Оптика проводящих полимеров и наноматериалов

Aннотация
В курсе излагаются электронные и оптические свойства ряда новых материалов перспективных для фотонных технологий будущего, а также оптические методы их спектроскопии. Основное внимание уделено полимерным органическим материалам (сопряженным полимерам), для которых уже продемонстрированы: металлическая проводимость, рекордно высокий и быстрый нелинейно-оптический отклик, лазерный эффект и т.д. Рассмотрены широкие возможности управления свойствами в фуллеренновых и углеродных структурах. Также излагаются свойства новых материалов, основанных на традиционных неорганических полупроводниках: фотонные кристаллы, наноструктуры. Обсуждается проблема высокотемпературной сверхпроводимости в керамиках. Затронуты роль дефектов и вопросы стабильности новых материалов; обсуждается одна из ключевых задач, заключающаяся в преодолении пути от демонстрации эффекта или явления до свойства реального материала. Дается феноменологическая картина электронных и оптических свойств (нелинейно-оптический отклик, люминесценция, транспорт заряда и др.), затем следует квантомеханическое описание в рамках ряда микроскопических моделей как на молекулярном языке, так и в терминах теории твердого тела.

Программа
ОПТИКА ПРОВОДЯЩИХ ПОЛИМЕРОВ И НАНОМАТЕРИАЛОВ
(10 семестр, 32 часа)

1. Введение. Понятие "новый материал". Феноменологические свойства (нелинейно-оптические, проводящие, люминесцентные, "запоминающие") новых материалов: сопряженные полимеры, фуллерены, фотохромные и фоторефрактивные материалы, фотонные кристаллы, сверхпроводящие керамики, сверхрешетки на квантовых ямах, наноструктуры и др. Супермолекулярные структуры, сенсоры, биосенсоры. Применения новых материалов: нелинейная оптика, оптическая память и обработка информации, люминесцентные дисплеи, пластиковые лазеры, полимерные проволоки, фотоэлементы, сверхпроводящие материалы.
2. Принципы квантовой химии (обзор). Молекула водорода, приближение Гайтлера-Лондона, обменные силы. Ковалентная связь: химическая стабильность и реакционная способность. Понятие радикала. Приближенные расчеты в квантовой химии: вариационные методы, теория возмущений, полуэмпирические методы и методы аb-initio. Ван-дер-Ваальсова и водородные связи.
3. Структура некоторых молекул, полимеров и материалов; основные оптические и электронные свойства. Электронные оболочки атомов С, N, O; метод Хартри-Фока. Правило Хунда. Корреляционные диаграммы на примере молекул кислорода и азота. Валентность. Гибридизация орбиталей. sp-3 гибридизация: алмаз, Ge, Si, метан, этан. sp-2 гибридизация: этилен, графит. Понятие сопряжения: сигма и пи-сопряжение. Кратные связи: длины и энергии. Ацетилен, полиацетилены. Диацетилен, полидиацетилены. Реакция полимеризации. 3D-упаковка сопряженных полимеров. Ароматические соединения: бензол, нафталин, антрацен. Фотохромизм. Фуллерены и фуллериты, графит, углеродные нанотрубки и наносети. Пи-сопряженные полимеры с фенилами: полифенилен, полифенилвинилены, полианилин, политиофен. Сигма-сопряженные полимеры: полисиланы. Качественно рассмотрены: проводимость, линейные и нелинейные оптические свойства, люминесценция. Классификация оптических материалов на люминесцирующие и нелюминесцирующие. "Запоминающие" молекулы.
4. Методы расчета молекул, полимеров, наноструктур: молекулярная физика и теория твердого тела. Метод молекулярных орбиталей (Хюкеля): основные приближения, спектр энергий, волновые функции. Бесконечные цепи, конечные цепи (полиены) и циклы. Плотность, заряда, спина, порядки связей. Альтернирование. От атомы и молекулы к твердому телу. Приближение слабосвязанных и сильно-связанных электронов, Запрещенные и разрешенные зоны, эффективная масса. От электронной орбитали к зоне состояний. Модель одномерного твердого тела, закон дисперсии. Описание в импульсном и координатном пространстве, разложение состояний по блоховским функциям, функциям Ванье, атомным орбиталям. Дефекты в 1D-цепях, локализация. "Хорошие" квантовые числа. Квазичастицы в формализме вторичного квантования.
5. Оптика периодически неоднородных и кластерных сред. Фотонные кристаллы. Структура, запрещенные зоны, дефекты. Транспорт света и его локализация. Периодически-слоистые среды на основе ниобата лития. Трехчастотные взаимодействия на оптической нелинейности второго порядка. Квазисинхронизм. Линейные оптические характеристики металлов и диэлектриков. Матричные элементы дипольных переходов. Сила осциллятора, правило сумм (площадей). Эллипсометрия. Квазиоднородные среды. Наночастицы металлов и полупроводников в матрице. Механизмы управления спектром поглощения. Эффекты локального поля и большой поверхности частицы. Квантово-размерный эффект. Осцилляторная модель. Диполь-дипольное взаимодействие частиц. Эффекты, не учитываемые в приближении локального поля.
6. Оптика линейных сопряженных молекул и 1d-кристаллов (одноэлектронное приближение). Спектр поглощения в 1D-кристалле. Плотность состояний в N-D системах (N=0,1,2,3). Матричные элементы дипольных переходов в дискретном и непрерывном спектре. Внутризонные и межзонные переходы. Матричные элементы переходов в конечной альтернированной цепи, спектр поглощения. Нелинейная восприимчивость хи-3 в 1D-системах. Скейлинговые закономерности. Делокализация и величина нелинейности. Короткие цепи. Типичные цифры хи-3 и n2 в полидиацетиленах, фуллеренах, кварце. Критерии качества материала, оптическое поглощение. Величина и времена нелинейно-оптического отклика. Возможно ли получить быструю и высокую нелинейность? Поляризуемые дефекты и нелинейно-оптический отклик. Фоторефрактивные материалы. Проблемы стабильности материала. Методы измерения нелинейного отклика третьего порядка. Спектры третьей оптической гармоники, вырожденное четырехволновое смешение, Z-скэн техника, поляризационные методы. Измерение спектров двухфотонного поглощения фототепловым методом.
7. Экситоны и межэлектронное отталкивание. Электрон-электронные и электрон-ядерные взаимодействия в молекулах и твердых телах. Экситоны Ванье-Мотта (полупроводники) и Френкеля (молекулярные кристаллы), экситоны с переносом заряда. Энергия связи, делокализация. Биэкситоны. Экситоны в сопряженных полимерах. Спектр поглощения. Расчет дипольных моментов переходов в 1D-цепи. Правила отбора. Экситонные механизмы оптической нелинейности. Межэлектронное отталкивание. Модель Хаббарда. Спиновые волны в антиферромагнитной цепочке Гейзенберга, магноны. Одномерные модели сопряженных молекул с учетом кулоновского притяжения и отталкивания. Четырехуровневая модель и хи-3. Дипольно-запрещенные низколежащие возбужденнные состояния в сопряженных системах и методы их спектроскопии (метод Шпольского и др.). Роль дипольно-запрещенных состояний в нелинейно-оптическом отклике, релаксации и фотофизике. Излучательная и безызлучательная релаксация фотовозбуждения. Возможности увеличения нелинейно-оптического отклика.
8. Движение ядер: виброника, поляроны, солитоны. Адиабатическое приближение. Колебательная структура в спектрах поглощения молекул. Принцип Франка-Кондона. Релаксация фотовозбуждения в молекулах. Движение по потенциальной поверхности. Неадиабатические явления. Реакции фотоизомеризации. Электрон-фононное взаимодействие в твердых телах. Потенциал деформации. Рассеяние электронов. Полярон. Проявление колебаний в оптических спектрах твердых тел и полимеров. Методы ИК и КР спектроскопии. Релаксация возбуждений в твердом теле и молекулах: от фемтосекунд до секунд. Электрон-электронные, электрон-фононные взаимодействия, релаксация электронной и фононной подсистем. Механизмы электронной рекомбинации: Оже, бичастичная, поверхностная, на дефектах. Переходы с изменением мультиплетности, триплетные возбуждения в молекулах и молекулярных кристаллах. Фосфоресценция и задержанная люминесценция. Спин-чувствительные методы спектроскопии. Переход Пайерлса в металлической 1D цепочке. Топологические солитоны в полиацетилене, спин, заряд, масса, локализация. Поляроны и биполяроны в сопряженных полимерах. Давыдовские солитоны в молекулярных цепочках. Как увидеть солитон?
9. Сверхпроводимость. Электрон-фононный механизм спаривания, результаты теории БКШ. ВТСП, структура, диэлектрическая, металлическая и сверхпроводящие фазы. Природа спаривания. Экситонный, фононный, плазмонный, спиновый механизмы спаривания. "Экзотические" механизмы ВТСП. Феноменология сверхпроводящего состояния, решетка вихрей Абрикосова. Дефекты и проблемы ВСТП материалов.
10. Заключение. Общие проблемы создания новых материалов, барьеры между физиками и химиками. Дистанция между демонстрацией физического явления и свойством материала. Перспективы.

& Литература
1. Ильинский Ю.А., Келдыш Л.В. Взаимодействие электромагнитного излучения с веществом, Москва: Изд-во МГУ, 1989.
2. Давыдов А.С. Теория твердого тела, Москва: Наука, 1976.
3. Коулсон Ч. Валентность, Москва: Мир, 1965.
4. Salem L. The molecular orbital theory of conjugated system, N.Y.: Benjamin, 1966.
5. Фейнман Р., Лейтон Р., Сендс М. Фейнмановские лекции по физике. Квантовая механика, т.8,9. Москва: Мир, 1966.
6. Mukamel S. Priniciples of nonlinear spectroscopy, Oxford: 1995.
7. Нелинейные оптические свойства органических молекул и кристаллов, т. 2. Москва: Мир, 1989.

Программу составил
доцент Паращук Д.Ю.