиях. Детальные исследования BFS ITN-моды опубликованы в работе [S.P. Palto, et.al.// Journal of Display Technology 12 (10), pp. 992-999 (2016)]. Нами отработана технология изготовления электродных микро- и нанорешеток на подложках с тонкими ITO и Al пленками, используя метод травления ионным пучком. Этот метод позволяет получать пространственное разрешение в десятки нанометров. На стеклянных подложках в пленках алюминия толщиной ~100 нм были изготовлены встречно-штыревые электродные системы с периодом 400 нм, шириной щелей ~100 нм при общей площади 40x40 мкм^2. Отметим, что было достигнуто рекордное качество изготовления – суммарная длина 100 нм зазора без единого электрического контакта между встречно-штыревыми электродами составила до 4 мм. Изготовленные нанорешетки были использованы для изучения плазмонно-обусловленных электрооптических эффектов как в системах с нематическими жидкими кристаллами [S. P. Palto et.al. Plasmon electro-optic effect in a subwavelength metallic nanograting with a nematic liquid crystal //JETP Letters, 103 (1), pp.25-29 (2016); Serguei P. Palto, et.al. Voltage-tunable optical transmission of subwavelength metal gratings filled with liquid crystal. Proc. SPIE 9883, Metamaterials X, p.988307-p.988307-8 (2016)], так и в системах с органическими полупроводниками (фталоцианины и фуллерены). В процессе исследования фотоэлектрических свойств органических гетероструктур на основе органических материалов (фталоцианинов, фуллеренов, сегнетоэлектрических сополимеров поливинилиденфторида-трифторэтилена и др.), нанесенных на микро- и нанорешетки были изучены эффекты электропоглощения (штарк-эффект), а также плазмонно-обусловленные эффекты, которые приводят к выраженному электрооптическому эффекту вблизи плазмонных резонансов. Результаты работы нашли отражение в четырех публикациях: 1. Л.М. Блинов, В. В. Лазарев, С.Г. Юдин, С.П. Палто. «Спектральная фоточувствительность органического полупроводника при использовании субмикронной металлической решетки» //ЖЭТФ 2016, т.149, №2, 415-422. 2. Л.М. Блинов, В. В. Лазарев, С.Г. Юдин. «Штарк-эффект и фотопроводимость фуллерена С70, измеренные на образцах с субмикронной решеткой электродов и геометрией сэндвича»// Кристаллография 2016, т.61, №5, с. 834-840. 3. Л.М. Блинов, В. В. Лазарев, С.Г. Юдин, С.П. Палто. «Штарк-спектроскопия органического полупроводника CuPc с субмикронной решеткой металлических электродов»// Оптика и спектроскопия 2016, т.120, №2, с. 313-318. 4. Л.М. Блинов, В.В. Лазарев, С.Г. Юдин , В.В. Артемов, С.П. Палто и М.В. Горкунов «Коэффициенты пропускания света субволновыми алюминиевыми решетками с диэлектрическими слоями» ЖЭТФ 2016, т.150, №5, с. 896-902.