Фотонен кристал. Електрохимия на фотонни кристали от прости кристали до фотонни кристали
Класификация на методите за производство на фотонни кристали.Фотонните кристали в природата са рядкост. Те се отличават със специална преливаща се игра на светлина - оптичен феномен, наречен иризация (в превод от гръцки - дъга). Тези минерали включват калцит, лабрадорит и опал SiO 2 ×n∙H 2 O с различни включвания. Най-известният сред тях е опалът - полускъпоценен минерал, който представлява колоиден кристал, състоящ се от монодисперсни сферични глобули от силициев оксид. От играта на светлината в последния идва терминът опалесценция, обозначаващ специален тип разсейване на радиация, характерен само за този кристал.
Основните методи за производство на фотонни кристали включват методи, които могат да бъдат разделени на три групи:
1. Методи, използващи спонтанното образуване на фотонни кристали. Тази група методи използва колоидни частици като монодисперсен силикон или полистиренови частици, както и други материали. Такива частици, намиращи се в течни пари по време на изпаряване, се отлагат в определен обем. Тъй като частиците се установяват една върху друга, те образуват триизмерен фотонен кристал и са подредени предимно в лицево-центрирана или шестоъгълна кристална решетка. Възможен е и метод на пчелна пита, който се основава на филтриране на течността, в която се намират частиците, през малки спори. Въпреки че методът на пчелната пита позволява образуването на кристал с относително висока скорост, определена от скоростта на протичане на течността през порите, обаче, при изсушаване в такива кристали се образуват дефекти. Има и други методи, които използват спонтанното образуване на фотонни кристали, но всеки метод има своите предимства и недостатъци. Най-често тези методи се използват за отлагане на сферични колоидни силиконови частици, но резултантният контраст на индекса на пречупване е сравнително малък.
2. Методи, използващи ецване на предмети. Тази група методи използва маска от фоторезист, образувана върху повърхността на полупроводника, която определя геометрията на зоната на ецване. Използвайки такава маска, най-простият фотонен кристал се формира чрез ецване на повърхността на полупроводник, който не е покрит с фоторезист. Недостатъкът на този метод е необходимостта от използване на фотолитография с висока разделителна способност на ниво десетки и стотици нанометри. Също така, лъчи от фокусирани йони, като Ga, се използват за създаване на фотонни кристали чрез ецване. Такива йонни лъчи позволяват да се отстрани част от материала без използването на фотолитография и допълнително ецване. За увеличаване на скоростта на ецване и подобряване на качеството му, както и за отлагане на материали вътре в ецваните зони се използва допълнителна обработка с необходимите газове.
3. Холографски методи. Такива методи се основават на прилагането на принципите на холографията. С помощта на холографията се формират периодични промени в показателя на пречупване в пространствени посоки. За да направите това, използвайте интерференцията на две или повече кохерентни вълни, което създава периодично разпределение на интензитета на електромагнитното излъчване. Едномерните фотонни кристали се създават чрез интерференция на две вълни. Двуизмерните и триизмерните фотонни кристали се създават чрез интерференция на три или повече вълни.
Изборът на конкретен метод за производство на фотонни кристали до голяма степен се определя от обстоятелството какъв размер трябва да бъде произведена структурата - едномерна, двумерна или тримерна.
Едномерни периодични структури.Най-простият и най-често срещаният начин за получаване на едномерни периодични структури е вакуумното послойно отлагане на поликристални филми от диелектрични или полупроводникови материали. Този метод е широко разпространен във връзка с използването на периодични структури при производството на лазерни огледала и интерферентни филтри. В такива структури, когато се използват материали с индекси на пречупване, които се различават около 2 пъти (например ZnSe и Na 3 AlF 6), е възможно да се създадат спектрални отражателни ленти (фотони ленти) с ширина до 300 nm, покриващи почти цялата видима област на спектъра.
Напредъкът в синтеза на полупроводникови хетероструктури през последните десетилетия позволява да се създадат напълно монокристални структури с периодична промяна на индекса на пречупване по посока на растеж, като се използва епитаксия с молекулярни лъчи или отлагане на пари с помощта на органометални съединения. В момента такива структури са част от полупроводникови лазери с вертикални кухини. Максималното постижимо в момента съотношение на показателите на пречупване на материалите, очевидно, съответства на двойката GaAs/Al 2 O 3 и е около 2. Трябва да се отбележи високото съвършенство на кристалната структура на такива огледала и точността на формиране на дебелина на слоя на ниво един период на решетка (около 0,5 nm).
Наскоро беше демонстрирана възможността за създаване на периодични едномерни полупроводникови структури с помощта на фотолитографска маска и селективно ецване. При ецване на силиций е възможно да се създадат структури с период от порядъка на 1 μm или повече, докато съотношението на индексите на пречупване на силиция и въздуха е 3,4 в близката инфрачервена област, безпрецедентно висока стойност, недостижима с други методи за синтез . Пример за подобна структура, получена във Физико-техническия институт. A. F. Ioffe RAS (Санкт Петербург), е показано на фиг. 3,96.
Ориз. 3,96. Периодична структура силиций-въздух, получена чрез анизотропно ецване с помощта на фотолитографска маска (период на структурата 8 µm)
Двумерни периодични структури.Двуизмерни периодични структури могат да бъдат произведени чрез селективно ецване на полупроводници, метали и диелектрици. Технологията за селективно ецване е разработена за силиций и алуминий поради широкото използване на тези материали в микроелектрониката. Порестият силиций, например, се счита за обещаващ оптичен материал, който ще направи възможно създаването на интегрирани оптоелектронни системи с висока степен на интеграция. Комбинацията от усъвършенствани силициеви технологии с квантово-размерни ефекти и принципите на формиране на фотонни ленти доведе до развитието на ново направление - силициева фотоника.
Използването на субмикронна литография за формиране на маски прави възможно създаването на силициеви структури с период от 300 nm или по-малко. Поради силното поглъщане на видимата радиация, силициевите фотонни кристали могат да се използват само в близките и средните инфрачервени области на спектъра. Комбинацията от ецване и окисление по принцип дава възможност да се премине към периодични структури силициев оксид-въздух, но в същото време ниското съотношение на индекса на пречупване (компонент 1,45) не позволява образуването на пълноценна забранена лента в две измерения.
Двумерните периодични структури на A 3 B 5 полупроводникови съединения, които също се получават чрез селективно ецване с помощта на литографски маски или шаблони, изглеждат обещаващи. Съединенията A 3 B 5 са основните материали на съвременната оптоелектроника. Съединенията InP и GaAs имат по-голяма ширина на лентата от силиция и същите високи стойности на индекса на пречупване като силиция, равни съответно на 3,55 и 3,6.
Много интересни са периодичните структури на базата на алуминиев оксид (фиг. 3.97а). Те се получават чрез електрохимично ецване на метален алуминий, върху чиято повърхност с помощта на литография се оформя маска. С помощта на електронни литографски шаблони са получени перфектни двуизмерни периодични структури, наподобяващи пчелни пити с диаметър на порите по-малък от 100 nm. Трябва да се отбележи, че селективното ецване на алуминий при определена комбинация от условия на ецване прави възможно получаването на правилни структури дори без използването на маски или шаблони (фиг. 3.97b). В този случай диаметърът на порите може да бъде само няколко нанометра, което е недостижимо за съвременните литографски методи. Периодичността на порите е свързана със саморегулирането на процеса на окисляване на алуминия по време на електрохимичната реакция. Първоначалният проводящ материал (алуминий) по време на реакцията се окислява до Al 2 O 3 . Филмът от алуминиев оксид, който е диелектрик, намалява тока и забавя реакцията. Комбинацията от тези процеси прави възможно постигането на самоподдържащ се реакционен режим, при който непрекъснатото ецване е възможно чрез преминаването на ток през порите, а реакционният продукт образува правилна структура на пчелна пита. Известна неравномерност на порите (фиг. 3.97b) се дължи на гранулираната структура на оригиналния поликристален алуминиев филм.
Ориз. 3,97. Двуизмерен фотонен кристал от Al 2 O 3: а) направен с помощта на литографска маска; б) направени с помощта на саморегулиране на процеса на окисление
Изследване на оптичните свойства на нанопорест алуминиев оксид показа необичайно висока прозрачност на този материал по посока на порите. Липсата на френелово отражение, което неизбежно съществува на границата между две непрекъснати среди, води до стойности на пропускливост, достигащи 98%. В посоки, перпендикулярни на порите, се наблюдава високо отражение с коефициент на отражение в зависимост от ъгъла на падане.
Сравнително ниските стойности на диелектричната проницаемост на алуминиевия оксид, за разлика от силиция, галиевия арсенид и индиевия фосфид, не позволяват образуването на пълноценна забранена лента в две измерения. Въпреки това, оптичните свойства на порестия двуалуминиев оксид са доста интересни. Например, той има изразено анизотропно разсейване на светлината, както и двойно пречупване, което позволява да се използва за завъртане на поляризационната равнина. С помощта на различни химични методи е възможно да се запълнят порите с различни оксиди, както и оптически активни материали, като нелинейни оптични среди, органични и неорганични луминофори и електролуминесцентни съединения.
Тримерни периодични структури.Тримерните периодични структури са обекти, които изпитват най-големи технологични трудности за експериментална реализация. Исторически първият начин за създаване на триизмерен фотонен кристал се счита за метод, основан на механичното пробиване на цилиндрични отвори в обема на материала, предложен от Е. Яблонович. Създаването на такава триизмерна периодична структура е доста трудоемка задача; затова много изследователи са се опитвали да създадат фотонен кристал по други методи. Така при метода на Лин-Флеминг слой от силициев диоксид се нанася върху силициев субстрат, в който след това се образуват успоредни ивици, пълни с поликристален силиций. След това процесът на нанасяне на силициев диоксид се повтаря, но лентите се оформят в перпендикулярна посока. След създаване на необходимия брой слоеве, силициевият оксид се отстранява чрез ецване. В резултат на това се образува "дърва" от полисилициеви пръчки (фиг. 3.98). Трябва да се отбележи, че използването на съвременни методи на субмикронна електронна литография и анизотропно йонно ецване позволява получаването на фотонни кристали с дебелина по-малка от 10 структурни клетки.
Ориз. 3,98. 3D фотонна структура от полисилициеви пръчици
Широко разпространени са методите за създаване на фотонни кристали за видимия диапазон, базирани на използването на самоорганизиращи се структури. Самата идея за "сглобяване" на фотонни кристали от глобули (топки) е заимствана от природата. Известно е например, че естествените опали имат свойствата на фотонни кристали. По химичен състав естественият минерален опал е хидрогел от силициев диоксид SiO 2 × H 2 O с променливо водно съдържание: SiO 2 - 65 - 90 тегл. %; H 2 O - 4,5–20%; Al 2 O 3 - до 9%; Fe 2 O 3 - до 3%; TiO 2 - до 5%. С помощта на електронна микроскопия беше установено, че естествените опали се образуват от плътно опаковани сферични частици α-SiO 2, еднакви по размер, с диаметър 150–450 nm. Всяка частица се състои от по-малки кълбовидни образувания с диаметър 5–50 nm. Празнините в опаковъчните глобули са запълнени с аморфен силициев оксид. Интензитетът на дифрактирана светлина се влияе от два фактора: първият е "идеалната" плътна опаковка на глобули, вторият е разликата в показателите на пречупване на аморфния и кристалния оксид SiO 2 . Благородните черни опали имат най-добра игра на светлина (за тях разликата в стойностите на индекса на пречупване е ~ 0,02).
Създаването на глобуларни фотонни кристали от колоидни частици е възможно по различни начини: естествена седиментация (утаяване на дисперсна фаза в течност или газ под действието на гравитационно поле или центробежни сили), центрофугиране, филтриране с помощта на мембрани, електрофореза и др. Сферичните частици действат като колоидни частици полистирен, полиметилметакрилат, частици силициев диоксид α-SiO 2 .
Методът на естественото утаяване е много бавен процес, изискващ няколко седмици или дори месеци. До голяма степен центрофугирането ускорява процеса на образуване на колоидни кристали, но получените по този начин материали са по-малко подредени, тъй като при висока скорост на отлагане няма време да настъпи разделяне на частиците по размер. За ускоряване на процеса на утаяване се използва електрофореза: създава се вертикално електрическо поле, което "променя" гравитацията на частиците в зависимост от техния размер. Използват се и методи, базирани на използването на капилярни сили. Основната идея е, че под действието на капилярни сили настъпва кристализация на границата на менискуса между вертикалния субстрат и суспензията и при изпаряване на разтворителя се образува фина подредена структура. Допълнително се използва вертикален температурен градиент, който дава възможност за по-добро оптимизиране на скоростта на процеса и качеството на създадения кристал поради конвекционните токове. Като цяло изборът на техника се определя от изискванията за качество на получените кристали и времето, изразходвано за тяхното производство.
Технологичният процес на отглеждане на синтетични опали чрез естествена седиментация може да бъде разделен на няколко етапа. Първоначално се приготвя монодисперсна (~5% отклонение в диаметъра) суспензия от сферични глобули от силициев оксид. Средният диаметър на частиците може да варира в широк диапазон: от 200 до 1000 nm. Най-известният метод за получаване на монодисперсни колоидни микрочастици от силициев диоксид се основава на хидролизата на тетраетоксисилан Si(C 2 H 4 OH) 4 във водно-алкохолна среда в присъствието на амониев хидроксид като катализатор. Този метод може да се използва за получаване на частици с гладка повърхност с почти идеална сферична форма с висока степен на монодисперсност (по-малко от 3% отклонение в диаметъра), както и за създаване на частици с размери под 200 nm с тясно разпределение на размера. . Вътрешната структура на такива частици е фрактална: частиците се състоят от плътно опаковани по-малки сфери (няколко десетки нанометра в диаметър) и всяка такава сфера е образувана от силициеви полихидроксови комплекси, състоящи се от 10–100 атома.
Следващият етап е отлагането на частици (фиг. 3.99). Може да продължи няколко месеца. След завършване на етапа на отлагане се образува плътно опакована периодична структура. След това утайката се изсушава и отгрява при температура около 600 ºС. По време на отгряването сферите омекват и се деформират в точките на контакт. В резултат на това порьозността на синтетичните опали е по-малка, отколкото при идеална плътна сферична опаковка. Перпендикулярно на посоката на оста на растеж на фотонния кристал, глобулите образуват силно подредени хексагонални плътно опаковани слоеве.
Ориз. 3,99. Етапи на отглеждане на синтетични опали: а) отлагане на частици;
б) изсушаване на утайката; в) отгряване на пробата
На фиг. 3.100a показва микроснимка на синтетичен опал, получен чрез сканираща електронна микроскопия. Размерите на сферите са 855 nm. Наличието на отворена порьозност в синтетичните опали дава възможност за запълване на празнини с различни материали. Опаловите матрици са триизмерни подрешетки от взаимосвързани наноразмерни пори. Размерите на порите са от порядъка на стотици нанометри, а размерите на каналите, свързващи порите, достигат десетки нанометри. По този начин се получават нанокомпозити на основата на фотонни кристали. Основното изискване, поставено при създаването на висококачествени нанокомпозити, е пълнотата на запълване на нанопорестото пространство. Пълненето се извършва по различни методи: въвеждане от разтвор в стопилката; импрегниране с концентрирани разтвори, последвано от изпаряване на разтворителя; електрохимични методи, химическо отлагане на пари и др.
Ориз. 3.100. Микроснимки на фотонни кристали: а) от синтетичен опал;
б) от микросфери от полистирен
Селективното ецване на силициев оксид от такива композити води до образуването на пространствено подредени наноструктури с висока порьозност (повече от 74% от обема), наречени обърнати или обърнати опали. Този метод за получаване на фотонни кристали се нарича шаблонен метод. Като подредени монодисперсни колоидни частици, образуващи фотонен кристал, могат да действат не само частици от силициев оксид, но и например полимерни. Пример за фотонен кристал на базата на микросфери от полистирен е показан на фиг. 3.100b
Доказано е, че в зависимост от полярността на включването на фотодиодите в резонатора, възниква честотно изместване на отговора нагоре или надолу по честота с увеличаване на осветеността. Предлага се да се използва система от свързани пръстеновидни резонатори за повишаване на чувствителността на изследваните резонатори към стойността на осветеност. Показано е, че при фиксирано разстояние между свързаните резонатори честотното разделяне на отговора на системата на четни (ярки) и нечетни (тъмни) режими става с помощта на светлина. Ние сме уверени, че предложеният метод за създаване на регулируеми пръстеновидни резонатори ще направи възможно създаването на нов клас метаматериали, контролирани от светлина.
Тази работа беше подкрепена от Министерството на образованието на Руската федерация (споразумения № 14.V37.21.1176 и № 14.V37.21.1283), Фондация Династия, Фондация RFBR (проект № 13-02-00411), и стипендията на президента на Руската федерация за млади учени и докторанти през 2012 г.
Литература
1. Linden S., Enkrich C., Wegener M., Zhou J., Koschny T., Soukoulis C.M. Магнитна реакция на метаматериали при 100 терагерца // Наука. - 2004. - Т. 306. - С. 1351-1353.
2. Шелби Р., Смит Д.Р. и Шулц С. Експериментална проверка на отрицателен индекс на пречупване // Наука. - 2001. - Т. 292. - С. 77-79.
3. Gansel J.K., Thiel M., Rill M.S., Decker M., Bade K., Saile V., von Freymann G., Linden S., Wegener M. Gold Helix Photonic Metamaterial as Broadband Circular Polarizer // Science. - 2009. - Т. 325. - С. 15131515.
4. Belov P.A., Hao Y. Изобразяване на подвълнова дължина на оптични честоти с помощта на предавателно устройство, образувано от периодична слоеста метално-диелектрична структура, работеща в режим на канализиране // Physical Review B. - 2006. - V. 73. - P. 113110.
5. Леонхардти У. Оптично конформно картографиране // Наука. - 2006. - Т. 312. - С. 1777-1780.
6. Кившар Ю.С., Орлов А.А. Регулируеми и нелинейни метаматериали // Научно-технически бюлетин за информационни технологии, механика и оптика. - 2012. - № 3 (79). - С. 1-10.
7. Шадривов И.В., Морисън С.К. и Кившар Ю.С. Регулируеми резонатори с разделени пръстени за нелинейни метаматериали с отрицателен индекс // Opt. експресен. - 2006. - Т. 14. - С. 9344-9349.
8. Капитанова П.В., Масловски С.И., Шадривов И.В., Ворошилов П.М., Филонов Д.С., Белов П.А. и Кившар Ю.С. Контролиране на резонатори с разделени пръстени със светлина // Applied Physics Letters. - Т. 99. - С. 251914 (1-3).
9. Marques R., Martin F. и Sorolla M. Метаматериали с отрицателни параметри: теория, дизайн и микровълнови приложения. - NJ: Wiley & Sons, Inc., Hoboken, 2008. - 315 p.
Капитонова Полина Вячеславовна - Национален изследователски университет в Санкт Петербург
Информационни технологии, механика и оптика, кандидат на техническите науки, изследовател, [имейл защитен], [имейл защитен]
Белов Павел Александрович - Национален изследователски университет в Санкт Петербург
Информационни технологии, механика и оптика, доктор на физ.-мат. науки, гл. [имейл защитен]
АНАЛИЗ НА ЛЕНТОВАТА СТРУКТУРА НА ФОТОНЕН КРИСТАЛ С МНОЖЕСТВО ОПТИЧНИ ДЪЛЖИНИ НА СЛОЕВЕ ЗА ТЕРАХЕРЦОВИЯ ДИАПАЗОН
ОХ Денисултанов, М.К. Ходзицки
От дисперсионното уравнение за безкраен фотонен кристал се извличат формули за точното изчисляване на границите на забранената лента, ширината на забранената лента и точната позиция на центровете на забранената лента на фотонни кристали с множество дължини на оптичен слой в двуслоен клетка за терахерцовия честотен диапазон от 0,1 до 1 THz. Формулите са проверени в числената симулация на фотонни кристали чрез метода на трансферната матрица и чрез метода на крайната разлика във времевата област за първата, втората и третата кратност на оптичната дължина в двуслойна клетка на фотонен кристал. Формулите за втората кратност се потвърждават експериментално. Ключови думи: фотонен кристал, забранена лента, гранични честоти, множество оптични дължини, предавателна матрица, метаматериал.
Въведение
През последните години изследването на изкуствени среди с необичайни свойства („метаматериали“) привлече интереса на доста голям кръг от учени и инженери, което се дължи на обещаващото използване на тези среди в промишлената и военната индустрия при разработването на нови видове филтри, фазови регулатори, суперлещи, маскиращи покрития и др. . Един от видовете мета-материали е фотонен кристал, който е слоеста структура с периодични
ски променящ се индекс на пречупване. Фотонните кристали (ПК) се използват активно в лазерните технологии, средствата за комуникация, филтриране, поради такива уникални свойства като наличието на лентова структура в спектъра, супер разделителна способност, ефект на суперпризма и др. . От особен интерес е изследването на фотонни кристали в терагерцовия (THz) диапазон за спектроскопски, томографски изследвания на нови видове материали и биологични обекти. Изследователите вече са разработили двуизмерни и триизмерни персонални компютри за честотния диапазон THz и са проучили техните характеристики, но, за съжаление, в момента няма точни формули за изчисляване на характеристиките на лентовата структура на фотонен кристал, като например забранена лента, център на забранена лента, граници на забранена лента. Целта на тази работа е да се получат формули за изчисляване на характеристиките на едномерен фотонен кристал за първата, втората и третата множественост на оптичната дължина в двуслойна PC клетка и да се проверят тези формули с помощта на числена симулация с помощта на трансферна матрица метод и метод на крайните разлики във времевата област, както и експеримент в честотите на обхвата THz.
Аналитично и числено моделиране
Нека разгледаме безкраен фотонен кристал с показатели на пречупване на слоевете в двуслойна клетка n1 и n2 и дебелини на слоевете съответно d1 и d2. Тази структура се възбужда от линейно поляризирана напречна електрическа вълна (TE вълна). Вълновият вектор k е насочен перпендикулярно на PC слоевете (фиг. 1). Дисперсионното уравнение за такъв PC, получено с помощта на теоремата на Floquet и условието за непрекъснатост на компонентите на тангенциалното поле на границата на слоя, има следната форма:
C08 [kv (dx + d2)] = co8 [kg d ^] x co $ [k2 d2] -0,5)
s bt [kg e1] x bt [kg e2
където q е вълновото число на Блок; k^ =
дали пречупване; d1, d2 - дебелини на слоя.
2 l x / x p1
; / - честота; pg, p2 - индикатор
Ориз. 1. Разглеждана слоесто-периодична структура
L. и L 1! аз х. ] l! / l Peel! аз "
и " и | Г ¡4 1 ! 1) 1 1 N V и | 1 У " 11
0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6
Честота / THz
Ориз. 2. Честотна дисперсия на комплексното вълново число на Блок
Дисперсията на комплексното вълново число на Блок, получено с помощта на уравнение (1), е показано на фиг. 2. Както се вижда от фиг. 2, в границите на пропуските в лентата, аргументът на косинуса q(d1 + d2) ще приеме стойностите или 0, или n. Следователно, въз основа на това условие, можем да изчислим
за определяне на стойностите на граничните честоти, забранените ленти и центровете за забранени ленти на фотонния кристал. Въпреки това, за фотонен кристал с некратни оптични дължини на слоеве вътре в двуслойна клетка, тези формули могат да бъдат получени само в имплицитна форма. За да се получат изрични формули, трябва да се използват множество оптични дължини: nxx = n2e2; pyoh = 2хп2ё2; pyoh = 3xn2ё2... . Работата разглежда формули за 1-ва, 2-ра и 3-та кратност.
За фотонен кристал с първа множественост (nxx = n2d2), формулите за гранични честоти, ширини
забранената лента и центърът на забранената лента имат следната форма:
(/n 1 L (/n "и 1 L
0,256-1,5. „arcso81---I + 2lt
а/ = /1 -/2; /33 = /+/2-; /pz =
/ 2а; /2 = i(t +1)
0,256-1,5. „, 1H -arsco81 ----- | + 2n(t +1)
където /1 и /2 - съответно нискочестотни и високочестотни граници на забранената зона; A/ - забранена зона; /33 е центърът на забранената зона; c е скоростта на светлината; / - център на разрешеното
o n n2 зона 6 = - + -;
За PC с параметри на слоя nx = 2.9; n2 = 1,445; ех = 540 цт; e2 = 1084 μm за втората забранена зона в диапазона 0,1-1 THz, се изпълняват следните параметри на лентовата структура: /1 = 0,1332 THz; /2 = 0,1541 THz; A/ = 0.0209 THz; /zz = 0,1437 THz.
За РС, чиито оптични дължини на слоевете са свързани с равенството nxx = 2n2d2, се получават следните формули за параметрите на лентовата структура:
4 + v + U v2-4 6 + 3v-4v2 -4
4 + v-V v2 - 4 6 + 3v + ^v2 - 4
2 + в -V в2 - 4
2yt x s arcbo
B-#^4 2 + c + 4 c2 - 4
V-#^4 2 + v + l/v2 - 4
4 + v-Vv2 -4 6 + 3v + 4v2 - 4
4 + v + Uv2 - 4 6 + 3v-4v2 -4
където (/1 и /11), (/2 и /21), (/3 и /31), (/4 и /41) - нискочестотните и високочестотните граници са забранени
ny зони с номера (4t + 1), (4t + 2), (4t + 3), (4t + 4), съответно; c е скоростта на светлината; P= - + -;
m = 0.1.2,.... Забранената зона се изчислява като A/ = /-/x; център на забранената лента
, / + /x. d /sz = ^ ; /pz - центърът на разрешената зона.
За FC с параметри nx = 2.9; n2 = 1,445; ех = 540 цт; e2 = 541,87 μm за втората забранена лента в диапазона 0,1-1 THz, имаме
/2 = 0,116 THz; /2x = 0,14 THz; A/ = 0.024 THz; /zz = 0,128 THz.
За фотонен кристал, чиито оптични дължини са свързани с равенството nxx = 3n2d2, се получават следните формули за параметрите на лентовата структура:
1 -0,5ß + ^/2,25ß2 -ß-7 3 + 2,5ß-^/ 2,25ß2-ß-7
1 -0.5ß-^2.25ß2 -ß-7 3 + 2.5ß + V 2.25ß2-ß-7
1 -0.5ß-J2.25ß2 -ß-7 3 + 2.5ß + yl2.25ß2 - ß - 7
1 - 0.5ß + 72.25ß2 - ß - 7 3 + 2.5ß-sj2.25ß2 -ß-7
където (/1 и /11), (/2 и /2), (/3 и /) са нискочестотните и високочестотните пропуски в лентата с
числа (3m+1), (3m+2), (3m+3), съответно; c е скоростта на светлината; p = - + -; t = 0,1,2,... Ширина
забранената лента се изчислява като D/ = / - /1; център на забранената лента /zz =
разрешена зона.
За компютър с параметри n1 = 2.9; n2 = 1,445; = 540 цт; d2 = 361,24 μm за втората забранена лента в диапазона 0,1-1 THz, имаме
/2 = 0,1283 THz; = 0.1591 THz; D/ = 0.0308 THz; /zz = 0,1437 THz.
За да симулирате компютър с крайна дължина, е необходимо да използвате метода на трансферните матрици, който ви позволява да изчислите стойността на електромагнитното поле на вълна, преминаваща през фотонен кристал в произволна точка на 2-ри слой. Трансферната матрица за един слой е както следва:
cos(k0 x n x p x sin(k0
: z x cos 0) x n x z x cos 0)
(-i / p) x sin(k0 x n x z x cos 0)
където k0 = -; p = - cos 0; n = ; z - координата по оста Oz; 0 - ъгъл на падане на вълната върху първия слой.
Използвайки метода на трансферните матрици, в математическия пакет MATLAB, лентовата структура на фотонен кристал е конструирана за оптичните дължини на слоевете в двуслойна клетка от 1-ва, 2-ра и 3-та множественост), в честотния диапазон THz (за 0=0) с 10 единични клетки с параметрите на слоя, посочени по-горе (фиг. 3).
Както се вижда от фиг. 3, в спектъра на предаване на персонални компютри от 1-ва, 2-ра и 3-та множественост има пропуски в лентата, които са кратни на две, три и четири, съответно, в сравнение със структурата на лентата на персонални компютри с некратни оптични дължини на слоеве вътре в единичната клетка. И за трите случая на множественост относителната грешка при изчисляване на параметрите на лентовата структура на крайния PC не надвишава 1% в сравнение с формулите за безкрайния PC (забранената лента е изчислена на ниво 0,5 от пропускливостта за крайния компютър).
Също така, структурата на едномерен компютър беше изчислена чрез метода на крайната разлика във времевия домейн, като се използва софтуерният пакет за триизмерно моделиране на CST Microwave Studio (фиг. 4). Може да се види същото поведение на лентовата структура на крайния компютър, както за спектрите на предаване, получени чрез метода на трансферната матрица. Относителната грешка при изчисляване на параметрите на лентовата структура на ограничен компютър в този симулационен пакет не надвишава 3% в сравнение с формулите за безкраен компютър.
Цж.М.
пШшШШ) sschm
pxx=3n2ё2 Честота / THz
Ориз. Фиг. 3. Лентова структура на фотонен кристал за три множества, оптични дължини на слоеве в двуслойна клетка в честотния диапазон на THz (цифрите показват номера на пропускащата лента, стрелките показват падащото меню
забранени зони)
Аз-е-е т о
pyoh \u003d 2p2ё2 -ДА / ut1
pxx=3n2ё2 Честота, THz
Ориз. Фиг. 4. Триизмерен модел на PC в MA (a) и пропускателната способност на PC за три множества (b)
експериментална част
Случаят на 2-ра множественост беше проверен експериментално чрез метода на непрекъсната THz спектроскопия в диапазона 0,1-1 THz. Методът на смесване на честотите на инфрачервеното лъчение върху фотопроводима (FC) антена беше използван за генериране на THz лъчение. Втората FP антена е използвана като приемник. Сглобен компютър беше инсталиран между предавателната и приемната компютърна антена (фиг. 5).
Изследваният фотонен кристал има следните параметри: брой двуслойни клетки -3; показателите на пречупване на слоевете - nx = 2,9 и n2 = 1,445; дебелини на слоя - ех = 540 μm и е2 = 520 μm (е2 е с 21 μm по-малко от случая на идеална 2-ра кратност). На фиг. 5 показва сравнение на експерименталните и теоретичните спектри за 4 и 5 ленти. Както може да се види от експерименталната графика, както и за симулация, се наблюдава забранена лента, която е кратна на три, в сравнение с лентовата структура на компютър с некратни оптични дължини на слоевете вътре в единичната клетка. Леко несъответствие между позициите на центровете на забранените зони в експерименталните и теоретичните
тичният спектър се дължи на разликата в дебелината на тефлоновите слоеве в експеримента от идеалната 2-ра множественост.
1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3
0,3 0,35 0,4 0,45 0,5 Честота, THz
Експериментирайте
Моделиране
Ориз. Фиг. 5. Снимка на инсталацията, снимка на фотонен кристален модел (а) и сравнителна графика на експерименталната и теоретична пропускливост на фотонен кристал с три елементарни
клетки (б)
Заключение
По този начин бяха получени точни формули за изчисляване на параметрите на структурата на лентата (забранена зона, граници на забранената зона и център на забранената лента) на едномерни фотонни кристали с множество дължини на оптичен слой вътре в двуслойна единична клетка за случай на TE вълна с вълнов вектор перпендикулярен на равнините на фотонните слоеве.кристал. Беше демонстрирано за фотонен кристал от 1-ва, 2-ра и 3-та множественост изчезването на пропуските в лентите, кратни съответно на две, три, четири, в сравнение с лентовата структура на фотонни кристали с некратни оптични дължини на слоевете вътре в единичната клетка. Формулите за 1-ва, 2-ра и 3-та множественост бяха тествани с помощта на метода на трансферната матрица и 3D числени симулации с крайна разлика във времевата област. Случаят на 2-ра множественост беше проверен експериментално в THz честотен диапазон от 0,1 до 1 THz. Получените формули могат да се използват за разработване на широколентови филтри, базирани на фотонни кристали за промишлени, военни и медицински приложения, без да е необходимо да се моделира лентовата структура на фотонен кристал в различни математически пакети.
Работата е частично подкрепена от безвъзмездна помощ № 14.132.21.1421 в рамките на Федералната целева програма „Научни и научно-педагогически кадри на иновативна Русия“ за 2009-2013 г.
Литература
1. Вендик И.Б., Вендик О.Г. Метаматериали и тяхното приложение в микровълновата технология (Преглед) // Вестник на техническата физика. - Санкт Петербургски електротехнически университет "ЛЕТИ". - 2013. - Т. 83. - Бр. 1. - С. 3-26.
2. Возианова А.В., Ходзицки М.К. Маскиращо покритие на базата на спирални резонатори // Научно-технически бюлетин за информационни технологии, механика и оптика. - 2012. - № 4 (80). -ОТ. 28-34.
3. Терехов Ю.Е., Ходзицки М.К., Белокопитов Г.В. Характеристики на метафилми за терагерцовия честотен диапазон с мащабиране на геометрични параметри // Научно-технически бюлетин за информационни технологии, механика и оптика. - 2013. - № 1 (83). - С. 55-60.
4. Yablonovitch E. Инхибирано спонтанно излъчване във физиката на твърдото тяло и електрониката // Physical Review Letters. - 1987. - Т. 58. - № 20. - С. 2059-2062.
5. Фиготин А., Кучмент П. Зонова структура на спектри на периодични диелектрични и акустични среди. II. Двуизмерни фотонни кристали // SIAM Journal on Applied Mathematics. - 1996. - Т. 56. - № 6. - С. 1561-1620.
6. Смолянинов Игор И., Дейвис Кристофър С. Оптична микроскопия със супер разделителна способност, базирана на фотонни кристални материали // Физически преглед Б. - 2005. - Т. 72. - С. 085442.
7. Косака Хидео, Кавашима Такаюки, Томита Акихиса. Суперпризматични явления във фотонни кристали // Физически преглед Б. - 1998. - Т. 58. - № 16. - С. 10096-10099.
8. Кърт Хамза, Ерим Мухамед Неджип, Ерим Нур. Различни фотонни кристални биосензорни конфигурации, базирани на режими на оптична повърхност // Катедра по електротехника и електроника. - 2012. - Т. 165. - № 1. - С. 68-75.
9. Ozbay E., Michel E., Tuttle G., Biswas R., Sigalas M. и Ho K.M. Микромашинно обработени фотонни кристали с междинна лента с милиметрови вълни // Appl. Phys. Lett. - 1994. - Т. 64. - № 16. - С. 2059-2061.
10. Jin C., Cheng B., Li Z., Zhang D., Li L.M., Zhang Z.Q. Двуизмерен метален фотонен кристал в диапазона THz // Opt. общ. - 1999. - V. 166. - No. 9. - P. 9-13.
11. Nusinsky Inna и Hardy Amos A. Band-gap анализ на едномерни фотонни кристали и условия за затваряне на празнина // Физически преглед B. - 2006. - V. 73. - P. 125104.
12. Бас Ф.Г., Булгаков А.А., Тетервов А.П. Високочестотни свойства на полупроводници със свръхрешетки. - М.: Наука. гл. изд. физ.-мат. лит., 1989. - 288 с.
13. Роден М., Волф Е. Основи на оптиката. - М.: Наука. гл. изд. физ.-мат. лит., 1973. - 733 с.
14. Gregory I.S., Tribe W.R., Baker C. Терахерцова система с непрекъсната вълна с 60 dB динамичен диапазон // Applied Phisics Letters. - 2005. - Т. 86. - С. 204104.
Денисултанов Алауди Хожбаудиевич
Ходзицки Михаил Константинович
Санкт Петербургски национален изследователски университет по информационни технологии, механика и оптика, студент, [имейл защитен]
Национален изследователски университет по информационни технологии, механика и оптика в Санкт Петербург, кандидат на физ.-мат. науки, асистент, [имейл защитен]
) — материал, чиято структура се характеризира с периодична промяна на коефициента на пречупване в 1, 2 или 3 пространствени посоки.
Описание
Отличителна черта на фотонните кристали (ФК) е наличието на пространствено периодична промяна в коефициента на пречупване. В зависимост от броя на пространствените посоки, по които индексът на пречупване се променя периодично, фотонните кристали се наричат едномерни, двумерни и триизмерни или съкратено 1D PC, 2D PC и 3D PC (D - от английското измерение) , съответно. Обикновено структурата на 2D PC и 3D PC е показана на фиг.
Най-впечатляващата характеристика на фотонните кристали е наличието в 3D компютър с достатъчно голям контраст в показателите на пречупване на компонентите на определени спектрални области, наречени общи фотонни пропуски (PBGs): съществуването на радиация с фотонна енергия, принадлежаща на PBG в такива кристали е невъзможен. По-специално, радиация, чийто спектър принадлежи към PBG, не прониква в компютъра отвън, не може да съществува в него и се отразява напълно от границата. Забраната се нарушава само ако има структурни дефекти или ако размерът на компютъра е ограничен. В този случай целенасочено създадените линейни дефекти са с малки загуби при огъване (до микронни радиуси на кривина), точковите дефекти са миниатюрни резонатори. Практическото прилагане на потенциалните възможности на 3D PC въз основа на широките възможности за управление на характеристиките на светлинните (фотонни) лъчи едва започва. То се затруднява от липсата на ефективни методи за създаване на висококачествени 3D персонални компютри, методи за целенасочено формиране на локални нехомогенности, линейни и точкови дефекти в тях, както и методи за взаимодействие с други фотонни и електронни устройства.
Значително по-голям напредък е постигнат към практическото приложение на 2D персонални компютри, които се използват, като правило, под формата на планарни (филмови) фотонни кристали или под формата на (PCF) (вижте подробности в съответните статии).
PCF са двуизмерна структура с дефект в централната част, издължена в перпендикулярна посока. Като фундаментално нов тип оптични влакна, PCF предоставят възможности за транспортиране на светлинни вълни и управление на светлинни сигнали, които са недостъпни за други видове.
Едномерните PC (1D PC) са многослойна структура от редуващи се слоеве с различни индекси на пречупване. В класическата оптика, много преди появата на термина "фотонен кристал", беше добре известно, че в такива периодични структури характерът на разпространението на светлинните вълни се променя значително поради явленията на интерференция и дифракция. Например, многослойните отразяващи покрития отдавна се използват широко за производството на огледала и филмови интерферентни филтри и обемни решетки на Bragg като спектрални селектори и филтри. След като терминът PC стана широко използван, такива слоести среди, в които индексът на пречупване периодично се променя в една посока, започнаха да се приписват на класа на едномерните фотонни кристали. При перпендикулярно падане на светлината спектралната зависимост на коефициента на отражение от многослойни покрития е така наречената "таблица на Брег" - при определени дължини на вълната коефициентът на отражение бързо се доближава до единица с увеличаване на броя на слоевете. Светлинните вълни, попадащи в спектралния диапазон, показан на фиг. b стрелка, са почти напълно отразени от периодичната структура. Съгласно терминологията на FK, този диапазон от дължини на вълните и съответният диапазон от фотонни енергии (или енергийната лента) са забранени за светлинни вълни, разпространяващи се перпендикулярно на слоевете.
Потенциалът за практическо приложение на компютрите е огромен поради уникалните възможности за контролиране на фотони и все още не е напълно проучен. Няма съмнение, че през следващите години ще бъдат предложени нови устройства и структурни елементи, вероятно фундаментално различни от тези, които се използват или разработват днес.
Огромни перспективи за използването на персонални компютри във фотониката бяха реализирани след публикуването на статия от Е. Яблонович, в която беше предложено да се използват персонални компютри с пълни PBG за контрол на спектъра на спонтанните емисии.
Сред фотонните устройства, които могат да се очакват в близко бъдеще, са следните:
- ултрамалки FK лазери с нисък праг;
- свръхярки компютри с контролиран спектър на излъчване;
- субминиатюрни FK вълноводи с микронен радиус на огъване;
- фотонни интегрални схеми с висока степен на интеграция, базирани на планарни компютри;
- миниатюрни FK спектрални филтри, включително регулируеми;
- FK устройства на оптична памет с произволен достъп;
- FK устройства за обработка на оптични сигнали;
- средство за доставяне на високомощно лазерно лъчение на базата на PCF с куха сърцевина.
Най-примамливото, но и най-трудното за изпълнение приложение на триизмерните персонални компютри е създаването на свръхголеми обемно интегрирани комплекси от фотонни и електронни устройства за обработка на информация.
Други потенциални приложения за 3D фотонни кристали включват производството на изкуствени бижута на основата на опал.
В природата се срещат и фотонни кристали, които придават допълнителни нюанси на цвета на света около нас. Така седефеното покритие на черупките на мекотели, като халиотис, има 1D FC структура, антените на морска мишка и четините на многощетинковия червей са 2D FC, а естествените полускъпоценни опали и крила на африканска лястовича опашка пеперудите (Papilio ulysses) са естествени триизмерни фотонни кристали.
Илюстрации
|
а– структура на двумерен (отгоре) и триизмерен (отдолу) компютър; bе ширината на забранената лента на едномерен PC, образуван от слоеве GaAs/AlxOy с четвърт дължина на вълната (забранената зона е показана със стрелка); ве обърнат никел FC, получен от персонала на Московския държавен университет FNM. М.В. Ломоносова Н.А. Саполотова, К.С. Наполски и А.А. Елисеев |
2
Въведение От древни времена човек, който е намерил фотонен кристал, е бил очарован от специална преливаща се игра на светлина в него. Установено е, че преливащи се преливания от люспи и пера на различни животни и насекоми се дължат на наличието на надстройки върху тях, които са получили името фотонни кристали за своите отразяващи свойства. Фотонните кристали се срещат в природата в/върху: минерали (калцит, лабрадорит, опал); на крилете на пеперудите; черупки от бръмбари; очите на някои насекоми; водорасли; люспи от риба; паунови пера. 3
Фотонни кристали Това е материал, чиято структура се характеризира с периодична промяна на коефициента на пречупване в пространствени посоки Фотонен кристал на базата на алуминиев оксид. М. ДЮБЕЛ, Г.В. ФРЕЙМАН, МАРТИН ВЕГЕНЕР, СУРЕШ ПЕРЕЙРА, КЪРТ БУШ И КОСТАС М. СУКУЛИС „Директно лазерно писане на триизмерни фотонно-кристални шаблони за телекомуникации“// Природни материали, том. 3, стр
Малко история… 1887 г. Rayleigh е първият, който изследва разпространението на електромагнитни вълни в периодични структури, което е аналогично на едномерния фотонен кристал Photonic Crystals – терминът е въведен в края на 1980-те години. за обозначаване на оптичния аналог на полупроводниците. Това са изкуствени кристали, направени от полупрозрачен диелектрик, в който въздушни "дупки" са създадени по подреден начин. 5
Фотонни кристали – бъдещето на световната енергетика Високотемпературните фотонни кристали могат да действат не само като източник на енергия, но и като изключително висококачествени детектори (енергийни, химически) и сензори. Фотонните кристали, създадени от учени от Масачузетс, са базирани на волфрам и тантал. Това съединение е способно да работи задоволително при много високи температури. До ˚С. За да може фотонният кристал да започне да преобразува един вид енергия в друг, удобен за използване, всеки източник (топлинен, радиоизлъчване, твърда радиация, слънчева светлина и т.н.) ще свърши работа. 6
7
Дисперсионен закон на електромагнитните вълни във фотонен кристал (диаграма на разширените зони). Дясната страна показва за дадена посока в кристала връзката между честотата? и стойностите на ReQ (плътни криви) и ImQ (пунктирана крива в зоната на спиране омега -
Теория за фотонни пролуки Едва през 1987 г. Ели Яблонович от Bell Communications Research (сега професор в UCLA) въвежда понятието за пролука в електромагнитната лента. За разширяване на хоризонтите: Лекция на Eli Yablonovitch yablonovitch-uc-berkeley/view Лекция на John Pendry john-pendry-imperial-college/view 9
В природата също се срещат фотонни кристали: върху крилете на африканските пеперуди лястовича опашка, седефеното покритие на черупките на мекотели, като галиотис, ракообразните раковини на морската мишка и четините на многочетинковия червей. Снимка на гривна с опал. Опалът е естествен фотонен кристал. Наричат го „камъкът на измамните надежди“ 10
11
Без нагряване и фотохимично разрушаване на пигментното покритие" title="(!LANG: Предимства на филтри, базирани на FA пред механизма на абсорбиране (абсорбиращ механизъм) за живи организми: Интерферентното оцветяване не изисква абсорбиране и разсейване на светлинна енергия, => без нагряване и фотохимично разрушаване на пигментното покритие" class="link_thumb"> 12 !}Предимства на FA-базирани филтри пред абсорбционния механизъм (поглъщащ механизъм) за живи организми: Интерферентното оцветяване не изисква абсорбиране и разсейване на светлинна енергия, => няма нагряване и фотохимично разрушаване на пигментното покритие. Пеперудите, живеещи в горещ климат, имат ирисцентен модел на крилата и е установено, че структурата на фотонния кристал на повърхността намалява абсорбцията на светлина и следователно нагряването на крилата. Морската мишка използва фотонни кристали от дълго време. 12 няма нагряване и фотохимично разрушаване на пигментното покритие "> няма нагряване и фотохимично разрушаване на пигментното покритие. Пеперудите, живеещи в горещ климат, имат ирисцентен модел на крилата и структурата на фотонния кристал на повърхността, както се оказа, намалява абсорбцията на светлина и следователно нагряването на крилата. Морската мишка вече използва фотонни кристали на практика от дълго време. , => няма нагряване и фотохимично разрушаване на пигмента"> title="Предимства на базираните на FA филтри пред абсорбционния механизъм (абсорбиращ механизъм) за живи организми: Интерферентното оцветяване не изисква абсорбция и разсейване на светлинна енергия, => няма нагряване и фотохимично разрушаване на пигментното покритие"> !}
Ирисцентна пеперуда Morpho didius и микроснимка на нейното крило като пример за дифракционна биологична микроструктура. Преливащ естествен опал (полускъпоценен камък) и изображение на неговата микроструктура, състояща се от плътно опаковани сфери от силициев диоксид. 13
Класификация на фотонни кристали 1. Едномерни. При което индексът на пречупване се променя периодично в една пространствена посока, както е показано на фигурата. На тази фигура символът Λ обозначава периода на промяна на индекса на пречупване и показателите на пречупване на двата материала (но по принцип могат да присъстват произволен брой материали). Такива фотонни кристали се състоят от слоеве от различни материали, успоредни един на друг с различни индекси на пречупване и могат да проявяват своите свойства в една пространствена посока, перпендикулярна на слоевете. четиринадесет
2. Двуизмерен. При което индексът на пречупване се променя периодично в две пространствени посоки, както е показано на фигурата. На тази фигура фотонният кристал е създаден от правоъгълни области с индекс на пречупване n1, които са в среда с индекс на пречупване n2. В този случай областите с индекс на пречупване n1 са подредени в двумерна кубична решетка. Такива фотонни кристали могат да проявяват свойствата си в две пространствени посоки, а формата на областите с индекс на пречупване n1 не е ограничена до правоъгълници, както е на фигурата, но може да бъде всяка (кръгове, елипси, произволни и т.н.). Кристалната решетка, в която са подредени тези региони, също може да бъде различна, а не само кубична, както е на фигурата. петнадесет
3. Триизмерен. При което показателят на пречупване периодично се изменя в три пространствени посоки. Такива фотонни кристали могат да проявяват свойствата си в три пространствени посоки и могат да бъдат представени като масив от обемни области (сфери, кубове и т.н.), подредени в триизмерна кристална решетка. 16
Приложения на фотонни кристали Първото приложение е разделяне на спектрални канали. В много случаи не един, а няколко светлинни сигнала преминават по оптично влакно. Понякога те трябва да бъдат сортирани - да изпратите всеки по отделен път. Например – оптичен телефонен кабел, по който се водят няколко разговора едновременно на различна дължина на вълната. Фотонният кристал е идеален инструмент за "изрязване" на желаната дължина на вълната от потока и насочването й там, където е необходимо. Вторият е кръст за светлинни потоци. Такова устройство, което предпазва светлинните канали от взаимно влияние, когато те се пресичат физически, е абсолютно необходимо при създаването на лек компютър и леки компютърни чипове. 17
Фотонни кристали в телекомуникациите Не изминаха толкова много години от началото на първите разработки, тъй като на инвеститорите стана ясно, че фотонните кристали са оптични материали от фундаментално нов тип и че имат светло бъдеще. Изходът от развитието на фотонни кристали от оптичния диапазон до нивото на търговско приложение най-вероятно ще се случи в областта на телекомуникациите. осемнадесет
21
Предимства и недостатъци на литографските и холографските методи за получаване на FC Плюсове: високо качество на образуваната структура. Бърза скорост на производство Лесно масово производство Недостатъци Необходимо е скъпо оборудване Възможно влошаване на остротата на ръба Трудности при изработването на настройки 22
Близък план на дъното показва оставащата грапавост от порядъка на 10 nm. Същата грапавост се вижда на нашите шаблони SU-8, направени чрез холографска литография. Това ясно показва, че тази грапавост не е свързана с процеса на производство, а по-скоро с крайната разделителна способност на фоторезиста. 24
За да се преместят основните дължини на вълните на PBGs в телекомуникационен режим от 1,5 µm и 1,3 µm, е необходимо да има разстояние от порядъка на 1 µm или по-малко в равнината на прътите. Изработените проби имат проблем: пръчките започват да влизат в контакт една с друга, което води до нежелано голямо запълване на фракцията. Решение: Намаляване на диаметъра на пръта, следователно запълване на фракцията, чрез ецване в кислородна плазма 26
Оптични свойства на PC Поради периодичността на средата, разпространението на радиация във фотонния кристал става подобно на движението на електрон в обикновен кристал под действието на периодичен потенциал. При определени условия се образуват празнини в лентовата структура на компютъра, подобно на забранените електронни ленти в естествените кристали. 27
Двуизмерен периодичен фотонен кристал се получава чрез формиране на периодична структура от вертикални диелектрични пръти, поставени в квадратно гнездо върху субстрат от силициев диоксид. Чрез поставяне на "дефекти" във фотонен кристал е възможно да се създадат вълноводи, които, огънати под произволен ъгъл, дават 100% предаване Двуизмерни фотонни структури с ширина на лентата 28
Нов метод за получаване на структура с поляризационно-чувствителни фотонни забранени зони Разработване на подход за комбиниране на структурата на фотонна забранена лента с други оптични и оптоелектронни устройства Наблюдение на границите на късите и дългите вълни. Целта за опит е: 29
Основните фактори, които определят свойствата на структурата на фотонната лента (PBG), са рефракционният контраст, съотношението на високите и ниските индекси на материала в решетката и разположението на елементите на решетката. Конфигурацията на използвания вълновод е сравнима с тази на полупроводников лазер. Масивът представлява много малки (100 nm в диаметър) отвори, гравирани върху сърцевината на вълновода, образуващи шестоъгълна решетка 30
Фиг.2a Скица на решетката и зоната на Брилоен, илюстрираща посоките на симетрия в хоризонтална плътно опакована решетка. b, c Измерване на характеристиките на предаване на 19-nm фотонна решетка. 31 зони на Брилюен със симетрични посоки
Фиг.4 Снимки на електрическото поле на профилите на пътуващи вълни, съответстващи на лента 1 (a) и лента 2 (b), близо до точката K за TM поляризация. В a полето има същата отражателна симетрия спрямо равнината y-z като плоската вълна, така че трябва лесно да взаимодейства с входящата равнинна вълна. За разлика от това, в b полето е асиметрично, което не позволява това взаимодействие да се случи. 33
Заключения: PBG структурите могат да се използват като огледала и елементи за директен контрол на излъчването в полупроводникови лазери. Демонстрацията на PBG концепции във вълноводната геометрия ще позволи реализацията на много компактни оптични елементи. че ще бъде възможно да се използват нелинейни ефекти 34
През последното десетилетие развитието на микроелектрониката се забави, тъй като границите на скоростта на стандартните полупроводникови устройства вече са практически достигнати. Все по-голям брой изследвания са посветени на развитието на области, алтернативни на полупроводниковата електроника - това са спинтрониката, микроелектрониката със свръхпроводящи елементи, фотониката и някои други.
Новият принцип на предаване и обработка на информация с помощта на светлинен сигнал, а не на електрически сигнал, може да ускори настъпването на нов етап в информационната ера.
От прости кристали до фотонни
Основата на електронните устройства на бъдещето могат да бъдат фотонни кристали - това са синтетични подредени материали, в които диелектричната константа се променя периодично вътре в структурата. В кристалната решетка на традиционния полупроводник закономерността, периодичността на подреждането на атомите води до образуването на така наречената лентова енергийна структура - с разрешени и забранени зони. Електрон, чиято енергия попада в разрешената лента, може да се движи през кристала, докато електрон с енергия в забранената зона е "заключен".
По аналогия с обикновения кристал възниква идеята за фотонен кристал. При него периодичността на диелектричната проницаемост предизвиква появата на фотонни зони, в частност забранената зона, в рамките на която се потиска разпространението на светлина с определена дължина на вълната. Тоест, тъй като са прозрачни за широк спектър от електромагнитно излъчване, фотонните кристали не пропускат светлина с избрана дължина на вълната (равна на два пъти периода на структурата по дължината на оптичния път).
Фотонните кристали могат да имат различни размери. Едномерните (1D) кристали са многослойна структура от редуващи се слоеве с различни индекси на пречупване. Двумерните фотонни кристали (2D) могат да бъдат представени като периодична структура от пръчки с различна диелектрична проницаемост. Първите синтетични прототипи на фотонни кристали са били триизмерни и са създадени в началото на 90-те години от персонала на изследователския център Bell Labs(САЩ). За да получат периодична решетка в диелектричен материал, американски учени пробиват цилиндрични отвори по такъв начин, че да получат триизмерна мрежа от кухини. За да може материалът да стане фотонен кристал, диелектричната му проницаемост е модулирана с период от 1 сантиметър във всичките три измерения.
Естествени аналози на фотонни кристали са седефени покрития от черупки (1D), антени на морска мишка, многощетинков червей (2D), крила на африканска пеперуда платноходка и полускъпоценни камъни като опал (3D).
Но дори и днес, дори с помощта на най-модерните и скъпи методи на електронна литография и анизотропно йонно ецване, е трудно да се произвеждат бездефектни триизмерни фотонни кристали с дебелина повече от 10 структурни клетки.
Фотонните кристали трябва да намерят широко приложение във фотонните интегрални технологии, които в бъдеще ще заменят електрическите интегрални схеми в компютрите. Когато информацията се предава с помощта на фотони вместо електрони, консумацията на енергия ще бъде рязко намалена, тактовите честоти и скоростта на трансфер на информация ще се увеличат.
Фотонен кристал от титанов оксид
Титановият оксид TiO 2 има набор от уникални характеристики като висок индекс на пречупване, химическа стабилност и ниска токсичност, което го прави най-обещаващият материал за създаване на едномерни фотонни кристали. Ако разгледаме фотонни кристали за слънчеви клетки, тогава титановият оксид печели тук поради своите полупроводникови свойства. По-рано беше демонстрирано повишаване на ефективността на слънчевите клетки, използващи полупроводников слой с периодична фотонна кристална структура, включително фотонни кристали от титанов оксид.
Но досега използването на фотонни кристали на базата на титанов диоксид е ограничено от липсата на възпроизводима и евтина технология за тяхното създаване.
Нина Саполетова, Сергей Кушнир и Кирил Наполски, членове на Факултета по химия и Факултета по материалознание на Московския държавен университет, подобриха синтеза на едномерни фотонни кристали на базата на порести филми от титанов оксид.
„Анодирането (електрохимично окисление) на вентилни метали, включително алуминий и титан, е ефективен метод за получаване на порести оксидни филми с нанометрови канали“, обясни Кирил Наполски, ръководител на групата за електрохимично наноструктуриране, кандидат на химическите науки.
Анодирането обикновено се извършва в двуелектродна електрохимична клетка. Две метални пластини, катод и анод, се спускат в разтвора на електролита и се прилага електрическо напрежение. На катода се отделя водород, а на анода се извършва електрохимично окисляване на метала. Ако напрежението, приложено към клетката, се променя периодично, тогава върху анода се образува порест филм с порьозност, определена в дебелина.
Ефективният индекс на пречупване ще бъде модулиран, ако диаметърът на порите се променя периодично в структурата. Разработените по-рано техники за анодиране на титан не позволиха получаването на материали с висока степен на структурна периодичност. Химици от Московския държавен университет разработиха нов метод за анодиране на метал с модулация на напрежението в зависимост от анодизиращия заряд, който позволява създаването на порести анодни метални оксиди с висока точност. Възможностите на новата техника бяха демонстрирани от химиците, използвайки като пример едномерни фотонни кристали от аноден титанов оксид.
В резултат на промяна на анодизиращото напрежение по синусоидален закон в диапазона 40–60 волта учените получиха нанотръби от аноден титанов оксид с постоянен външен диаметър и периодично променящ се вътрешен диаметър (вижте фигурата).
„Методите на анодиране, използвани по-рано, не позволиха получаването на материали с висока степен на структурна периодичност. Разработихме нова методология, чийто основен компонент е на място(непосредствено по време на синтеза) измерване на анодизиращия заряд, което позволява да се контролира с висока точност дебелината на слоевете с различна порьозност в образувания оксиден филм “, обясни един от авторите на работата, кандидат на химическите науки Сергей Кушнир.
Разработената техника ще опрости създаването на нови материали с модулирана структура на базата на анодни метални оксиди. „Ако разгледаме използването на фотонни кристали от аноден титанов оксид в слънчеви клетки като практическо приложение на техниката, тогава остава систематично изследване на влиянието на структурните параметри на такива фотонни кристали върху ефективността на преобразуване на светлината в слънчевите клетки. да бъдат изпълнени“, уточни Сергей Кушнир.
