Fotonski kristal. Elektrohemija fotonskih kristala od jednostavnih kristala do fotonskih kristala
Klasifikacija metoda za proizvodnju fotonskih kristala. Fotonski kristali u prirodi su rijetkost. Odlikuje ih posebna iridescentna igra svjetlosti - optički fenomen koji se zove irizacija (u prijevodu s grčkog - duga). Ovi minerali uključuju kalcit, labradorit i opal SiO 2 ×n∙H 2 O sa različitim inkluzijama. Najpoznatiji među njima je opal - poludragi mineral, koji je koloidni kristal koji se sastoji od monodisperznih sfernih globula silicijum oksida. Iz igre svjetlosti u potonjem dolazi i termin opalescencija, koji označava posebnu vrstu rasipanja zračenja karakterističnu samo za ovaj kristal.
Glavne metode za proizvodnju fotonskih kristala uključuju metode koje se mogu podijeliti u tri grupe:
1. Metode koje koriste spontano formiranje fotonskih kristala. Ova grupa metoda koristi koloidne čestice kao što su monodisperzne čestice silikona ili polistirena, kao i druge materijale. Takve čestice, koje se nalaze u tečnoj pari tokom isparavanja, talože se u određenoj zapremini. Kako se čestice talože jedna na drugu, one formiraju trodimenzionalni fotonski kristal i poređani su pretežno u kristalnoj rešetki usmjerenoj na lice ili heksagonalnoj kristalnoj rešetki. Moguća je i metoda saća koja se zasniva na filtriranju tečnosti u kojoj se nalaze čestice kroz male spore. Iako metoda saća omogućava formiranje kristala relativno velikom brzinom, određenom brzinom protoka tekućine kroz pore, ipak se u takvim kristalima nakon sušenja stvaraju defekti. Postoje i druge metode koje koriste spontano formiranje fotonskih kristala, ali svaka metoda ima svoje prednosti i nedostatke. Najčešće se ove metode koriste za taloženje sfernih koloidnih silikonskih čestica, međutim, rezultujući kontrast indeksa prelamanja je relativno mali.
2. Metode pomoću graviranja objekata. Ova grupa metoda koristi fotorezist masku formiranu na površini poluvodiča, koja definira geometriju područja jetkanja. Koristeći takvu masku, najjednostavniji fotonski kristal se formira urezivanjem površine poluvodiča koja nije prekrivena fotorezistom. Nedostatak ove metode je potreba za korištenjem fotolitografije visoke rezolucije na nivou desetina i stotina nanometara. Takođe, snopovi fokusiranih jona, kao što je Ga, se koriste za pravljenje fotonskih kristala jetkanjem. Takvi ionski snopovi omogućavaju uklanjanje dijela materijala bez upotrebe fotolitografije i dodatnog jetkanja. Za povećanje brzine jetkanja i poboljšanje njegovog kvaliteta, kao i za deponovanje materijala unutar ugraviranih područja, koristi se dodatni tretman potrebnim gasovima.
3. Holografske metode. Takve metode se zasnivaju na primjeni principa holografije. Uz pomoć holografije formiraju se periodične promjene indeksa prelamanja u prostornim smjerovima. Da biste to učinili, koristite interferenciju dva ili više koherentnih valova, što stvara periodičnu raspodjelu intenziteta elektromagnetnog zračenja. Jednodimenzionalni fotonski kristali nastaju interferencijom dva talasa. Dvodimenzionalni i trodimenzionalni fotonski kristali nastaju interferencijom tri ili više talasa.
Izbor specifične metode za proizvodnju fotonskih kristala u velikoj je mjeri određen okolnošću koje dimenzije strukture treba izraditi - jednodimenzionalne, dvodimenzionalne ili trodimenzionalne.
Jednodimenzionalne periodične strukture. Najjednostavniji i najčešći način za dobivanje jednodimenzionalnih periodičnih struktura je vakuum sloj po sloj taloženja polikristalnih filmova iz dielektričnih ili poluvodičkih materijala. Ova metoda je postala široko rasprostranjena u vezi s upotrebom periodičnih struktura u proizvodnji laserskih ogledala i interferencijskih filtera. U takvim strukturama, kada se koriste materijali s indeksima loma koji se razlikuju oko 2 puta (na primjer, ZnSe i Na 3 AlF 6), moguće je stvoriti spektralne refleksijske trake (fotonske pojaseve) širine do 300 nm, koje pokrivaju gotovo čitavu vidljivu oblast spektra.
Napredak u sintezi poluvodičkih heterostruktura u posljednjih nekoliko desetljeća omogućava stvaranje potpuno monokristalnih struktura s periodičnom promjenom indeksa prelamanja duž smjera rasta uz pomoć epitaksije molekularnim snopom ili taloženja parom pomoću organometalnih spojeva. Trenutno su takve strukture dio poluvodičkih lasera s vertikalnim šupljinama. Maksimalni trenutno dostižni omjer indeksa prelamanja materijala, po svemu sudeći, odgovara paru GaAs/Al 2 O 3 i iznosi oko 2. Treba napomenuti visoko savršenstvo kristalne strukture takvih ogledala i tačnost formiranja debljina sloja na nivou jednog perioda rešetke (oko 0,5 nm).
Nedavno je prikazana mogućnost stvaranja periodičnih jednodimenzionalnih poluvodičkih struktura pomoću fotolitografske maske i selektivnog jetkanja. Prilikom jetkanja silicijuma moguće je stvoriti strukture s periodom od 1 μm ili više, dok je omjer indeksa loma silicijuma i zraka 3,4 u bliskom infracrvenom području, što je neviđeno visoka vrijednost koja se ne može postići drugim metodama sinteze. . Primjer slične strukture dobijen na Fizičko-tehničkom institutu. A. F. Ioffe RAS (Sankt Peterburg), prikazan je na sl. 3.96.
Rice. 3.96. Periodična struktura silicijum-vazduh dobijena anizotropnim jetkanjem pomoću fotolitografske maske (period strukture 8 µm)
Dvodimenzionalne periodične strukture. Dvodimenzionalne periodične strukture mogu se proizvesti selektivnim jetkanjem poluprovodnika, metala i dielektrika. Tehnologija selektivnog jetkanja razvijena je za silicijum i aluminij zbog široke upotrebe ovih materijala u mikroelektronici. Porozni silicijum, na primer, smatra se perspektivnim optičkim materijalom koji će omogućiti stvaranje integrisanih optoelektronskih sistema sa visokim stepenom integracije. Kombinacija naprednih silicijumskih tehnologija sa kvantnim efektima veličine i principima formiranja fotonskih pojasnih praznina dovela je do razvoja novog pravca - silicijumske fotonike.
Upotreba submikronske litografije za formiranje maski omogućava stvaranje silikonskih struktura s periodom od 300 nm ili manje. Zbog jake apsorpcije vidljivog zračenja, fotonski kristali silicijuma mogu se koristiti samo u bliskom i srednjem infracrvenom području spektra. Kombinacija jetkanja i oksidacije, u principu, omogućava da se pređe na periodične strukture silicijum-oksid-vazduh, ali u isto vrijeme, nizak omjer indeksa prelamanja (komponenta 1,45) ne dozvoljava stvaranje punopravnog pojasa u dvije dimenzije.
Dvodimenzionalne periodične strukture poluvodičkih spojeva A 3 B 5, koje se također dobivaju selektivnim jetkanjem pomoću litografskih maski ili šablona, izgledaju obećavajuće. A 3 B 5 spojevi su glavni materijali moderne optoelektronike. Jedinjenja InP i GaAs imaju veći razmak u pojasu od silicija i iste visoke vrijednosti indeksa prelamanja kao silicijum, jednak 3,55 i 3,6, respektivno.
Vrlo su zanimljive periodične strukture na bazi aluminijum oksida (slika 3.97a). Dobivaju se elektrohemijskim jetkanjem metalnog aluminijuma, na čijoj se površini litografijom formira maska. Koristeći elektronske litografske šablone, dobijene su savršene dvodimenzionalne periodične strukture nalik na saće sa prečnikom pora manjim od 100 nm. Treba napomenuti da selektivno jetkanje aluminijuma pod određenom kombinacijom uslova jetkanja omogućava dobijanje pravilnih struktura čak i bez upotrebe bilo kakvih maski ili šablona (slika 3.97b). U ovom slučaju, promjer pora može biti samo nekoliko nanometara, što je nedostižno za moderne litografske metode. Periodičnost pora povezana je sa samoregulacijom procesa oksidacije aluminijuma tokom elektrohemijske reakcije. Početni provodljivi materijal (aluminij) tokom reakcije se oksidira u Al 2 O 3 . Aluminij oksidni film, koji je dielektrik, smanjuje struju i usporava reakciju. Kombinacija ovih procesa omogućava postizanje samoodrživog reakcijskog režima, u kojem je kontinuirano nagrizanje omogućeno prolaskom struje kroz pore, a produkt reakcije formira pravilnu strukturu saća. Do određene nepravilnosti pora (slika 3.97b) dolazi zbog granularne strukture originalnog polikristalnog aluminijskog filma.
Rice. 3.97. Dvodimenzionalni fotonski kristal Al 2 O 3: a) izrađen pomoću litografske maske; b) napravljen uz pomoć samoregulacije procesa oksidacije
Studija optičkih svojstava nanoporozne glinice pokazala je neobično visoku transparentnost ovog materijala duž smjera pora. Odsustvo Fresnelove refleksije, koja neminovno postoji na granici između dva kontinuirana medija, dovodi do toga da vrijednosti propustljivosti dostižu 98%. U pravcima okomitim na pore, primećuje se velika refleksija sa koeficijentom refleksije u zavisnosti od upadnog ugla.
Relativno niske vrijednosti permitivnosti aluminijevog oksida, za razliku od silicija, galij arsenida i indijevog fosfida, ne dopuštaju stvaranje punog pojasa u dvije dimenzije. Međutim, uprkos tome, optička svojstva porozne glinice su prilično interesantna. Na primjer, ima izraženo anizotropno raspršivanje svjetlosti, kao i dvolomnost, što mu omogućava da se koristi za rotaciju ravnine polarizacije. Različitim hemijskim metodama moguće je ispuniti pore raznim oksidima, kao i optički aktivnim materijalima, kao što su nelinearni optički mediji, organski i neorganski luminofori, te elektroluminiscentna jedinjenja.
Trodimenzionalne periodične strukture. Trodimenzionalne periodične strukture su objekti koji imaju najveće tehnološke poteškoće za eksperimentalnu implementaciju. Istorijski gledano, prvim načinom stvaranja trodimenzionalnog fotonskog kristala smatra se metoda zasnovana na mehaničkom bušenju cilindričnih rupa u zapremini materijala, koju je predložio E. Yablonovich. Izrada takve trodimenzionalne periodične strukture prilično je naporan zadatak; stoga su mnogi istraživači pokušavali stvoriti fotonski kristal drugim metodama. Tako se u metodi Lin-Fleming na silicijumsku podlogu nanosi sloj silicijum dioksida u kojem se zatim formiraju paralelne trake ispunjene polikristalnim silicijumom. Nadalje, postupak nanošenja silicijum dioksida se ponavlja, ali se trake formiraju u okomitom smjeru. Nakon stvaranja potrebnog broja slojeva, silicijum oksid se uklanja jetkanjem. Kao rezultat, formira se "gomila drva" od polisilikonskih šipki (slika 3.98). Treba napomenuti da korištenje modernih metoda submikronske elektronske litografije i anizotropnog ionskog jetkanja omogućava dobivanje fotonskih kristala debljine manje od 10 strukturnih ćelija.
Rice. 3.98. 3D fotonska struktura od polisilikonskih šipki
Metode za stvaranje fotonskih kristala za vidljivi opseg, zasnovane na korištenju samoorganizirajućih struktura, postale su široko rasprostranjene. Sama ideja "sastavljanja" fotonskih kristala iz globula (kuglica) je posuđena iz prirode. Poznato je, na primjer, da prirodni opali imaju svojstva fotonskih kristala. Po svom hemijskom sastavu, prirodni mineralni opal je hidrogel silicijum dioksida SiO 2 × H 2 O sa promenljivim sadržajem vode: SiO 2 - 65 - 90 tež. %; H 2 O - 4,5–20%; Al 2 O 3 - do 9%; Fe 2 O 3 - do 3%; TiO 2 - do 5%. Elektronskim mikroskopom je utvrđeno da prirodni opali formiraju zbijeno zbijene sferne čestice α-SiO 2, ujednačene veličine, prečnika 150–450 nm. Svaka čestica se sastoji od manjih globularnih formacija prečnika 5-50 nm. Praznine za pakovanje globula ispunjene su amorfnim silicijum oksidom. Na intenzitet difraktiranog svjetla utiču dva faktora: prvi je "idealno" gusto pakovanje globula, drugi je razlika u indeksima prelamanja amorfnog i kristalnog oksida SiO 2 . Plemeniti crni opali imaju najbolju igru svjetlosti (za njih je razlika u vrijednostima indeksa prelamanja ~ 0,02).
Od koloidnih čestica moguće je stvoriti globularne fotonske kristale na različite načine: prirodnom sedimentacijom (taloženje dispergirane faze u tekućini ili plinu pod djelovanjem gravitacijskog polja ili centrifugalnih sila), centrifugiranjem, filtracijom pomoću membrana, elektroforezom itd. Sferne čestice djeluju kao koloidne čestice polistirena, polimetil metakrilata, čestice silicijum dioksida α-SiO 2 .
Prirodna metoda padavina je vrlo spor proces, koji zahtijeva nekoliko sedmica ili čak mjeseci. Centrifugiranje u velikoj mjeri ubrzava proces formiranja koloidnih kristala, ali su materijali dobiveni na ovaj način manje uređeni, jer pri velikoj brzini taloženja nema vremena da dođe do razdvajanja čestica po veličini. Da bi se ubrzao proces sedimentacije, koristi se elektroforeza: stvara se vertikalno električno polje koje "mijenja" gravitaciju čestica ovisno o njihovoj veličini. Koriste se i metode zasnovane na upotrebi kapilarnih sila. Osnovna ideja je da pod dejstvom kapilarnih sila dolazi do kristalizacije na granici meniskusa između vertikalne podloge i suspenzije, a kako rastvarač isparava, formira se fino uređena struktura. Dodatno se koristi vertikalni temperaturni gradijent koji omogućava bolju optimizaciju brzine procesa i kvaliteta stvorenog kristala zahvaljujući konvekcijskim strujama. Općenito, izbor tehnike određen je zahtjevima za kvalitetom dobivenih kristala i vremenom utrošenim na njihovu proizvodnju.
Tehnološki proces uzgoja sintetičkih opala prirodnom sedimentacijom može se podijeliti u nekoliko faza. U početku se priprema monodisperzna (~5% odstupanja u prečniku) suspenzija sfernih globula silicijum oksida. Prosječni prečnik čestica može varirati u širokom rasponu: od 200 do 1000 nm. Najpoznatija metoda za dobijanje monodisperznih koloidnih mikročestica silicijum dioksida zasniva se na hidrolizi tetraetoksisilana Si(C 2 H 4 OH) 4 u vodeno-alkoholnom mediju u prisustvu amonijum hidroksida kao katalizatora. Ova metoda se može koristiti za dobijanje čestica sa glatkom površinom gotovo idealnog sfernog oblika sa visokim stepenom monodisperznosti (manje od 3% odstupanja u prečniku), kao i za stvaranje čestica veličine manje od 200 nm sa uskom distribucijom veličine . Unutrašnja struktura takvih čestica je fraktalna: čestice se sastoje od tijesno zbijenih manjih sfera (prečnika nekoliko desetina nanometara), a svaku takvu sferu formiraju silicijumski polihidroksi kompleksi koji se sastoje od 10-100 atoma.
Sljedeća faza je taloženje čestica (slika 3.99). Može trajati nekoliko mjeseci. Po završetku koraka taloženja, formira se zbijena periodična struktura. Zatim se talog suši i žari na temperaturi od oko 600 ºS. Tokom žarenja, sfere omekšaju i deformiraju se na mjestima dodira. Kao rezultat toga, poroznost sintetičkih opala je manja nego kod idealnog gustog sfernog pakiranja. Okomito na smjer ose rasta fotonskih kristala, globule formiraju visoko uređene heksagonalne zbijene slojeve.
Rice. 3.99. Faze uzgoja sintetičkih opala: a) taloženje čestica;
b) sušenje taloga; c) žarenje uzorka
Na sl. 3.100a prikazuje mikrografiju sintetičkog opala dobijenog skenirajućim elektronskim mikroskopom. Dimenzije sfera su 855 nm. Prisutnost otvorene poroznosti u sintetičkim opalima omogućava popunjavanje praznina različitim materijalima. Opalne matrice su trodimenzionalne podrešetke međusobno povezanih pora nano veličine. Veličine pora su reda veličine stotina nanometara, a veličine kanala koji povezuju pore dostižu desetine nanometara. Na ovaj način se dobijaju nanokompoziti na bazi fotonskih kristala. Glavni zahtjev koji se postavlja u stvaranju visokokvalitetnih nanokompozita je potpunost ispunjenja nanoporoznog prostora. Punjenje se vrši različitim metodama: uvođenje iz otopine u talinu; impregnacija koncentriranim otopinama nakon čega slijedi isparavanje rastvarača; elektrohemijske metode, hemijsko taloženje pare itd.
Rice. 3.100. Mikrofotografije fotonskih kristala: a) od sintetičkog opala;
b) od polistirenskih mikrosfera
Selektivno nagrizanje silicijum oksida iz takvih kompozita rezultira formiranjem prostorno uređenih nanostruktura visoke poroznosti (više od 74% zapremine), koje se nazivaju obrnuti ili obrnuti opali. Ova metoda dobijanja fotonskih kristala naziva se metodom šablona. Kao uređene monodisperzne koloidne čestice koje formiraju fotonski kristal, mogu djelovati ne samo čestice silicijum oksida, već i, na primjer, polimerne. Primjer fotonskog kristala na bazi polistirenskih mikrosfera prikazan je na sl. 3.100b
Pokazalo se da, u zavisnosti od polariteta uključivanja fotodioda u rezonator, dolazi do pomeranja frekvencije odziva naviše ili naniže u frekvenciji sa povećanjem osvetljenja. Predlaže se korištenje sistema spregnutih prstenastih rezonatora za povećanje osjetljivosti ispitivanih rezonatora na vrijednost osvjetljenja. Pokazano je da se za fiksno rastojanje između spregnutih rezonatora frekvencijsko cijepanje odziva sistema na parni (svijetli) i neparni (tamni) modus događa uz pomoć svjetlosti. Uvjereni smo da će predložena metoda za kreiranje podesivih prstenastih rezonatora omogućiti stvaranje nove klase metamaterijala kontroliranih svjetlom.
Ovaj rad podržali su Ministarstvo obrazovanja Ruske Federacije (sporazumi br. 14.V37.21.1176 i br. 14.V37.21.1283), Fondacija Dynasty, Fondacija RFBR (projekat br. 13-02-00411), i Stipendija predsjednika Ruske Federacije za mlade naučnike i diplomirane studente 2012.
Književnost
1. Linden S., Enkrich C., Wegener M., Zhou J., Koschny T., Soukoulis C.M. Magnetski odgovor metamaterijala na 100 teraherca // Nauka. - 2004. - V. 306. - P. 1351-1353.
2. Shelby R., Smith D.R. i Schultz S. Eksperimentalna verifikacija negativnog indeksa refrakcije // Science. - 2001. - V. 292. - P. 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 kao Broadband Circular Polarizer // Science. - 2009. - V. 325. - P. 15131515.
4. Belov P.A., Hao Y. Snimanje podtalasne dužine na optičkim frekvencijama pomoću prijenosnog uređaja formiranog od periodične slojevite metalno-dielektrične strukture koja radi u režimu kanalizacije // Physical Review B. - 2006. - V. 73. - P. 113110.
5. Leonhardti U. Optičko konformno preslikavanje // Science. - 2006. - V. 312. - P. 1777-1780.
6. Kivshar Yu.S., Orlov A.A. Podesivi i nelinearni metamaterijali // Znanstveno-tehnički bilten informacijskih tehnologija, mehanike i optike. - 2012. - br. 3 (79). - C. 1-10.
7. Shadrivov I.V., Morrison S.K. i Kivshar Yu.S. Podesivi rezonatori s podijeljenim prstenom za nelinearne metamaterijale negativnog indeksa // Opt. express. - 2006. - V. 14. - P. 9344-9349.
8. Kapitanova P.V., Maslovski S.I., Šadrivov I.V., Vorošilov P.M., Filonov D.S., Belov P.A. i Kivshar Y.S. Kontroliranje rezonatora s podijeljenim prstenom svjetlom // Applied Physics Letters. - V. 99. - P. 251914 (1-3).
9. Marques R., Martin F. i Sorolla M. Metamateriali s negativnim parametrima: teorija, dizajn i mikrovalne primjene. - NJ: Wiley & Sons, Inc., Hoboken, 2008. - 315 str.
Kapitonova Polina Vyacheslavovna - Nacionalni istraživački univerzitet u Sankt Peterburgu
Informacione tehnologije, mehanika i optika, kandidat tehničkih nauka, istraživač, [email protected], [email protected]
Belov Pavel Aleksandrovič - Nacionalni istraživački univerzitet u Sankt Peterburgu
Informacione tehnologije, mehanika i optika, doktor fiz.-mat. nauka, glavni istraživač, [email protected]
ANALIZA VRUČNE STRUKTURE FOTONSKOG KRISTALA SA VIŠE OPTIČKIH DUŽINA SLOJEVA ZA TERAHERC OPAS
OH. Denisultanov, M.K. Khodzitsky
Iz jednadžbe disperzije za beskonačan fotonski kristal, izvode se formule za precizno izračunavanje granica pojasnog pojasa, širine pojasnog pojasa i tačan položaj centara pojasnog pojasa fotonskih kristala s višestrukim dužinama optičkog sloja u dvoslojnom ćelija za teraherc frekvencijski opseg od 0,1 do 1 THz. Formule su provjerene u numeričkoj simulaciji fotonskih kristala metodom prijenosne matrice i metodom konačnih razlika u vremenskom domenu za prvu, drugu i treću višestrukost optičkih dužina u dvoslojnoj ćeliji fotonskog kristala. Formule za drugi multiplicitet su potvrđene eksperimentalno. Ključne riječi: fotonski kristal, pojasni razmak, granične frekvencije, višestruke optičke dužine, transmisiona matrica, metamaterijal.
Uvod
Proučavanje umjetnih medija neuobičajenih svojstava ("metamaterijala") posljednjih je godina privuklo interesovanje prilično velikog kruga naučnika i inženjera, što je zbog obećavajuće upotrebe ovih medija u industrijskoj i vojnoj industriji u razvoju. novih tipova filtera, faznih pomerača, superleća, maskirnih premaza itd. .d. . Jedna od vrsta metamaterijala je fotonski kristal, koji je slojevita struktura s periodičnom
indeks loma promjene skija. Fotonski kristali (PC) se aktivno koriste u laserskim tehnologijama, sredstvima komunikacije, filtriranju, zbog jedinstvenih svojstava kao što su prisutnost trakaste strukture u spektru, superrezolucija, efekat superprizma itd. . Od posebnog interesa je proučavanje fotonskih kristala u teraherc (THz) opsegu za spektroskopska, tomografska istraživanja novih vrsta materijala i bioloških objekata. Istraživači su već razvili dvodimenzionalne i trodimenzionalne računare za THz frekvencijski opseg i proučavali njihove karakteristike, ali, nažalost, u ovom trenutku ne postoje tačne formule za izračunavanje karakteristika pojasne strukture fotonskog kristala, kao što je npr. pojas pojasa, centar pojasnog pojasa, granice pojasnog pojasa. Svrha ovog rada je da se dobiju formule za izračunavanje karakteristika jednodimenzionalnog fotonskog kristala za prvu, drugu i treću višestrukost optičkih dužina u dvoslojnoj PC ćeliji i da se te formule provjere pomoću numeričke simulacije pomoću prijenosne matrice. metodu i metodu konačnih razlika u vremenskom domenu, kao i eksperiment u THz opsegu frekvencija.
Analitičko i numeričko modeliranje
Razmotrimo beskonačan fotonski kristal sa indeksima prelamanja slojeva u dvoslojnoj ćeliji n1 i n2 i debljinama sloja d1 i d2, respektivno. Ova struktura je pobuđena linearno polarizovanim poprečnim električnim talasom (TE talas). Talasni vektor k je usmjeren okomito na PC slojeve (slika 1). Jednačina disperzije za takav PC, dobijena korištenjem Floquetove teoreme i uvjeta kontinuiteta za komponente tangencijalnog polja na granici sloja, ima sljedeći oblik:
C08 [kv (dx + d2)] = co8 [kg d ^] x co $ [k2 d2] -0,5)
s bt [kg e1] x bt [kg e2
gdje je q Bloch talasni broj; k^ =
da li refrakcija; d1, d2 - debljine slojeva.
2 l x / x p1
; / - frekvencija; pg, p2 - indikator
Rice. 1. Razmatrana slojevito-periodična struktura
L. i L 1! I x. ] l! / l Oguliti! l "
i " i | G ¡4 1 ! 1) 1 1 N V i | 1 U " 11
0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6
Frekvencija / THz
Rice. 2. Frekvencijska disperzija kompleksnog Blohovog talasnog broja
Disperzija kompleksnog Blochovog talasnog broja dobijenog pomoću jednačine (1) prikazana je na Sl. 2. Kao što se može vidjeti sa sl. 2, na granicama pojasa, argument kosinusa q(d1 + d2) će poprimiti vrijednosti ili 0 ili n. Dakle, na osnovu ovog uslova možemo izračunati
za određivanje vrijednosti graničnih frekvencija, zazora i centara zazora fotonskog kristala. Međutim, za fotonski kristal sa ne-višestrukim optičkim dužinama slojeva unutar dvoslojne ćelije, ove formule se mogu dobiti samo u implicitnom obliku. Da bi se dobile eksplicitne formule, mora se koristiti više optičkih dužina: nxx = n2e2; pyoh = 2hp2ë2; pyoh = 3xn2ë2... . U radu su razmatrane formule za 1., 2. i 3. višestrukost.
Za fotonski kristal prve višestrukosti (nxx = n2d2), formule za granične frekvencije, širine
pojas i centar pojasnog pojasa imaju sljedeći oblik:
(/n 1 L (/n "i 1 L
0,256-1,5. „arcso81---I + 2lt
a/ = /1 -/2; /33 = /+/2-; /pz =
/ 2a; /2 = i(t +1)
0,256-1,5. „, 1H -arsco81 ----- | + 2n(t +1)
gdje su /1 i /2 - niskofrekventne i visokofrekventne granice zabranjene zone, respektivno; A/ - pojas; /33 je centar zabranjene zone; c je brzina svjetlosti; / - centar dozvoljenog
o n n2 zona 6 = - + -;
Za PC sa parametrima sloja nx = 2,9; n2 = 1,445; ex = 540 µm; e2 = 1084 μm za drugi pojas u opsegu 0,1-1 THz, odvijaju se sljedeći parametri strukture pojasa: /1 = 0,1332 THz; /2 = 0,1541 THz; A/ = 0,0209 THz; /zz = 0,1437 THz.
Za PC, čije su optičke dužine slojeva povezane jednakošću nxx = 2n2d2, dobiju se sljedeće formule za parametre strukture pojasa:
4 + v + U v2-4 6 + 3v-4v2 -4
4 + v-V v2 - 4 6 + 3v + ^v2 - 4
2 + in -V in2 - 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
gdje (/1 i /11), (/2 i /21), (/3 i /31), (/4 i /41) - niskofrekventne i visokofrekventne granice su zabranjene
ny zone sa brojevima (4t + 1), (4t + 2), (4t + 3), (4t + 4), respektivno; c je brzina svjetlosti; P= - + -;
m = 0.1.2,.... Razmak u pojasu se izračunava kao A/ = /-/x; bandgap centar
, / + /x. d /sz = ^ ; /pz - centar dozvoljene zone.
Za FC sa parametrima nx = 2,9; n2 = 1,445; ex = 540 µm; e2 = 541,87 μm za drugi pojas u opsegu 0,1-1 THz, imamo
/2 = 0,116 THz; /2x = 0,14 THz; A/ = 0,024 THz; /zz = 0,128 THz.
Za fotonski kristal čije su optičke dužine povezane jednakošću nxx = 3n2d2, dobiju se sljedeće formule za parametre strukture pojasa:
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
gdje su (/1 i /11), (/2 i /2), (/3 i /) niskofrekventni i visokofrekventni pojasevi sa
brojevi (3m+1), (3m+2), (3m+3), redom; c je brzina svjetlosti; p = - + -; t = 0,1,2,.... Širina
jaz se izračunava kao D/ = / - /1; centar pojasnog razmaka /zz =
dozvoljena zona.
Za PC sa parametrima n1 = 2,9; n2 = 1,445; = 540 µm; d2 = 361,24 μm za drugi pojas u opsegu 0,1-1 THz, imamo
/2 = 0,1283 THz; = 0,1591 THz; D/ = 0,0308 THz; /zz = 0,1437 THz.
Da biste simulirali PC konačne dužine, potrebno je koristiti metodu prijenosnih matrica, koja vam omogućava da izračunate vrijednost elektromagnetnog polja vala koji prolazi kroz fotonski kristal u proizvoljnoj tački 2. sloja. Matrica prijenosa za jedan sloj je sljedeća:
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)
gdje je k0 = -; p = - cos 0 ; n = ; z - koordinata na osi Oz; 0 - ugao upada talasa na prvi sloj.
Metodom transfernih matrica, u matematičkom paketu MATLAB, konstruisana je trakasta struktura fotonskog kristala za optičke dužine slojeva u dvoslojnoj ćeliji 1., 2. i 3. višestrukosti), u frekvencijskom opsegu THz. (za 0=0) sa 10 jediničnih ćelija sa gore navedenim parametrima sloja (slika 3).
Kao što se može vidjeti sa sl. 3, u spektru prenosa PC računara 1., 2. i 3. višestrukosti, postoje praznine u pojasu koje su višestruke od dva, tri, odnosno četiri, u poređenju sa strukturom pojasa PC računara sa nevišestrukim optičkim dužinama slojeva unutar jedinične ćelije. Za sva tri slučaja višestrukosti, relativna greška u proračunu parametara pojasne strukture konačnog PC-a ne prelazi 1% u poređenju sa formulama za beskonačni PC (pojasni razmak je izračunat na nivou od 0,5 transmitanse za konačni PC).
Takođe, struktura jednodimenzionalnog računara izračunata je metodom konačnih razlika u vremenskom domenu korišćenjem softverskog paketa za trodimenzionalno modelovanje CST Microwave Studio (slika 4). Može se vidjeti isto ponašanje strukture pojasa konačnog PC-a kao i za spektre prijenosa dobivene metodom prijenosne matrice. Relativna greška u proračunu parametara strukture pojasa konačnog PC-a u ovom simulacionom paketu ne prelazi 3% u odnosu na formule za beskonačan PC.
Tszh.M.
pShshShSh) sschm
pxx=3n2ë2 Frekvencija / THz
Rice. Slika 3. Pojasna struktura fotonskog kristala za tri višestrukosti, optičke dužine slojeva u dvoslojnoj ćeliji u frekvencijskom opsegu THz (brojevi označavaju broj pojasnog pojasa, strelice pokazuju padajući
zabranjena područja)
I-e-e t o
pyoh \u003d 2p2ë2 -DA / ut1
pxx=3n2ë2 Frekvencija, THz
Rice. Slika 4. Trodimenzionalni model PC-a u MA (a) i propusnost PC-a za tri višestrukosti (b)
eksperimentalni dio
Slučaj 2. multiplicitnosti je eksperimentalno verifikovan metodom kontinuirane THz spektroskopije u opsegu od 0,1-1 THz. Za generiranje THz zračenja korištena je metoda miješanja frekvencija infracrvenog zračenja na fotokonduktivnoj (FC) anteni. Druga FP antena je korištena kao prijemnik. Između predajne i prijemne antene računara instaliran je sklopljeni računar (slika 5).
Istraženi fotonski kristal ima sljedeće parametre: broj dvoslojnih ćelija -3; indeksi prelamanja slojeva - nx = 2,9 i n2 = 1,445; debljine slojeva - eh = 540 μm i e2 = 520 μm (e2 je 21 μm manje nego za slučaj idealne 2. višestrukosti). Na sl. Na slici 5 prikazano je poređenje eksperimentalnog i teorijskog spektra za 4 i 5 zazora. Kao što se može vidjeti iz eksperimentalnog grafikona, kao i za simulaciju, uočen je pojas višestruki od tri u poređenju sa strukturom pojasa PC-a sa nevišestrukim optičkim dužinama slojeva unutar jedinične ćelije. Mala nesklad između položaja centara zabranjenih zona u eksperimentalnom i teoretskom
Tiski spektar je rezultat razlike u debljini teflonskih slojeva u eksperimentu u odnosu na idealnu 2. višestrukost.
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 Frekvencija, THz
Eksperimentiraj
Modeliranje
Rice. Slika 5. Fotografija postavke, fotografija modela fotonskog kristala (a) i uporedni grafikon eksperimentalne i teorijske transmitantnosti fotonskog kristala sa tri elementarna
ćelije (b)
Zaključak
Tako su dobijene tačne formule za izračunavanje parametara strukture pojasa (pojasni razmak, granice pojasnog pojasa i centar pojasnog pojasa) jednodimenzionalnih fotonskih kristala s višestrukim dužinama optičkih slojeva unutar dvoslojne jedinične ćelije za slučaj TE vala. sa talasnim vektorom okomitim na ravni fotonskih slojeva.kristal. Za fotonski kristal 1., 2. i 3. višestrukosti pokazano je nestajanje pojasnih praznina, višestrukih od dva, tri, četiri, u poređenju sa trakastom strukturom fotonskih kristala sa nevišestrukim optičkim dužinama slojeva. unutar jedinične ćelije. Formule za 1., 2. i 3. višestrukost testirane su metodom matrice prijenosa i numeričkim simulacijama 3D konačnih razlika u vremenskom domenu. Slučaj 2. višestrukosti je eksperimentalno verifikovan u frekvencijskom opsegu THz od 0,1 do 1 THz. Dobivene formule mogu se koristiti za razvoj širokopojasnih filtera na bazi fotonskih kristala za industrijsku, vojnu i medicinsku primjenu bez potrebe za modeliranjem pojasne strukture fotonskog kristala u različitim matematičkim paketima.
Rad je djelimično podržan grantom br. 14.132.21.1421 u okviru Federalnog ciljnog programa „Naučno i naučno-pedagoško osoblje inovativne Rusije“ za 2009-2013.
Književnost
1. Vendik I.B., Vendik O.G. Metamateriali i njihova primjena u mikrovalnoj tehnologiji (Recenzija) // Časopis za tehničku fiziku. - Elektrotehnički univerzitet u Sankt Peterburgu "LETI". - 2013. - T. 83. - Br. 1. - S. 3-26.
2. Vozianova A.V., Khodzitsky M.K. Maskirajući premaz na bazi spiralnih rezonatora // Znanstveno-tehnički glasnik informacijskih tehnologija, mehanike i optike. - 2012. - br. 4 (80). -OD. 28-34.
3. Terekhov Yu.E., Khodzitsky M.K., Belokopytov G.V. Karakteristike metafilmova za teraherc frekvencijski opseg sa skaliranjem geometrijskih parametara // Znanstveno-tehnički glasnik informacionih tehnologija, mehanike i optike. - 2013. - br. 1 (83). - S. 55-60.
4. Yablonovitch E. Inhibirana spontana emisija u fizici i elektronici čvrstog stanja // Physical Review Letters. - 1987. - V. 58. - Br. 20. - P. 2059-2062.
5. Figotin A., Kuchment P. Započna struktura spektra periodičnih dielektričnih i akustičnih medija. II. Dvodimenzionalni fotonski kristali // SIAM Journal on Applied Mathematics. - 1996. - V. 56. - Br. 6. - P. 1561-1620.
6. Smolyaninov Igor I., Davis Christopher C. Optička mikroskopija super rezolucije na bazi fotonskih kristalnih materijala // Physical review B. - 2005. - V. 72. - P. 085442.
7. Kosaka Hideo, Kawashima Takayuki, Tomita Akihisa. Fenomene superprizme u fotonskim kristalima // Physical review B. - 1998. - V. 58. - Br. 16. - P. 10096-10099.
8. Kurt Hamza, Erim Muhammed Necip, Erim Nur. Različite konfiguracije biosenzora fotonskih kristala na temelju optičkih površinskih modova // Zavod za elektrotehniku i elektroniku. - 2012. - V. 165. - Br. 1. - P. 68-75.
9. Ozbay E., Michel E., Tuttle G., Biswas R., Sigalas M. i Ho K.M. Mikromašinski obrađeni milimetarski talasni fotonski zazorni kristali // Appl. Phys. Lett. - 1994. - V. 64. - Br. 16. - P. 2059-2061.
10. Jin C., Cheng B., Li Z., Zhang D., Li L.M., Zhang Z.Q. Dvodimenzionalni metalni fotonski kristal u THz opsegu // Opt. komun. - 1999. - V. 166. - Br. 9. - P. 9-13.
11. Nusinsky Inna i Hardy Amos A. Analiza pojasnog pojasa jednodimenzionalnih fotonskih kristala i uvjeti zatvaranja jaza // Physical Review B. - 2006. - V. 73. - P. 125104.
12. Bass F.G., Bulgakov A.A., Tetervov A.P. Visokofrekventna svojstva poluprovodnika sa superrešetkama. - M.: Nauka. Ch. ed. Phys.-Math. lit., 1989. - 288 str.
13. Born M., Wolf E. Osnovi optike. - M.: Nauka. Ch. ed. Phys.-Math. lit., 1973. - 733 str.
14. Gregory I.S., Tribe W.R., Baker C. Kontinuirani teraherc sistem s dinamičkim rasponom od 60 dB // Applied Phisics Letters. - 2005. - V. 86. - P. 204104.
Denisultanov Alaudi Khozhbaudievich
Hodzicki Mihail Konstantinovič
Sankt Peterburg Nacionalni istraživački univerzitet za informacione tehnologije, mehaniku i optiku, student, [email protected]
Nacionalni istraživački univerzitet za informacione tehnologije, mehaniku i optiku u Sankt Peterburgu, kandidat fiz.-mate. nauke, asistent, [email protected]
) — materijal čiju strukturu karakteriše periodična promena indeksa prelamanja u 1, 2 ili 3 prostorna pravca.
Opis
Posebnost fotonskih kristala (PC) je prisustvo prostorno periodične promjene indeksa prelamanja. U zavisnosti od broja prostornih pravaca duž kojih se periodično menja indeks loma, fotonski kristali se nazivaju jednodimenzionalni, dvodimenzionalni i trodimenzionalni, ili skraćeno 1D PC, 2D PC i 3D PC (D - od engleske dimenzije) , odnosno. Uobičajeno, struktura 2D PC-a i 3D PC-a je prikazana na sl.
Najupečatljivija karakteristika fotonskih kristala je postojanje u 3D PC-u sa dovoljno velikim kontrastom u indeksima prelamanja komponenti određenih spektralnih područja, nazvanih totalni fotonski pojasevi (PBGs): postojanje zračenja sa energijom fotona koja pripada PBG u takvim kristalima je nemoguć. Konkretno, zračenje čiji spektar pripada PBG-u ne prodire u PC izvana, ne može postojati u njemu i potpuno se odbija od granice. Zabrana se krši samo ako postoje strukturni nedostaci ili ako je veličina računara ograničena. U ovom slučaju, ciljano stvoreni linearni defekti su sa malim gubicima savijanja (do mikronskih radijusa zakrivljenosti), tačkasti defekti su minijaturni rezonatori. Praktična implementacija potencijalnih mogućnosti 3D PC-a zasnovanih na širokim mogućnostima upravljanja karakteristikama svjetlosnih (fotonskih) zraka tek počinje. Koči to nedostatak efikasnih metoda za kreiranje visokokvalitetnih 3D računara, metoda ciljanog formiranja lokalnih nehomogenosti, linearnih i tačkastih defekata u njima, kao i metoda za povezivanje sa drugim fotonskim i elektronskim uređajima.
Značajno veći napredak postignut je u praktičnoj primeni 2D računara, koji se po pravilu koriste u obliku planarnih (filmskih) fotonskih kristala ili u obliku (PCF) (pogledajte detalje u relevantnim člancima).
PCF su dvodimenzionalne strukture sa defektom u središnjem dijelu, izdužene u okomitom smjeru. Kao fundamentalno nova vrsta optičkih vlakana, PCF-ovi pružaju mogućnosti za transport svjetlosnih valova i kontrolu svjetlosnih signala koji su nedostupni drugim vrstama.
Jednodimenzionalni računari (1D PC) su višeslojna struktura naizmeničnih slojeva sa različitim indeksima prelamanja. U klasičnoj optici, mnogo prije pojave pojma "fotonski kristal", bilo je dobro poznato da se u takvim periodičnim strukturama priroda širenja svjetlosnih valova značajno mijenja zbog fenomena interferencije i difrakcije. Na primjer, višeslojni reflektirajući premazi već dugo se široko koriste za proizvodnju ogledala i filtera za interferenciju filma, te volumetrijske Braggove rešetke kao spektralni selektori i filteri. Nakon što je termin PC ušao u široku upotrebu, takvi slojeviti mediji, u kojima se indeks prelamanja periodično mijenja u jednom smjeru, počeli su se pripisivati klasi jednodimenzionalnih fotonskih kristala. Sa okomitim upadom svjetlosti, spektralna ovisnost koeficijenta refleksije od višeslojnih premaza je takozvana "Braggova tablica" - na određenim valnim dužinama, koeficijent refleksije se brzo približava jedinici s povećanjem broja slojeva. Svetlosni talasi koji padaju u spektralnom opsegu prikazanom na sl. b strelica, skoro u potpunosti se reflektuju od periodične strukture. Prema terminologiji FK, ovaj raspon talasnih dužina i odgovarajući raspon energija fotona (ili energetski pojas) su zabranjeni za svjetlosne valove koji se šire okomito na slojeve.
Potencijal za praktičnu primjenu PC-a je ogroman zbog jedinstvenih mogućnosti kontrole fotona i još uvijek nije u potpunosti istražen. Nema sumnje da će u narednim godinama biti predloženi novi uređaji i strukturni elementi, možda fundamentalno drugačiji od onih koji se koriste ili razvijaju danas.
Ogromni izgledi za upotrebu PC-ja u fotonici su ostvareni nakon objavljivanja članka E. Yablonovicha, u kojem je predloženo korištenje PC-ja sa punim PBG-ovima za kontrolu spektra spontane emisije.
Među fotonskim uređajima koji se mogu očekivati u bliskoj budućnosti su:
- ultra-mali FK laseri niskog praga;
- supersjajni računari sa kontrolisanim spektrom emisije;
- subminijaturni FK talasovodi sa mikronskim radijusom savijanja;
- fotonska integrisana kola sa visokim stepenom integracije zasnovana na planarnim računarima;
- minijaturni FK spektralni filteri, uključujući i podesive;
- FK uređaji optičke memorije sa slučajnim pristupom;
- FK uređaji za optičku obradu signala;
- sredstvo za isporuku laserskog zračenja velike snage na bazi PCF-a sa šupljim jezgrom.
Najprimamljivija, ali i najteža primena trodimenzionalnih računara je stvaranje super velikih volumetrijski integrisanih kompleksa fotonskih i elektronskih uređaja za obradu informacija.
Ostale potencijalne upotrebe 3D fotonskih kristala uključuju proizvodnju umjetnog nakita na bazi opala.
Fotonski kristali se također nalaze u prirodi, dajući dodatne nijanse boja svijetu oko nas. Tako, sedefni premaz školjki mekušaca, kao što je haliotis, ima 1D FC strukturu, antene morskog miša i čekinje poliheta su 2D FC, a prirodni poludragi opali i krila afričkog lastinog repa leptiri (Papilio ulysses) su prirodni trodimenzionalni fotonski kristali.
Ilustracije
|
a– struktura dvodimenzionalnog (gore) i trodimenzionalnog (dole) računara; b je pojas u pojasu jednodimenzionalnog PC-a formiranog od slojeva GaAs/AlxOy četvrtine talasne dužine (pojasni razmak je prikazan strelicom); in je FC obrnuti nikl, dobijen od strane osoblja Moskovskog državnog univerziteta FNM. M.V. Lomonosova N.A. Sapolotova, K.S. Napolsky i A.A. Eliseev |
2
Uvod Od davnina, osoba koja je pronašla fotonski kristal bila je fascinirana posebnom prelivajućom igrom svjetlosti u njemu. Utvrđeno je da su iridescentni preljevi ljuski i perja raznih životinja i insekata posljedica postojanja nadgradnji na njima, koje su zbog svojih reflektirajućih svojstava dobile naziv fotonski kristali. Fotonski kristali se u prirodi nalaze u/na: mineralima (kalcit, labradorit, opal); na krilima leptira; ljuske buba; oči nekih insekata; alge; riblje krljušti; paunovo perje. 3
Fotonski kristali Ovo je materijal čiju strukturu karakteriše periodična promena indeksa prelamanja u prostornim pravcima Fotonski kristal na bazi aluminijum oksida. M. DEUBEL, G.V. FREYMANN, MARTIN WEGENER, SURESH PEREIRA, KURT BUSCH I COSTAS M. SOUKOULIS “Direktno lasersko pisanje trodimenzionalnih fotonsko-kristalnih šablona za telekomunikacije”// Prirodni materijali Vol. 3, P
Malo istorije… 1887. Rayleigh je bio prvi koji je istraživao širenje elektromagnetnih talasa u periodičnim strukturama, što je analogno jednodimenzionalnim fotonskim kristalima fotoničkim kristalima – termin je uveden kasnih 1980-ih. za označavanje optičkog analoga poluprovodnika. Riječ je o umjetnim kristalima napravljenim od prozirnog dielektrika u kojima se na uredan način stvaraju zračne "rupe". 5
Fotonski kristali - budućnost svjetske energije Visokotemperaturni fotonski kristali mogu djelovati ne samo kao izvor energije, već i kao izuzetno kvalitetni detektori (energetski, hemijski) i senzori. Fotonski kristali koje su kreirali naučnici iz Masačusetsa baziraju se na volframu i tantalu. Ovo jedinjenje je sposobno da radi na zadovoljavajući način na veoma visokim temperaturama. Do ˚S. Da bi fotonski kristal počeo da pretvara jednu vrstu energije u drugu, pogodnu za upotrebu, poslužit će bilo koji izvor (toplotni, radio emisija, tvrdo zračenje, sunčeva svjetlost, itd.). 6
7
Zakon disperzije elektromagnetnih talasa u fotonskom kristalu (dijagram proširenih zona). Desna strana pokazuje za dati smjer u kristalu odnos između frekvencije? i vrijednosti ReQ (pune krive) i ImQ (isprekidana kriva u zoni zaustavljanja omega -
Teorija fotonskog jaza Tek 1987. godine Eli Yablonovitch iz Bell Communications Research (sada profesor na UCLA) uveo je pojam elektromagnetnog pojasa. Za proširenje horizonata: Predavanje Eli Yablonovitch yablonovitch-uc-berkeley/view Predavanje John Pendryja john-pendry-imperial-college/view 9
U prirodi se također nalaze fotonski kristali: na krilima afričkih leptira, sedefasti omotač školjki mekušaca, kao što su galiotis, školjke morskog miša i čekinje poliheta. Fotografija opal narukvice. Opal je prirodni fotonski kristal. Nazivaju ga "kamenom varljivih nada" 10
11
Bez zagrijavanja i fotokemijskog razaranja pigmentnog premaza" title="(!LANG: Prednosti filtera baziranih na FA u odnosu na apsorpcioni mehanizam (upijajući mehanizam) za žive organizme: Interferentno bojenje ne zahtijeva apsorpciju i disipaciju svjetlosne energije, => nema zagrijavanja i fotokemijskog razaranja pigmentnog premaza" class="link_thumb"> 12 !} Prednosti filtera zasnovanih na FA u odnosu na apsorpcioni mehanizam (absorbujući mehanizam) za žive organizme: Interferentno bojenje ne zahteva apsorpciju i disipaciju svetlosne energije, => nema zagrevanja i fotohemijskog uništavanja pigmentnog premaza. Leptiri koji žive u vrućim klimama imaju šarenu šaru krila, a utvrđeno je da struktura fotonskog kristala na površini smanjuje apsorpciju svjetlosti i, prema tome, zagrijavanje krila. Morski miš već duže vrijeme koristi fotonske kristale. 12 nema zagrijavanja i fotokemijskog uništavanja pigmentnog premaza "> nema zagrijavanja i fotokemijskog uništavanja pigmentnog premaza. Leptiri koji žive u vrućoj klimi imaju šarenu šaru krila, a struktura fotonskog kristala na površini, kako se ispostavilo, smanjuje apsorpcija svjetlosti i posljedično zagrijavanje krila Morski miš već duže vrijeme koristi fotonske kristale u praksi. , => nema zagrijavanja i fotokemijskog razaranja pigmenta"> title="Prednosti filtera baziranih na FA u odnosu na apsorpcioni mehanizam (upijajući mehanizam) za žive organizme: Interferentno bojenje ne zahtijeva apsorpciju i disipaciju svjetlosne energije, => nema zagrijavanja i fotokemijskog uništavanja pigmentnog premaza"> !}
Morpho didius iridescentni leptir i mikrosnimka njegovog krila kao primjer difrakcijske biološke mikrostrukture. Iridescentni prirodni opal (poludragi kamen) i slika njegove mikrostrukture, koja se sastoji od tijesno zbijenih sfera silicijum dioksida. 13
Klasifikacija fotonskih kristala 1. Jednodimenzionalni. Kod kojih se indeks loma periodično mijenja u jednom prostornom smjeru kao što je prikazano na slici. Na ovoj slici, simbol Λ označava period promjene indeksa prelamanja i indeksa prelamanja dva materijala (ali općenito može biti prisutan bilo koji broj materijala). Takvi fotonski kristali sastoje se od slojeva različitih materijala koji su međusobno paralelni s različitim indeksima loma i mogu pokazati svoja svojstva u jednom prostornom smjeru okomitom na slojeve. četrnaest
2. Dvodimenzionalni. Kod kojih se indeks prelamanja periodično mijenja u dva prostorna smjera kao što je prikazano na slici. Na ovoj slici, fotonski kristal stvaraju pravougaone oblasti sa indeksom prelamanja n1, koje se nalaze u mediju sa indeksom prelamanja n2. U ovom slučaju, oblasti sa indeksom prelamanja n1 su poređane u dvodimenzionalnoj kubičnoj rešetki. Takvi fotonski kristali mogu pokazati svoja svojstva u dva prostorna smjera, a oblik područja s indeksom prelamanja n1 nije ograničen na pravokutnike, kao na slici, već može biti bilo koji (krugovi, elipse, proizvoljni, itd.). Kristalna rešetka u kojoj su ovi regioni poredani takođe može biti različita, a ne samo kubična, kao na slici. petnaest
3. Trodimenzionalni. Kod kojih se indeks prelamanja periodično mijenja u tri prostorna smjera. Takvi fotonski kristali mogu pokazati svoja svojstva u tri prostorna pravca, a mogu se predstaviti kao niz volumetrijskih područja (sfere, kocke, itd.) poredanih u trodimenzionalnoj kristalnoj rešetki. 16
Primjena fotonskih kristala Prva primjena je spektralno odvajanje kanala. U mnogim slučajevima, ne jedan, već nekoliko svjetlosnih signala putuju duž optičkog vlakna. Ponekad ih je potrebno sortirati - poslati svaki odvojenim putem. Na primjer - optički telefonski kabel, preko kojeg se istovremeno vodi nekoliko razgovora na različitim talasnim dužinama. Fotonski kristal je idealan alat za "izrezivanje" željene talasne dužine iz struje i usmjeravanje tamo gdje je potrebna. Drugi je krst za svjetlosne tokove. Takav uređaj, koji štiti svjetlosne kanale od međusobnog utjecaja kada se fizički ukrštaju, apsolutno je neophodan pri kreiranju lakog kompjutera i lakih kompjuterskih čipova. 17
Fotonski kristal u telekomunikacijama Nije prošlo toliko godina od početka prvih razvoja, kako je investitorima postalo jasno da su fotonski kristali optički materijali fundamentalno novog tipa i da imaju svijetlu budućnost. Izlaz razvoja fotonskih kristala optičkog opsega do nivoa komercijalne primene najverovatnije će se desiti u oblasti telekomunikacija. osamnaest
21
Prednosti i nedostaci litografskih i holografskih metoda za dobijanje FC Plusa: visok kvalitet formirane strukture. Velika brzina proizvodnje Lakoća masovne proizvodnje Nedostaci Potrebna skupa oprema Moguće pogoršanje oštrine rubova Poteškoće u izradi postavki 22
Krupni plan na dnu pokazuje preostalu hrapavost reda veličine 10 nm. Ista hrapavost vidljiva je i na našim šablonima SU-8 napravljenim holografskom litografijom. Ovo jasno pokazuje da ova hrapavost nije povezana s procesom izrade, već s konačnom rezolucijom fotorezista. 24
Za pomeranje osnovnih PBG talasnih dužina u telekomunikacionom režimu od 1,5 µm i 1,3 µm, potrebno je da postoji rastojanje reda veličine 1 µm ili manje u ravni štapova. Izrađeni uzorci imaju problem: štapovi počinju da dolaze u dodir jedan s drugim, što dovodi do nepoželjnog velikog punjenja frakcije. Rješenje: Smanjenje prečnika štapa, a samim tim i popunjavanje frakcije, nagrizanjem u plazmi kisika 26
Optička svojstva PC-a Zbog periodičnosti medija, širenje zračenja unutar fotonskog kristala postaje slično kretanju elektrona unutar običnog kristala pod djelovanjem periodičnog potencijala. Pod određenim uslovima, u strukturi traka PC računara nastaju praznine, slično zabranjenim elektronskim trakama u prirodnim kristalima. 27
Dvodimenzionalni periodični fotonski kristal se dobija formiranjem periodične strukture vertikalnih dielektričnih šipki postavljenih u obliku kvadrata na supstratu od silicijum dioksida. Postavljanjem "defekta" u fotonski kristal, moguće je kreirati talasovode koji, savijeni pod bilo kojim uglom, daju 100% prenos. Dvodimenzionalne fotonske strukture sa razmakom pojasa 28
Nova metoda za dobijanje strukture sa polarizaciono osetljivim fotonskim pojasevima. Razvoj pristupa kombinovanju strukture fotonskog pojasa sa drugim optičkim i optoelektronskim uređajima. Uočavanje granica kratkog i dugotalasnog pojasa. Cilj iskustva je: 29
Glavni faktori koji određuju svojstva strukture fotonskog pojasa (PBG) su lomni kontrast, udio visokih i niskih indeksa materijala u rešetki i raspored elemenata rešetke. Konfiguracija korišćenog talasovoda je uporediva sa konfiguracijom poluprovodničkog lasera. Niz vrlo malih (100 nm u prečniku) rupe su urezane na jezgru talasovoda, formirajući heksagonalnu rešetku 30
Slika 2a Skica rešetke i Brillouinove zone koja ilustruje pravce simetrije u horizontalnoj zbijenoj rešetki. b, c Mjerenje karakteristika transmisije na 19-nm fotonskoj rešetki. 31 Brillouin zone sa simetričnim smjerovima
Slika 4. Fotografije električnog polja profila putujućih talasa koji odgovaraju pojasu 1 (a) i pojasu 2 (b), u blizini K tačke za TM polarizaciju. U a, polje ima istu reflektivnu simetriju oko y-z ravni kao i ravni talas, tako da bi trebalo lako da stupi u interakciju sa dolazećim ravnim talasom. Nasuprot tome, u b polje je asimetrično, što ne dozvoljava da dođe do ove interakcije. 33
Zaključci: PBG strukture se mogu koristiti kao ogledala i elementi za direktnu kontrolu emisije u poluvodičkim laserima.Demonstracija PBG koncepata u geometriji talasovoda omogućiće realizaciju veoma kompaktnih optičkih elemenata.da će biti moguće koristiti nelinearne efekte 34
U posljednjoj deceniji razvoj mikroelektronike je usporen, jer su granice brzine standardnih poluvodičkih uređaja već praktički dostignute. Sve veći broj studija posvećen je razvoju oblasti alternativnih poluvodičkoj elektronici - to su spintronika, mikroelektronika sa supravodljivim elementima, fotonika i neke druge.
Novi princip prijenosa i obrade informacija korištenjem svjetlosnog signala, a ne električnog signala, može ubrzati početak nove faze u informatičkom dobu.
Od jednostavnih kristala do fotonskih
Osnova elektroničkih uređaja budućnosti mogu biti fotonski kristali - to su sintetički uređeni materijali u kojima se dielektrična konstanta periodično mijenja unutar strukture. U kristalnoj rešetki tradicionalnog poluprovodnika, pravilnost, periodičnost rasporeda atoma dovodi do formiranja takozvane trakaste energetske strukture – sa dozvoljenim i zabranjenim zonama. Elektron čija energija pada u dozvoljeni pojas može se kretati kroz kristal, dok je elektron sa energijom u pojasu "zaključan".
Po analogiji s običnim kristalom, nastala je ideja fotonskog kristala. U njemu, periodičnost permitivnosti uzrokuje pojavu fotonskih zona, posebno zabranjene zone, unutar koje se potiskuje širenje svjetlosti određene talasne dužine. To jest, budući da su providni za širok spektar elektromagnetnog zračenja, fotonski kristali ne prenose svjetlost odabrane talasne dužine (jednake dvostrukom periodu strukture duž dužine optičke staze).
Fotonski kristali mogu imati različite dimenzije. Jednodimenzionalni (1D) kristali su višeslojna struktura naizmjeničnih slojeva s različitim indeksima prelamanja. Dvodimenzionalni fotonski kristali (2D) mogu se predstaviti kao periodična struktura štapića različitih permitivnosti. Prvi sintetički prototipovi fotonskih kristala bili su trodimenzionalni i stvoreni su početkom 1990-ih od strane osoblja istraživačkog centra Bell Labs(SAD). Da bi dobili periodičnu rešetku u dielektričnom materijalu, američki naučnici su izbušili cilindrične rupe na takav način da su dobili trodimenzionalnu mrežu praznina. Da bi materijal postao fotonski kristal, njegova permitivnost je modulirana s periodom od 1 centimetar u sve tri dimenzije.
Prirodni analozi fotonskih kristala su sedefne prevlake školjki (1D), antene morskog miša, poliheta (2D), krila afričkog leptira jedrilice i poludrago kamenje, poput opala (3D).
Ali čak i danas, čak i uz pomoć najmodernijih i najskupljih metoda elektronske litografije i anizotropnog ionskog jetkanja, teško je proizvesti trodimenzionalne fotonske kristale bez defekata debljine više od 10 strukturnih ćelija.
Fotonski kristali bi trebali naći široku primjenu u fotoničkim integriranim tehnologijama, koje će u budućnosti zamijeniti električna integrirana kola u računalima. Kada se informacije prenose pomoću fotona umjesto elektrona, potrošnja energije će se naglo smanjiti, frekvencije sata i brzine prijenosa informacija će se povećati.
Titanijum oksid fotonski kristal
Titanijum oksid TiO 2 ima skup jedinstvenih karakteristika kao što su visok indeks loma, hemijska stabilnost i niska toksičnost, što ga čini najperspektivnijim materijalom za stvaranje jednodimenzionalnih fotonskih kristala. Ako uzmemo u obzir fotonske kristale za solarne ćelije, onda titanov oksid ovdje pobjeđuje zbog svojih poluvodičkih svojstava. Ranije je pokazano povećanje efikasnosti solarnih ćelija koje koriste poluprovodnički sloj sa periodičnom fotonskom kristalnom strukturom, uključujući fotonske kristale titanijum oksida.
Ali do sada je upotreba fotonskih kristala na bazi titan dioksida ograničena nedostatkom ponovljive i jeftine tehnologije za njihovo stvaranje.
Nina Sapoletova, Sergej Kušnir i Kiril Napolski, članovi Hemijskog fakulteta i Fakulteta za nauke o materijalima Moskovskog državnog univerziteta, unapredili su sintezu jednodimenzionalnih fotonskih kristala na bazi poroznih filmova titanijum oksida.
„Eloksiranje (elektrohemijska oksidacija) metala ventila, uključujući aluminijum i titanijum, je efikasna metoda za dobijanje poroznih oksidnih filmova sa kanalima nanometarske veličine“, objasnio je Kiril Napolski, šef grupe za elektrohemijsko nanostrukturiranje, kandidat hemijskih nauka.
Anodizacija se obično izvodi u elektrohemijskoj ćeliji s dvije elektrode. Dvije metalne ploče, katoda i anoda, spuštaju se u otopinu elektrolita i primjenjuje se električni napon. Na katodi se oslobađa vodonik, a na anodi dolazi do elektrohemijske oksidacije metala. Ako se napon koji se primjenjuje na ćeliju povremeno mijenja, tada se na anodi formira porozni film poroznosti određene debljine.
Efektivni indeks prelamanja će biti moduliran ako se promjer pora periodično mijenja unutar strukture. Ranije razvijene tehnike anodizacije titanijuma nisu omogućile dobijanje materijala sa visokim stepenom periodičnosti strukture. Hemičari sa Moskovskog državnog univerziteta razvili su novu metodu anodizacije metala sa modulacijom napona u zavisnosti od punjenja anodizacije, koja omogućava stvaranje poroznih anodnih metalnih oksida sa visokom preciznošću. Mogućnosti nove tehnike demonstrirali su hemičari na primjeru jednodimenzionalnih fotonskih kristala od anodnog titan oksida.
Kao rezultat promjene napona anodizacije prema sinusoidnom zakonu u rasponu od 40-60 Volti, naučnici su dobili nanocijevi od anodnog titan oksida sa konstantnim vanjskim prečnikom i periodično promjenjivim unutrašnjim prečnikom (vidi sliku).
“Ranije korištene metode anodizacije nisu omogućile dobivanje materijala s visokim stupnjem periodičnosti strukture. Razvili smo novu metodologiju, čija je ključna komponenta in situ(neposredno tokom sinteze) mjerenje anodizirajućeg naboja, što omogućava da se sa velikom preciznošću kontroliše debljina slojeva različite poroznosti u formiranom oksidnom filmu “, objasnio je jedan od autora rada, kandidat kemijskih nauka Sergej Kušnir.
Razvijena tehnika će pojednostaviti stvaranje novih materijala sa moduliranom strukturom na bazi anodnih metalnih oksida. “Ako korištenje fotonskih kristala iz anodnog titan oksida u solarnim ćelijama smatramo praktičnom primjenom tehnike, onda ostaje sistematsko proučavanje utjecaja strukturnih parametara takvih fotonskih kristala na efikasnost konverzije svjetlosti u solarnim ćelijama. biti sprovedeni”, precizirao je Sergej Kušnir.
