Известия Саратовского университета.

Новая серия. Серия Физика

ISSN 1817-3020 (Print)
ISSN 2542-193X (Online)

Для цитирования:

Скрипаль А. В., Пономарев Д. В., Волшаник М. А. Управление резонансами в одномерной брэгговской структуре сверхвысокочастотного диапазона при использовании в качестве интерфейса слоя дистиллированной воды // Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия: Физика. 2024. Т. 24, вып. 4. С. 398-411. DOI: 10.18500/1817-3020-2024-24-4-398-411, EDN: GJKOUQ

Статья опубликована на условиях лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International (CC-BY 4.0).
Опубликована онлайн: 
25.12.2024
Полный текст в формате PDF(Ru):
скачать
(загрузок: 19)
Язык публикации: 
русский
Рубрика: 
Твердотельная электроника, микро- и наноэлектроника
Тип статьи: 
Научная статья
УДК: 
621.372.2
DOI: 
10.18500/1817-3020-2024-24-4-398-411
EDN: 
GJKOUQ

Управление резонансами в одномерной брэгговской структуре сверхвысокочастотного диапазона при использовании в качестве интерфейса слоя дистиллированной воды

Авторы: 
Скрипаль Александр Владимирович, Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н. Г. Чернышевского
Пономарев Денис Викторович, Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н. Г. Чернышевского
Волшаник Мария Алексеевна, Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н. Г. Чернышевского
Аннотация: 

Теоретически и экспериментально исследовано возникновение фотонных таммовских резонансов в запрещенных зонах одномерного сверхвысокочастотного фотонного кристалла при использовании в качестве интерфейса структуры, содержащей слой дистиллированной воды, характеризующейся высоким значением действительной и мнимой частей комплексной диэлектрической проницаемости в трехсантиметровом диапазоне длин волн. На основании результатов компьютерного моделирования с использованием метода матрицы передачи и эксперимента доказана возможность управления фотонными резонансами Тамма с помощью изменения как толщины слоя дистиллированной воды, так и величины воздушного зазора между фотонным кристаллом и слоем воды. Установлено, что при увеличении толщины слоя дистиллированной воды наблюдаются осцилляции частоты и амплитуды таммовского резонанса как в первой, так и во второй запрещенной зоне одномерной брэгговской структуры сверхвысокочастотного диапазона, затухающие при большой толщине слоя воды. При этом наибольшая амплитуда таммовского резонанса достигается для каждой толщины слоя воды при определенном значении воздушного зазора.

Ключевые слова: 
брэгговские структуры
сверхвысокочастотный диапазон
фотонные таммовские состояния
интерфейс
слой дистиллированной воды
Благодарности: 
Работа выполнена в рамках гранта РНФ № 25-22-00199.
Список источников: 
  1. Usanov D. A., Nikitov S. A., Skripal A. V., Ponomarev D. V. One-dimensional microwave photonic crystals: New applications. Boca Raton, FL, USA : CRC Press ; Taylor Francis Group, 2019. 154 p. https://doi.org/10.1201/9780429276231
  2. Беляев Б. А., Ходенков С. А., Галеев Р. Г., Шабанов В. Ф. Фильтр нижних частот на двумерном микрополосковом электромагнитном кристалле // Доклады Академии наук. 2019. Т. 485, № 1. С. 27–32. https://doi.org/10.31857/S0869-5652485127-32
  3. Беляев Б. А., Ходенков С. А., Шабанов В. Ф. Исследование частотно-селективных устройств, построенных на основе микрополоскового двумерного фотонного кристалла // Доклады Академии наук. 2016. Т. 467, № 4. С. 400–404. https://doi.org/10.7868/S086956521610008X
  4. Ozbay E., Temelkuran B., Bayindir M. Microwave applications of photonic crystals // PIER. 2003. Vol. 41. P. 185–209. https://doi.org/10.2528/pier02010808
  5. Fernandes H. C. C., Medeiros J. L. G., Junior I. M. A., Brito D. Photonic crystal at millimeter waves applications // PIERS Online. 2007. Vol. 3, № 5. P. 689–694. https://doi.org/10.2529/PIERS060901105337
  6. Усанов Д. А., Мещанов В. П., Скрипаль А. В., Попова Н. Ф., Пономарев Д. В., Мерданов М. К. Согласованные нагрузки сантиметрового и миллиметрового диапазонов длин волн на СВЧ фотонных кристаллах // Журнал технической физики. 2017. Т. 87, вып. 2. С. 216–220. https://doi.org/10.21883/JTF.2017.02.44128.1794
  7. Усанов Д. А., Никитов С. А., Скрипаль А. В., Мерданов М. К., Евтеев С. Г. Волноводные фотонные кристаллы на резонансных диафрагмах с управляемыми n–i–p–i–n-диодами характеристиками // Радиотехника и электроника. 2018. Т. 63, № 1. С. 65–71. https://doi.org/10.7868/S0033849417010090
  8. Усанов Д. А., Никитов С. А., Скрипаль А. В., Пономарев Д. В., Рузанов О. М., Тимофеев И. О. Использование СВЧ коаксиальной брэгговской структуры для измерения параметров диэлектриков // Радиотехника и электроника. 2020. Т. 65, № 5. С. 495–503. https://doi.org/10.31857/S0033849420040099
  9. Усанов Д. А., Никитов С. А., Скрипаль А. В., Пономарев Д. В., Латышева Е. В. Многопараметровые измерения эпитаксиальных полупроводниковых структур с использованием одномерных сверхвысокочастотных фотонных кристаллов // Радиотехника и электроника. 2016. Т. 61, № 1. С. 45–53. https://doi.org/10.7868/S0033849416010137
  10. Скрипаль А. В., Пономарев Д. В., Шаронов В. Е. Резонансные характеристики сверхвысокочастотных фотонных кристаллов с включениями в виде проводящих нанослоев // Письма в ЖТФ. 2023. Т. 49, вып. 19. С. 27–30. https://doi.org/10.61011/PJTF.2023.19.56269.19645
  11. Фархутдинов Р. В., Насыбуллин А. Р., Морозов О. Г., Вазиев Т. О., Ишкаев Т. М., Садчиков В.В. Брэгговская СВЧ-структура в коаксиальном волноводе как датчик контроля диэлектрических параметров жидких сред // Физика волновых процессов и радиотехнические системы. 2019. Т. 22, № 4–2. С. 114–120. https://doi.org/10.18469/1810-3189.2019.22.4.114-120
  12. Skripal A. V., Ponomarev D. V., Komarov A. A. Tamm resonances in the structure 1-D microwave photonic crystal/conducting nanometer layer // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 2020. Vol. 68, iss. 12. P. 5115–5122. https://doi.org/10.1109/TMTT.2020.3021412
  13. Skripal Al. V., Ponomarev D. V., Komarov A. A., Sharonov V. E. Tamm resonances control in onedimensional microwave photonic crystal for measuring parameters of heavily doped semiconductor layers // Izvestiya of Saratov University. Physics. 2022. Vol. 22, iss. 2. P. 123–130. https://doi.org/10.18500/1817-3020-2022-22-2-123-130
  14. Vinogradov A. P., Dorofeenko A. V., Erokhin S. G., Inoue M., Lisyansky A. A. Surface state peculiarities in one-dimensional photonic crystal interfaces // Phys. Rev. B. 2006. Vol. 74, № 4. P. 045128 (1–8). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.74.045128
  15. Виноградов А. П., Дорофеенко А. В., Мерзликин А. М., Лисянский А. А. Поверхностные состояния в фотонных кристаллах // УФН. 2010. Т. 180, № 3. С. 249–263. https://doi.org/10.3367/UFNe.0180.201003b.0249
  16. Belozorov D. P., Girich A. A., Nedukh S. V., Moskaltsova A. N., Tarapov S. I. Microwave analogue of Tamm states in periodic chain-like structures // PIER Letters. 2014. Vol. 46. P. 7–12. https://doi.org/10.2528/PIERL13122502
  17. Goto T., Dorofeenko A. V., Merzlikin A. M., Baryshev A. V., Vinogradov A. P., Inoue M., Lisyansky A. A. Granovsky A. B. // Phys. Rev. Lett. 2008. Vol. 101, iss. 11. P. 113902 (1–3). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.101.113902
  18. Kaliteevski M., Iorsh I., Brand S., Abram R. A., Chamberlain J. M., Kavokin A. V., Shelykh I. A. Tamm plasmon-polaritons: Possible electromagnetic states at the interface of a metal and a dielectric Bragg mirror // Phys. Rev. B. 2007. Vol. 76, iss. 16. P. 165415 (1–5). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.76.165415
  19. Sasin M. E., Seisyan R. P., Kalitteevski M. A., Brand S., Abram R. A., Chamberlain J. M., Egorov A. Yu., Vasilev A. P., Mikhrin V. S., Kavokin A. V. Tamm plasmon polaritons: Slow and spatially compact light // Appl. Phys. Lett. 2008. Vol. 92, iss. 25. P. 251112 (1–3). https://doi.org/10.1063/1.2952486
  20. Brand S., Kaliteevski M. A., Abram R. A. Optical Tamm states above the bulk plasma frequency at a Bragg stack/metal interface // Phys. Rev. B. 2009. Vol. 79, iss. 8. P. 085416 (1–4). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.79.085416
  21. Beletskii N. N., Borysenko S. A. On the spectrum of electromagnetic waves in one-dimensional defective photon crystal bordering on conducting medium // Radio Physics and Electronics. 2016. Vol. 7, iss. 16. P. 1457–1465. https://doi.org/10.1615/TelecomRadEng.v75.i16.40
  22. Bikbaev R. G., Vetrov S. Ya., Timofeev I. V. The optical Tamm states at the interface between a photonic crystal and nanoporous silver // J. Opt. 2017. Vol. 19, iss. 1. P. 015104 (1–6). https://doi.org/10.1088/2040-8986/19/1/015104
  23. Pankin P. S., Vetrov S. Ya., Timofeev I. V. Hybrid states formed by the optical Tamm and defect modes in a one-dimensional photonic crystal // Progress In Electromagnetics Research Symposium (PIERS). Shanghai, China, 2016. P. 4571–4574. https://doi.org/10.1109/PIERS.2016.7735688
  24. Fang Y., Chen L., Zhu N., Zhou J. Tamm states of one-dimensional metal-dielectric photonic crystal // IET Optoelectronics. 2013. Vol. 7, iss. 1. P. 9–13. https://doi.org/10.1049/iet-opt.2012.0064
  25. Wen J., Zhao Q., Peng R., Yao H., Qing Y., Yin J., Ren Q. Progress in water-based metamaterial absorbers: A review // Optical Materials Express. 2022. Vol. 12, № 4. P. 1461–1479. https://doi.org/10.1364/OME.455723
  26. Fan He, Kaixuan Si, Dace Zha, Rui Li, Yulu Zhang, Jianxiong Dong, Ling Miao, Shaowei Bie, Jianjun Jiang. Broadband Microwave Absorption Properties of a Frequency-Selective Surface Embedded in a Patterned Honeycomb Absorber // IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility. 2021. Vol. 63, iss. 4. P. 1290–1294. https://doi. org/10.1109/TEMC.2021.3050184
  27. Kuzhir P. P., Paddubskaya A. G., Volynets N. I., Batrakov K. G., Kaplas T., Lamberti P., Kotsilkova R., Lambin P. Main principles of passive devices based on graphene and carbon films in microwave–THz frequency range // J. Nanophoton. 2017. Vol. 11, № 3. P. 032504 (1–19). https://doi.org/10.1117/1.JNP.11.032504
  28. Zheng J., Zheng H., Pang Y., Qu B., Xu Z. Transparent broadband absorber based on a multilayer ITO conductive film // Optics Express. 2023. Vol. 31, № 3. P. 3731–3742. https://doi.org/10.1364/OE.482992
  29. Богацкая А. В., Кленов Н. В., Никифорова П. М., Попов А. М., Щеголев А. Е. Особенности распространения и поглощения электромагнитных сигналов в периодических структурах из проводящих и диэлектрических слоев // Оптика и спектроскопия. 2022. Т. 130, вып. 4. С. 481–487. https://doi.org/10.21883/OS.2022.04.52259.48-21
  30. Yoo Y. J., Ju S., Park S. Y., Kim Y. Ju., Bong J., Lim T., Kim K. W., Rhee J. Y., Lee Y. Metamaterial absorber for electromagnetic waves in periodic water droplets // Scientific Reports. 2015. Vol. 5, № 1. P. 14018 (1–8). https://doi.org/10.1038/srep14018
  31. Скрипаль Ал. В., Пономарев Д. В., Волшаник М. А. Резонансы в фотонных кристаллах сверхвысокочастотного диапазона при использовании в качестве интерфейса структуры, содержащей воду в виде сплошного слоя // Письма в ЖТФ. 2024. Т. 50, вып. 15. С. 30–33. https://doi.org/10.61011/PJTF.2024.15.58437.19880
  32. Sato T., Buchner R. Dielectric Relaxation Processes in Ethanol/ Water Mixtures // J. Phys. Chem. A. 2004. Vol. 108, iss. 23. P. 5007–5015. https://doi.org/10.1021/jp035255o
  33. Усанов Д. А., Скрипаль А. В., Абрамов А. В., Боголюбов А. С. Измерения толщины нанометровых слоев металла и электропроводности полупроводника в структурах металл–полупроводник по спектрам отражения и прохождения электромагнитного излучения // ЖТФ. 2006. Т. 76, вып. 5. С. 112–117. https://doi.org/10.1134/S1063784206050173
  34. Fan S., Yanik M. F., Wang Z., Sandhu S., Povinelli M. L. Advances in theory of photonic crystals // Journal of Lightwave Technology. 2006. Vol. 24, № 12. P. 4493–4501. https://doi.org/10.1109/JLT.2006.886061
  35. Никитин Ал. А., Никитин Ан. А., Устинов А. Б., Lahderanta E., Калиникос Б. А. Сверхвысокочастотный фотонный кристалл на щелевой линии передачи с сегнетоэлектрической пленкой // ЖТФ. 2016. Т. 86, вып. 6. С. 115–120. https://doi.org/10.1134/S106378421606013X
  36. Meissner T., Wentz F. J. The complex dielectric constant of pure and sea water from microwave satellite observations // IEEE Transactions on Geoscience and remote Sensing. 2004. Vol. 42, № 9. P. 1836–1849. https://doi.org/10.1109/TGRS.2004.831888
  37. Садовский И. Н., Кузьмин А. В., Шарков Е. А., Сазонов Д. С., Пашинов Е. В., Ашеко А. А., Батулин С. А. Анализ моделей диэлектрической проницаемости водной среды, используемых в задачах дистанционного зондирования акваторий. М. : ФГБУН ИКИ РАН, 2013. 60 с.
  38. Бордонский Г. С., Гурулевa А. А., Орлов А. О. Диэлектрическая проницаемость глубоко переохлажденной воды по данным измерений на частотах 7.6 и 9.7 ГГц // Радиотехника и электроника. 2022. Т. 67, № 3. 259–267. https://doi.org/10.31857/S0033849422030044
  39. Zhu Y., Yang H. Defective microwave photonic crystals for salinity detection // Coatings. 2021. Vol. 11, iss. 10. P. 1243 (1–13). https://doi.org/10.3390/coatings11101243
  40. Богатин А. С. Релаксационные полязирации: сильные и слабые процессы // Физика твердого тела. 2012. Т. 54, вып. 1. С. 59–65. https://doi.org/10.1134/S1063783412010064
Поступила в редакцию: 
03.08.2024
Принята к публикации: 
20.09.2024
Опубликована: 
25.12.2024
  • 70 просмотров