Mis on fotooniline kristall. Fotooniliste kristallide valmistamise meetodid
Ilja Polištšuk, füüsika- ja matemaatikateaduste doktor, Moskva Füüsika- ja Tehnoloogiainstituudi professor, Riikliku Uurimiskeskuse "Kurchatov Institute" juhtivteadur
Mikroelektroonika kasutamine infotöötlus- ja sidesüsteemides on maailma põhjalikult muutnud. Pole kahtlust, et fotooniliste kristallide ja nendel põhinevate seadmete füüsikaalase uurimistöö buumi tagajärjed on oma tähtsuselt võrreldavad enam kui poole sajandi taguse integreeritud mikroelektroonika loomisega. Uut tüüpi materjalid võimaldavad luua optilisi mikroskeeme pooljuhtelektroonika elementide "kujutises ja sarnasuses" ning põhimõtteliselt uued meetodid info edastamiseks, salvestamiseks ja töötlemiseks, mida täna fotoonkristallidel arendatakse, leiavad omakorda. kasutamine tuleviku pooljuhtelektroonikas. Pole üllatav, et see uurimisvaldkond on üks kuumimaid maailma suurimates teaduskeskustes, kõrgtehnoloogilistes ettevõtetes ja sõjatööstuskompleksi ettevõtetes. Venemaa pole muidugi erand. Lisaks on fotoonkristallide teemaks tõhus rahvusvaheline koostöö. Toome näitena üle kümne aasta kestnud koostöö Venemaa Kintech Lab LLC ja Ameerika tuntud ettevõtte General Electricu vahel.
Fotooniliste kristallide ajalugu
Ajalooliselt hakkas footonite hajumise teooria kolmemõõtmelistel võretel intensiivselt arenema alates lainepikkuse piirkonnast ~ 0,01-1 nm, mis jääb röntgenikiirguse vahemikku, kus fotoonkristalli sõlmedeks on aatomid ise. 1986. aastal pakkus Eli Yablonovich Los Angelese California ülikoolist välja idee luua tavaliste kristallidega sarnane kolmemõõtmeline dielektriline struktuur, milles teatud spektririba elektromagnetlained ei saaks levida. Selliseid struktuure nimetatakse fotoonilise ribalaiuse struktuurideks või fotoonilisteks kristallideks. 5 aasta pärast valmistati selline fotooniline kristall, puurides kõrge murdumisnäitajaga materjali millimeetrilisi auke. Selline tehiskristall, mida hiljem nimetati yablonoviidiks, ei edastanud millimeeterlainelist kiirgust ja realiseeris tegelikult ribavahega fotoonilise struktuuri (muide, samasse füüsiliste objektide klassi võib omistada ka faasitud antennimassiivid).
Fotooniliste struktuuride abil, mille puhul elektromagnetiliste (eelkõige optiliste) lainete levimine teatud sagedusribas ühes, kahes või kolmes suunas on keelatud, saab kasutada optiliste integreeritud seadmete loomiseks nende lainete juhtimiseks. Praegu on fotooniliste struktuuride ideoloogia aluseks mitteläve pooljuhtlaserite, haruldaste muldmetallide ioonidel põhinevate laserite, kõrge Q resonaatorite, optiliste lainejuhtide, spektraalfiltrite ja polarisaatorite loomisel. Praegu tegeletakse fotooniliste kristallide uurimisega enam kui kahekümnes riigis, sealhulgas Venemaal, ning selle valdkonna publikatsioonide, sümpoosionide ja teaduskonverentside ning koolide arv kasvab hüppeliselt.
Fotoonkristallides toimuvate protsesside mõistmiseks võib seda võrrelda pooljuhtkristalliga ning footonite levimist laengukandjate – elektronide ja aukude – liikumisega. Näiteks ideaalses ränis paiknevad aatomid teemanditaolises kristallstruktuuris ja tahke oleku ribateooria järgi interakteeruvad läbi kristalli levivad laetud kandjad aatomituumade välja perioodilise potentsiaaliga. See on põhjus lubatud ja keelatud ribade tekkeks – kvantmehaanika keelab elektronide olemasolu, mille energia vastab energiavahemikule, mida nimetatakse ribavaheks. Sarnaselt tavaliste kristallidega sisaldavad fotoonkristallid väga sümmeetrilist rakuühiku struktuuri. Veelgi enam, kui tavalise kristalli struktuuri määrab aatomite asukoht kristallvõres, siis fotoonilise kristalli struktuuri määrab keskkonna dielektrilise konstandi perioodiline ruumiline modulatsioon (modulatsiooni skaala on võrreldav interakteeruva kiirguse lainepikkus).
Fotoonjuhid, isolaatorid, pooljuhid ja ülijuhid
Analoogiat jätkates võib fotoonilised kristallid jagada juhtideks, isolaatoriteks, pooljuhtideks ja ülijuhtideks.
Fotoonjuhtidel on lai ribad. Need on läbipaistvad kehad, milles valgus läbib pika vahemaa, ilma et see praktiliselt neelduks. Teisel fotooniliste kristallide klassil, fotoonisolaatoritel, on lai ribalaius. Seda tingimust täidavad näiteks laia ulatusega mitmekihilised dielektrilised peeglid. Erinevalt tavalisest läbipaistmatust keskkonnast, milles valgus laguneb kiiresti soojuseks, ei neela fotoonilised isolaatorid valgust. Mis puutub fotoonilistesse pooljuhtidesse, siis neil on isolaatoritega võrreldes kitsamad ribad.
Fotoonkristallidel põhinevaid lainejuhte kasutatakse fotoontekstiilide valmistamiseks (pildil). Sellised tekstiilid on just ilmunud ja isegi selle rakendusala pole veel täielikult realiseeritud. Sellest saab valmistada näiteks interaktiivseid riideid või teha pehme väljapaneku
Foto: emt-photoniccrystal.blogspot.com
Hoolimata asjaolust, et fotooniliste ribade ja fotooniliste kristallide idee on optikas kinnistunud alles viimastel aastatel, on murdumisnäitaja kihilise muutusega struktuuride omadused füüsikutele juba ammu teada. Selliste struktuuride üks esimesi praktiliselt olulisi rakendusi oli ainulaadsete optiliste omadustega katete tootmine, mida kasutati ülitõhusate spektraalfiltrite loomiseks ja soovimatute peegelduste vähendamiseks optilistest elementidest (sellist optikat nimetatakse kaetud) ja dielektriliste peeglite tootmine, mille peegelduskoefitsient on ligi 100. %. Teise tuntud näitena 1D fotoonstruktuuridest võib nimetada hajutatud tagasisidega pooljuhtlasereid, aga ka füüsikaliste parameetrite (profiil või murdumisnäitaja) perioodilise pikisuunalise modulatsiooniga optilisi lainejuhte.
Mis puudutab tavalisi kristalle, siis loodus annab neid meile väga heldelt. Looduses leiduvad fotoonilised kristallid on haruldus. Seega, kui tahame fotooniliste kristallide ainulaadseid omadusi ära kasutada, oleme sunnitud nende kasvatamiseks välja töötama erinevaid meetodeid.
Kuidas kasvatada fotoonkristalli
Kolmemõõtmelise fotoonilise kristalli loomine nähtava lainepikkuse vahemikus on viimase kümne aasta jooksul olnud materjaliteaduse üks peamisi prioriteete, mille puhul on enamik teadlasi keskendunud kahele põhimõtteliselt erinevale lähenemisele. Üks neist kasutab seemnemalli meetodit (malli) - malli meetodit. See meetod loob eeldused sünteesitud nanosüsteemide iseorganiseerumiseks. Teine meetod on nanolitograafia.
Esimese rühma meetodite hulgas on kõige levinumad need, mis kasutavad perioodilise pooride süsteemiga tahkete ainete loomiseks mallidena monodispersseid kolloidsfääre. Need meetodid võimaldavad saada fotoonseid kristalle, mis põhinevad metallidel, mittemetallidel, oksiididel, pooljuhtidel, polümeeridel jne. Esimeses etapis on sarnase suurusega kolloidsfäärid ühtlaselt "pakitud" kolmemõõtmeliste (mõnikord kahemõõtmeliste) karkasside kujul, mis seejärel toimivad mallidena loodusliku opaali analoogina. Teises etapis immutatakse šablooni struktuuris olevad tühimikud vedelikuga, mis seejärel muutub erinevate füüsikaliste ja keemiliste mõjude mõjul tahkeks raamiks. Teised meetodid šablooni tühimike ainega täitmiseks on kas elektrokeemilised meetodid või CVD (Chemical Vapor Deposition) meetod.
Viimases etapis eemaldatakse mall (kolloidsfäärid), kasutades sõltuvalt selle olemusest lahustumis- või termilise lagunemise protsesse. Saadud struktuure nimetatakse sageli algsete kolloidkristallide pöördkoopiateks või "pöördopaalideks".
Praktiliseks kasutamiseks ei tohiks fotoonkristalli defektideta alad ületada 1000 µm2. Seetõttu on kvartsi ja polümeeri sfääriliste osakeste järjestamise probleem fotooniliste kristallide loomisel üks olulisemaid.
Teises meetodite rühmas võimaldavad ühefotoni fotolitograafia ja kahefotoni fotolitograafia luua kolmemõõtmelisi fotoonseid kristalle eraldusvõimega 200 nm ja kasutada mõningate materjalide, näiteks polümeeride omadust, mis on tundlikud ühe- ja kahe footoni kiiritamist ja võivad selle kiirguse mõjul muuta nende omadusi. Elektronkiire litograafia on kallis, kuid ülitäpne tehnika kahemõõtmeliste fotooniliste kristallide valmistamiseks. Selle meetodi puhul kiiritatakse fotoresisti, mis muudab oma omadusi elektronkiire toimel, koos kiirega kindlates kohtades, et moodustada ruumiline mask. Pärast kiiritamist pestakse osa fotoresistist maha ja ülejäänud osa kasutatakse järgnevas tehnoloogilises tsüklis söövitamiseks maskina. Selle meetodi maksimaalne eraldusvõime on 10 nm. Ioonkiirlitograafia on põhimõtteliselt sarnane, elektronkiire asemel kasutatakse ainult ioonkiirt. Ioonkiir litograafia eelised elektronkiirega võrreldes seisnevad selles, et fotoresist on ioonkiirtele tundlikum kui elektronkiirtele ja puudub "lähedusefekt", mis piiraks elektronkiire litograafias väikseimat võimalikku ala suurust.
Nimetagem ka mõnda muud fotooniliste kristallide kasvatamise meetodit. Nende hulka kuuluvad fotooniliste kristallide spontaanse moodustumise meetodid, söövitamise meetodid ja holograafilised meetodid.
Footonite tulevik
Ennustused on sama ohtlikud kui ka ahvatlevad. Prognoosid fotoonkristallseadmete tuleviku kohta on aga väga optimistlikud. Fotooniliste kristallide kasutusvaldkond on praktiliselt ammendamatu. Praegu on maailmaturule juba ilmunud (või ilmuvad lähitulevikus) fotoonkristallide ainulaadseid omadusi kasutavad seadmed või materjalid. Need on fotooniliste kristallidega laserid (madala läve ja läveta laserid); fotoonkristallidel põhinevad lainejuhid (need on kompaktsemad ja väiksemate kadudega võrreldes tavaliste kiududega); negatiivse murdumisnäitajaga materjalid, mis võimaldavad fokuseerida valgust lainepikkusest väiksemasse punkti; füüsikute unistus - superprismad; optilised salvestus- ja loogilised seadmed; fotoonilistel kristallidel põhinevad ekraanid. Fotoonilised kristallid teostavad ka värviga manipuleerimist. Juba on välja töötatud ka painutatav suureformaadiline ekraan fotoonilistel kristallidel, millel on kõrge spektrivahemik infrapunakiirgusest ultraviolettkiirguseni, milles iga piksel on fotoonkristall – räni mikrosfääride massiiv, mis paikneb kosmoses rangelt määratletud viisil. Luuakse fotoonilised ülijuhid. Selliseid ülijuhte saab kasutada optiliste temperatuuriandurite loomiseks, mis omakorda töötavad kõrgetel sagedustel ja ühilduvad fotooniliste isolaatorite ja pooljuhtidega.
Inimene alles kavandab fotooniliste kristallide tehnoloogilist kasutamist ja merihiir (Aphrodite aculeata) on neid juba pikka aega praktikas rakendanud. Selle ussi karvas on nii väljendunud sillerdav nähtus, et see on võimeline selektiivselt peegeldama valgust peaaegu 100% efektiivsusega kogu spektri nähtavas piirkonnas - punasest rohelise ja siniseni. Selline spetsiaalne "parda" optiline arvuti aitab sellel ussil ellu jääda kuni 500 m sügavusel. Võib kindlalt väita, et inimese intelligentsus läheb fotooniliste kristallide ainulaadsete omaduste kasutamisel palju kaugemale.
Fotoonilised kristallid (PC-d) on struktuurid, mida iseloomustab ruumi läbilaskvuse perioodiline muutus. Arvutite optilised omadused erinevad oluliselt pideva andmekandja optilistest omadustest. Kiirguse levik fotoonkristalli sees muutub keskkonna perioodilisuse tõttu sarnaseks elektroni liikumisega tavalise kristalli sees perioodilise potentsiaali toimel. Selle tulemusena on fotooniliste kristallide elektromagnetlainete ribaspekter ja sõltuvus koordinaatidest, mis on sarnased tavaliste kristallide elektronide Blochi lainetega. Teatud tingimustel tekivad arvuti ribastruktuuris lüngad sarnaselt looduslike kristallide keelatud elektroonilistele ribadele. Sõltuvalt spetsiifilistest omadustest (elementide materjal, suurus ja võre periood) võib PC spekter moodustada nii täielikult sagedusega keelatud tsoone, mille puhul on kiirguse levik sõltumata selle polarisatsioonist ja suunast võimatu kui ka osaliselt keelatud ( stop-tsoonid), mis võivad levida ainult valitud suundades.
Fotoonilised kristallid pakuvad huvi nii fundamentaalsest vaatenurgast kui ka paljude rakenduste jaoks. Fotoonkristallide, optiliste filtrite, lainejuhtide (eriti fiiberoptilistes sideliinides) põhjal luuakse ja arendatakse soojuskiirgust reguleerivaid seadmeid, fotoonilistel kristallidel põhinevaid madalama pumbalävega laserkonstruktsioone.
Lisaks peegeldus-, ülekande- ja neeldumisspektri muutmisele on metall-dielektrilistel fotoonkristallidel fotooniliste olekute spetsiifiline tihedus. Olekute muutunud tihedus võib oluliselt mõjutada fotoonkristalli sisse paigutatud aatomi või molekuli ergastatud oleku eluiga ja sellest tulenevalt muuta luminestsentsi olemust. Näiteks kui fotoonkristallides paikneva indikaatormolekuli üleminekusagedus langeb ribavahemikku, siis luminestsents sellel sagedusel pärsitakse.
FC-d jagunevad kolme tüüpi: ühemõõtmelised, kahemõõtmelised ja kolmemõõtmelised.
Ühe-, kahe- ja kolmemõõtmelised fotoonilised kristallid. Erinevad värvid vastavad erinevate dielektriliste konstantidega materjalidele.
Ühemõõtmelised on erinevatest materjalidest vahelduvate kihtidega personaalarvutid.
Ühemõõtmelise arvuti elektronkujutis, mida kasutatakse laseris Braggi mitmekihilise peeglina.
Kahemõõtmelised FK-d võivad olla mitmekesisema geomeetriaga. Nende hulka kuuluvad näiteks lõpmatu pikkusega silindrite massiivid (nende põikimõõt on palju väiksem kui pikisuunaline) või perioodilised silindriliste aukude süsteemid.
Elektroonilised kujutised, kahemõõtmeline edasi- ja tagurpidi FK kolmnurkvõrega.
Kolmemõõtmeliste personaalarvutite struktuurid on väga mitmekesised. Selles kategoorias on kõige levinumad kunstlikud opaalid - sfääriliste difuusorite järjestatud süsteemid. Opaale on kahte peamist tüüpi: sirged ja vastupidised (pöörd)opaalid. Üleminek otsesest opaalist vastupidisele opaalile toimub, asendades kõik sfäärilised elemendid õõnsustega (tavaliselt õhuga), samas kui nende õõnsuste vaheline ruum täidetakse mõne materjaliga.
Allpool on arvuti pind, mis on sirge opaal kuupvõrega, mis põhineb iseorganiseerunud sfäärilistel polüstüreeni mikroosakestel.
Arvuti sisepind kuupvõrega, mis põhineb iseorganiseerunud sfäärilistel polüstüreeni mikroosakestel.
Järgmine struktuur on pöördopaal, mis on sünteesitud mitmeetapilise keemilise protsessi tulemusena: polümeeri sfääriliste osakeste iseseisev kokkupanek, tekkinud materjalis olevate tühimike immutamine ainega ja polümeermaatriksi eemaldamine keemilise söövitamise teel.
Kvartsist pöördopaali pind. Foto saadi skaneeriva elektronmikroskoopia abil.
Teist tüüpi kolmemõõtmelised FC-d on "puuvaiade" tüüpi struktuurid (palgivaiad), mille moodustavad ristkülikukujulised rööptahukad, mis on reeglina täisnurga all.
Elektrooniline foto arvutist metallist rööptahukast.
Tootmismeetodid
FC-de kasutamist praktikas piirab oluliselt universaalsete ja lihtsate meetodite puudumine nende valmistamiseks. Meie ajal on FC loomisel rakendatud mitmeid lähenemisviise. Allpool kirjeldatakse kahte peamist lähenemisviisi.
Esimene neist on nn iseorganiseerumise ehk isekoostamise meetod. Fotoonkristalli isekomplekteerimisel kasutatakse kolloidosakesi (enamlevinud on monodisperssed räni- või polüstüreeniosakesed), mis on vedelikus ja vedeliku aurustumisel sadestuvad ruumalasse. Üksteise peale "ladudes" moodustavad nad kolmemõõtmelise arvuti ja järjestatakse olenevalt tingimustest kuubikujuliseks näokeskseks või kuusnurkseks kristallvõreks. See meetod on üsna aeglane, FC moodustumine võib kesta mitu nädalat. Selle puuduste hulka kuulub ka halvasti kontrollitud protsent sadestusprotsessi defektide ilmnemisest.
Üks isekomplekteerimismeetodi variante on nn kärgstruktuuri meetod. See meetod hõlmab vedeliku, milles osakesed paiknevad, filtreerimist läbi väikeste pooride ja võimaldab FC moodustumist kiirusega, mille määrab vedeliku voolukiirus läbi nende pooride. Võrreldes tavapärase sadestusmeetodiga on see meetod palju kiirem, kuid selle kasutamisel on ka defektide protsent suurem.
Kirjeldatud meetodite eeliste hulka kuulub asjaolu, et need võimaldavad moodustada suurte suurustega arvutiproove (pinnaga kuni mitu ruutsentimeetrit).
Teine populaarseim meetod FC valmistamiseks on söövitusmeetod. 2D-arvutite valmistamiseks kasutatakse tavaliselt erinevaid söövitusmeetodeid. Need meetodid põhinevad dielektriku või metalli pinnale moodustatud fotoresist maski (mis määratleb näiteks poolkerade massiivi) kasutamisel, mis määratleb söövitatud piirkonna geomeetria. Selle maski saab saada standardse fotolitograafia meetodil, millele järgneb vahetult proovi pinna keemiline söövitamine fotoresistiga. Sellisel juhul söövitatakse fotoresisti pindade piirkondades vastavalt fotoresisti pind ja fotoresistita piirkondades dielektrik või metall. Protsess jätkub kuni soovitud söövitussügavuse saavutamiseni, misjärel fotoresist pestakse maha.
Selle meetodi puuduseks on fotolitograafia protsessi kasutamine, mille parima ruumilise eraldusvõime määrab Rayleighi kriteerium. Seetõttu sobib see meetod arvuti loomiseks ribalaiusega, mis reeglina asub spektri lähiinfrapuna piirkonnas. Kõige sagedamini kasutatakse soovitud eraldusvõime saavutamiseks fotolitograafia ja elektronkiire litograafia kombinatsiooni. See meetod on kallis, kuid väga täpne meetod kvaasi-kahemõõtmeliste personaalarvutite valmistamiseks. Selle meetodi puhul kiiritatakse fotoresisti, mis muudab oma omadusi elektronkiire toimel, teatud kohtades, et moodustada ruumiline mask. Pärast kiiritamist pestakse osa fotoresistist maha ja ülejäänud osa kasutatakse järgnevas tehnoloogilises tsüklis söövitusmaskina. Selle meetodi maksimaalne eraldusvõime on umbes 10 nm.
Elektrodünaamika ja kvantmehaanika paralleelid
Maxwelli võrrandite mis tahes lahendit lineaarse keskkonna korral ning vabade laengute ja vooluallikate puudumisel saab esitada ajas harmooniliste funktsioonide superpositsioonina komplekssete amplituudidega, mis sõltuvad sagedusest: , kus on kas või .
Kuna väljad on reaalsed, siis ja saab kirjutada ajas harmooniliste funktsioonide superpositsioonina positiivse sagedusega: ,
Harmooniliste funktsioonide arvestamine võimaldab üle minna Maxwelli võrrandite sagedusvormile, mis ei sisalda ajatuletisi: ,
kus nendes võrrandites osalevate väljade sõltuvus ajast on kujutatud kui , . Eeldame, et kandjad on isotroopsed ja magnetiline läbilaskvus on .
Väljendades selgesõnaliselt välja, võttes kõveruse võrrandi mõlemalt küljelt ja asendades teise võrrandi esimesega, saame:
kus on valguse kiirus vaakumis.
Teisisõnu, meil on omaväärtuse probleem:
operaatori jaoks
kus sõltuvuse määrab vaadeldav struktuur.
Saadud operaatori omafunktsioonid (režiimid) peavad täitma tingimust
Asub kui
Sel juhul on tingimus täidetud automaatselt, kuna rootori lahknemine on alati null.
Operaator on lineaarne, mis tähendab, et iga sama sagedusega omaväärtuse probleemi lahenduste lineaarne kombinatsioon on samuti lahendus. Saab näidata, et juhul, kui see operaator on hermiitne, st mis tahes vektorfunktsioonide korral
kus punktkorrutis on määratletud kui
Kuna operaator on hermiitlane, järeldub, et selle omaväärtused on reaalsed. Samuti saab näidata, et 0" align="absmiddle"> korral on omaväärtused mittenegatiivsed ja seega on sagedused reaalsed.
Erinevatele sagedustele vastavate omafunktsioonide skalaarkorrutis on alati null. Võrdsete sageduste korral ei pruugi see nii olla, kuid alati on võimalik töötada ainult selliste omafunktsioonide vastastikku ortogonaalsete lineaarsete kombinatsioonidega. Veelgi enam, alati on võimalik moodustada alus Hermiiti operaatori vastastikku ortogonaalsetest omafunktsioonidest.
Kui väljendame välja vastupidiselt , saame üldistatud omaväärtuse probleemi:
milles operaatorid on juba olemas mõlemal pool võrrandit (sel juhul muutub see pärast jagamist võrrandi vasakul poolel oleva operaatoriga mittehermiitseks). Mõnel juhul on see ravimvorm mugavam.
Pange tähele, et kui võrrand asendatakse omaväärtustega, vastab sagedus uuele lahendusele. Seda asjaolu nimetatakse mastaapsuseks ja sellel on suur praktiline tähtsus. Mikroni suurusjärgus iseloomulike mõõtmetega fotoonkristallide valmistamine on tehniliselt keeruline. Testimise eesmärgil on aga võimalik teha fotoonkristalli mudel, mille perioodi ja elemendi suurus on suurusjärgus sentimeetrit, mis töötaks sentimeetri režiimis (sel juhul tuleks kasutada materjale, millel oleks ligikaudu sama läbitavus sentimeetri sagedusvahemikus kui simuleeritud materjalidel).
Toome ülalkirjeldatud teooria analoogia kvantmehaanikaga. Kvantmehaanikas käsitletakse skalaarlainefunktsiooni, mis võtab keerukaid väärtusi. Elektrodünaamikas on see vektor ja kompleksne sõltuvus võetakse kasutusele ainult mugavuse huvides. Selle asjaolu tagajärg on eelkõige see, et fotooniliste kristallide footonite ribastruktuurid on erineva polarisatsiooniga lainete puhul erinevad, erinevalt elektronide ribastruktuuridest.
Nii kvantmehaanikas kui ka elektrodünaamikas on probleem lahendatud Hermiiti operaatori omaväärtuste jaoks. Kvantmehaanikas vastavad hermiidi operaatorid vaadeldavatele.
Ja lõpuks, kvantmehaanikas, kui operaator on esitatud summana , saab omaväärtusvõrrandi lahendi kirjutada kujul , see tähendab, et ülesanne on jagatud kolmeks ühemõõtmeliseks. Elektrodünaamikas on see võimatu, kuna operaator "seob" kõik kolm koordinaati, isegi kui need on eraldatud. Sel põhjusel on ainult väga piiratud arvul elektrodünaamika probleemidel analüütilisi lahendusi. Eelkõige leitakse täpseid analüütilisi lahendusi personaalarvutite ribaspektri jaoks peamiselt ühemõõtmeliste personaalarvutite jaoks. Seetõttu on fotooniliste kristallide omaduste arvutamisel oluline roll numbrilisel simulatsioonil.
Bändi struktuur
Fotoonkristalli iseloomustab funktsiooni perioodilisus:
Suvaline tõlkevektor, mis on esitatud kujul
kus on primitiivsed tõlkevektorid ja on täisarvud.
Blochi teoreemi järgi saab operaatori omafunktsioonid valida nii, et need on tasapinnalise laine kujul, mis on korrutatud funktsiooniga, millel on sama perioodilisus kui FK-l:
kus on perioodiline funktsioon. Sel juhul saab väärtused valida nii, et need kuuluksid esimesse Brillouini tsooni.
Asendades selle avaldise sõnastatud omaväärtuse probleemiga, saame omaväärtuse võrrandi
Omafunktsioonid peavad olema perioodilised ja vastama tingimusele.
Võib näidata, et vektori iga väärtus vastab lõpmatule režiimide hulgale diskreetse sageduste hulgaga, mille nummerdame indeksiga kasvavas järjekorras. Kuna operaator sõltub pidevalt , sõltub ka sagedus fikseeritud indeksiga pidevalt. Pidevate funktsioonide komplekt moodustab FK ribastruktuuri. Fotoonkristalli ribastruktuuri uurimine võimaldab saada teavet selle optiliste omaduste kohta. Mis tahes täiendava sümmeetria olemasolu FK-s võimaldab meil piirduda Brillouini tsooni teatud alamdomeeniga, mida nimetatakse taandamatuks. Sellesse taandamatusse tsooni kuuluva lahendused reprodutseerivad kogu Brillouini tsooni lahendusi.
Vasakul: 2D fotooniline kristall, mis koosneb ruudukujulisse võresse pakitud silindritest. Paremal: esimene Brillouini tsoon, mis vastab ruutvõrele. Sinine kolmnurk vastab taandamatule Brillouini tsoonile. G, M ja X- ruudukujulise võre kõrge sümmeetria punktid.
Sagedusvahemikke, mis ei vasta lainevektori ühegi tegeliku väärtuse režiimidele, nimetatakse ribavahemikuks. Selliste tsoonide laius suureneb PC läbilaskvuse kontrasti suurenemisega (fotoonkristalli koostisosade läbitavuste suhe). Kui sellise fotoonkristalli sees tekib keelatud sagedusega kiirgus, ei saa see selles levida (vastab lainevektori kompleksväärtusele). Sellise laine amplituud langeb kristalli sees eksponentsiaalselt (hajuv laine). Sellel põhineb üks fotooniliste kristallide omadusi: spontaanse emissiooni (eelkõige selle summutamise) kontrollimise võimalus. Kui selline kiirgus langeb arvutile väljastpoolt, peegeldub see fotoonkristallilt täielikult. See efekt on aluseks arvuti kasutamisele peegeldavate filtrite, aga ka väga peegeldavate seintega resonaatorite ja lainejuhtide jaoks.
Reeglina on madalsageduslikud režiimid koondunud peamiselt suure dielektrilise konstandiga kihtidesse, kõrgsageduslikud režiimid aga enamasti madalama dielektrilise konstandiga kihtidesse. Seetõttu nimetatakse esimest tsooni sageli dielektriliseks tsooniks ja sellele järgnevat õhutsooniks.
Ühemõõtmelise arvuti ribastruktuur, mis vastab kihtidega risti laine levimisele. Kõigil kolmel juhul on iga kihi paksus 0,5 a, kus a- FC periood. Vasak: igal kihil on sama läbitavus ε
= 13. Keskpunkt: vahelduvate kihtide läbilaskvusel on väärtused ε
= 12 ja ε
= 13. Paremal: ε
= 1 ja ε
= 13.
Arvuti puhul, mille mõõtmed on väiksemad kui kolm, ei ole kõigis suundades täielikke ribavahemikke, mis on ühe või kahe suuna olemasolu tagajärg, mida mööda arvuti on homogeenne. Intuitiivselt võib seda seletada asjaoluga, et laine ei koge nendes suundades mitut peegeldust, mis on vajalik ribavahede tekkeks.
Sellele vaatamata on võimalik luua ühemõõtmelisi personaalarvuteid, mis peegeldaksid arvutile langevaid laineid mis tahes nurga all.
Ühemõõtmelise arvuti ribastruktuur koos punktiga a, milles vahelduvate kihtide paksused on 0,2 a ja 0,8 a ja nende lubatavus - ε
= 13 ja ε
= 1, vastavalt. Joonise vasakpoolne osa vastab laine levimise suunale risti kihtidega (0, 0, k z) ja parempoolne - kihtide suunas (0, k y , 0). Ribavahe eksisteerib ainult kihtidega risti oleva suuna jaoks. Pange tähele, et millal k y > 0, degeneratsioon eemaldatakse kahe erineva polarisatsiooni korral.
Opaalgeomeetriaga arvuti ribastruktuur on esitatud allpool. On näha, et sellel arvutil on lainepikkusel umbes 1,5 µm kogu ribalaius ja üks peatusriba ning peegelduse maksimum on lainepikkusel 2,5 µm. Muutes ränimaatriksi söövitusaega ühes pöördopaali valmistamise etapis ja muutes seeläbi sfääride läbimõõtu, on võimalik ribalaiust lokaliseerida teatud lainepikkuste vahemikus. Autorid märgivad, et sarnaste omadustega struktuuri saab kasutadaes. Ribavahe sagedusega kiirgust saab lokaliseerida arvuti helitugevuse sees ja vajaliku kanali olemasolul võib see levida praktiliselt ilma kadudeta. Sellise kanali saab moodustada näiteks fotooniliste kristallide elementide eemaldamisega mööda teatud joont. Kui kanal on painutatud, muudab ka elektromagnetlaine suunda, korrates kanali kuju. Seega peaks sellist arvutit kasutama ülekandeseadmena kiirgava seadme ja signaali töötleva optilise mikrokiibi vahel.
Eksperimentaalselt mõõdetud GL-suunalise peegeldusspektri ja tasapinnalise lainepaisumise meetodil arvutatud riba struktuuri võrdlus silikoon (Si) pöördopaali jaoks, millel on näokeskne kuupvõre (sisend näitab esimest Brillouini tsooni). Räni mahuosa on 22%. Resti pikkus 1,23 µm
Ühemõõtmeliste personaalarvutite puhul piisab ribavahe moodustamiseks ka väikseimast läbilaskvuse kontrastist. Näib, et kolmemõõtmeliste dielektriliste personaalarvutite puhul võib teha sarnase järelduse: eeldada täieliku ribalaiuse olemasolu mis tahes väikese dielektrilise läbilaskvuse kontrasti korral juhul, kui Brillouini tsooni piiril on vektoril samad moodulid kõigis suundades (mis vastab sfäärilisele Brillouini tsoonile). Sfäärilise Brillouini tsooniga kolmemõõtmelisi kristalle looduses aga ei eksisteeri. Reeglina on sellel üsna keeruline hulknurkne kuju. Seega selgub, et eri suundades olevad ribalaiused eksisteerivad erinevatel sagedustel. Ainult siis, kui dielektriline kontrastsus on piisavalt suur, võivad eri suundades olevad tõkkeribad kattuda ja moodustada igas suunas täieliku ribavahe. Sfäärilisele kõige lähemal (ja seega kõige sõltumatum Blochi vektori suunast) on näokeskse kuupmeetri (fcc) ja rombivõre esimene Brillouini tsoon, mis muudab selle struktuuriga 3D-arvutid kõige sobivamaks kogu ribalaiuse moodustamiseks. spekter. Samal ajal on selliste personaalarvutite spektrites kogu ribalünkade ilmnemiseks vajalik dielektrilise konstandi suur kontrast. Kui me tähistame pilu suhtelist laiust kui , siis väärtuste 5\%" align="absmiddle"> saavutamiseks on vajalik kontrastsus vastavalt teemant- ja fcc-restile. , pidades meeles, et kõik arvutid, mis on saadud katsed ei ole ideaalsed ja konstruktsiooni defektid võivad ribavahet oluliselt vähendada.
Kuubikujulise näokeskse võre esimene Brillouini tsoon ja kõrge sümmeetria punktid.
Kokkuvõtteks märgime tahke aine ribastruktuuri silmas pidades veel kord personaalarvutite optiliste omaduste sarnasust elektronide omadustega kvantmehaanikas. Footonite ja elektronide vahel on aga oluline erinevus: elektronidel on tugev vastastikmõju. Seetõttu nõuavad "elektroonilised" probleemid reeglina paljude elektronide efektidega arvestamist, mis suurendavad oluliselt probleemi dimensiooni, mis sunnib sageli kasutama ebapiisavalt täpseid lähendusi, samas kui arvutis, mis koosneb tühise mittelineaarsusega elementidest. optilise vastuse korral see raskus puudub.
Kaasaegse optika paljutõotav valdkond on kiirguse juhtimine fotooniliste kristallide abil. Eelkõige uuriti Sandia laboris palgivaiadega personaalarvuteid, et saavutada metallifotooniliste kristallide emissiooni kõrge selektiivsus lähi-infrapuna vahemikus, samaaegselt tugeva kiirguse mahasurumisega keskmises IR-vahemikus (<20мкм). В этих работах было показано, что для таких ФК излучение в среднем ИК диапазоне сильно подавлено из-за наличия в спектре ФК полной фотонной щели. Однако качество полной фотонной щели падает с ростом температуры из-за увеличения поглощения в вольфраме, что приводит к низкой селективности излучения при высоких температурах.
Vastavalt Kirchhoffi seadusele kiirguse kohta termilises tasakaalus on halli keha (või pinna) kiirgusvõime võrdeline selle neeldumisvõimega. Seetõttu saab metalliliste personaalarvutite kiirgusvõime kohta teabe saamiseks uurida nende neeldumisspektreid. Et saavutada kiirgava struktuuri kõrge selektiivsus nähtavas vahemikus (nm), mis sisaldab PC-d, on vaja valida sellised tingimused, mille korral neeldumine nähtavas vahemikus on suur ja IR-s on alla surutud.
Oma töödes http analüüsisime üksikasjalikult fotooniliste kristallide neeldumisspektri muutust koos volframi elementidega ja opaali geomeetriaga koos kõigi selle geomeetriliste parameetrite muutusega: võreperiood, volframelementide suurus ja arv. kihtidest arvutiproovis. Analüüsiti ka arvuti defektide mõju neeldumisspektrile, mis tekivad selle valmistamisel.
Idee nanosuuruses struktuuride ja fotooniliste kristallide fotoonikast sündis optilise riba struktuuri loomise võimalust analüüsides. Eeldati, et optilise riba struktuuris, nagu ka pooljuhtriba struktuuris, peaksid eksisteerima erineva energiaga footonite lubatud ja keelatud olekud. Teoreetiliselt pakuti välja keskkonna mudel, milles võre perioodilise potentsiaalina kasutati perioodilisi muutusi keskkonna läbilaskvuses või murdumisnäitajas. Seega võeti kasutusele mõiste "fotooniline ribalõhe" "fotoonilises kristallis".
Fotooniline kristall on supervõre, milles väli on kunstlikult loodud ja selle periood on suurusjärkude võrra suurem kui põhivõre periood. Fotoonkristall on teatud perioodilise struktuuri ja ainulaadsete optiliste omadustega poolläbipaistev dielektrik.
Perioodiline struktuur moodustub kõige väiksematest aukudest, mis perioodiliselt muudavad dielektrilist konstanti r. Nende aukude läbimõõt on selline, et läbivad rangelt määratletud pikkusega valguslained. Kõik muud lained neelduvad või peegelduvad.
Moodustuvad fotoonilised ribad, milles valguse levimise faasikiirus sõltub e. Kristllis levib valgus koherentselt ja tekivad keelatud sagedused, olenevalt levimise suunast. Fotooniliste kristallide Braggi difraktsioon toimub optilise lainepikkuse vahemikus.
Selliseid kristalle nimetatakse fotooniliste ribade materjalideks (PBG). Kvantelektroonika seisukohalt ei kehti Einsteini seadus stimuleeritud emissiooni kohta sellises aktiivses keskkonnas. Vastavalt sellele seadusele on indutseeritud emissiooni ja neeldumise määrad võrdsed ning ergastatud väärtuste summa N 2 ja põnevil
aatomite JV on A, + N. = N. Siis või 50%.
Fotoonilistes kristallides on võimalik 100% populatsiooni inversioon. See võimaldab vähendada pumba võimsust ja vähendada kristalli tarbetut kuumenemist.
Kui kristalli mõjutavad helilained, siis võib muutuda kristallile iseloomulik valguslaine pikkus ja valguslaine liikumissuund. Fotooniliste kristallide eripäraks on peegeldusteguri proportsionaalsus R valgus spektri pika lainepikkuses selle sageduse ruudus co 2, mitte nagu Rayleighi hajumise korral R~ alates 4 . Optilise spektri lühilainekomponenti kirjeldavad geomeetrilise optika seadused.
Fotooniliste kristallide tööstuslikus loomises on vaja leida tehnoloogia kolmemõõtmeliste supervõrede loomiseks. See on väga keeruline ülesanne, kuna litograafiameetodeid kasutavad standardsed replikatsioonitehnikad on 3D-nanostruktuuride loomiseks vastuvõetamatud.
Teadlaste tähelepanu köitis üllas opaal (joon. 2.23). Kas see on mineraal Si() 2? P 1.0 hüdroksiidi alamklass. Looduslikes opaalides täidetakse gloobulite tühimikud ränidioksiidi ja molekulaarveega. Nanoelektroonika seisukohalt on opaalid tihedalt pakitud (peamiselt kuupseaduse järgi) ränidioksiidi nanosfäärid (gloobulid). Nanosfääride läbimõõt jääb reeglina vahemikku 200–600 nm. Ränidogloobulite pakend moodustab kolmemõõtmelise võre. Sellised supervõred sisaldavad struktuurseid tühimikke suurusega 140–400 nm, mida saab täita pooljuht-, optiliselt aktiivsete ja magnetiliste materjalidega. Opaalilaadses struktuuris on võimalik luua nanomõõtmelise struktuuriga kolmemõõtmeline võre. Optilise opaalmaatriksi struktuur võib toimida 3E fotoonilise kristallina.
Välja on töötatud oksüdeeritud makropoorse räni tehnoloogia. Selle tehnoloogilise protsessi alusel loodi kolmemõõtmelised struktuurid ränidioksiidi tihvtide kujul (joon. 2.24).
Nendes struktuurides leiti fotooniliste ribade lünki. Ribavahe parameetreid saab muuta litograafiliste protsesside etapis või tihvti struktuuri täitmisel muude materjalidega.
Fotoonkristallide baasil on välja töötatud mitmesuguseid lasereid. Teine fotoonilistel kristallidel põhinevate optiliste elementide klass on fotoonilised kristallkiud(FKV). Neil on
Riis. 2.23. Sünteetilise opaali struktuur (a) ja looduslikud opaalid (b)"
" Allikas: Gudilin E. A.[ja jne]. Nanomaailma rikkus. Fotoessee mateeria sügavustest; toim. Yu. D. Tretjakova. M.: BINOM. Teadmiste labor, 2010.
Riis. 2.24.
ribavahemik antud lainepikkuste vahemikus. Erinevalt tavalistest optilistest kiududest on fotooniliste ribalaiuse kiududel võime nihutada nulldispersiooni lainepikkust spektri nähtavale piirkonnale. Sel juhul on ette nähtud tingimused nähtava valguse levimise solitonirežiimide jaoks.
Muutes õhutorude suurust ja vastavalt ka südamiku suurust, on võimalik suurendada valguskiirguse võimsuse kontsentratsiooni, kiudude mittelineaarseid omadusi. Kiudude ja katte geomeetriat muutes saab soovitud lainepikkuse vahemikus optimaalse kombinatsiooni tugevast mittelineaarsusest ja madalast dispersioonist.
Joonisel fig. 2.25 esitatakse FCF-ile. Need on jagatud kahte tüüpi. Esimest tüüpi nimetatakse pideva valgust juhtiva südamikuga FKV-ks. Struktuurselt on selline kiud valmistatud kvartsklaasist südamiku kujul fotoonkristalli kestas. Selliste kiudude laineomadused tagavad nii täieliku sisemise peegelduse kui ka fotoonkristalli ribaomadused. Seetõttu levivad madala astme režiimid sellistes kiududes laias spektrivahemikus. Kõrgetasemelised režiimid nihutatakse kesta ja lagunevad seal. Sel juhul määrab kristalli lainejuhtivad omadused nulljärku režiimide jaoks täieliku sisemise peegelduse mõjuga. Fotoonkristalli ribastruktuur avaldub vaid kaudselt.
Teist tüüpi FKV-l on õõnes valgust juhtiv südamik. Valgus võib levida nii läbi kiu südamiku kui ka läbi katte. Keskmes
Riis. 2.25.
a - pideva valgust juhtiva südamikuga sektsioon;
6 - õõnsa valgust juhtiva elamuribaga sektsiooni murdumisnäitaja on väiksem kui kesta keskmine murdumisnäitaja. See võimaldab oluliselt suurendada transporditava kiirguse võimsust. Praegu on loodud kiud, mille kadu on 0,58 dB / km lainepikkusel X= 1,55 µm, mis on lähedane standardse ühemoodilise kiu kadudele (0,2 dB/km).
Fotooniliste kristallkiudude muude eeliste hulgas märgime järgmist:
- ühemoodiline režiim kõigi arvutatud lainepikkuste jaoks;
- lai valik peamisi moepunktide muutusi;
- dispersioonikoefitsiendi püsiv ja kõrge väärtus lainepikkustel 1,3-1,5 μm ja nulldispersioon lainepikkustel nähtavas spektris;
- kontrollitud polarisatsiooni väärtused, grupikiiruse dispersioonid, ülekandespekter.
Fotoonkristallkattega kiude kasutatakse laialdaselt optika, laserfüüsika ja eriti telekommunikatsioonisüsteemide probleemide lahendamiseks. Viimasel ajal on huvi äratanud mitmesugused fotoonkristallides tekkivad resonantsid. Polaritoni efektid fotoonilistes kristallides toimuvad elektronide ja footonite resonantsi interaktsiooni käigus. Optilisest lainepikkusest palju väiksema perioodiga metall-dielektriliste nanostruktuuride loomisel on võimalik realiseerida olukord, kus tingimused r
Fotoonika arendamise väga oluliseks tooteks on kiudoptilised telekommunikatsioonisüsteemid. Nende toimimine põhineb teabesignaali elektro-optilisel muundamisel, moduleeritud optilise signaali edastamisel fiiberoptilisele valgusjuhikule ja pöördopto-elektroonilisele muundamisele.
Viimasel kümnendil on mikroelektroonika areng aeglustunud, kuna standardsete pooljuhtseadmete kiiruse piirid on juba praktiliselt saavutatud. Üha rohkem uuringuid on pühendatud pooljuhtelektroonikale alternatiivsete valdkondade arendamisele - need on spintroonika, ülijuhtivate elementidega mikroelektroonika, fotoonika ja mõned teised.
Uus info edastamise ja töötlemise põhimõte valgussignaali, mitte elektrisignaali abil, võib kiirendada infoajastu uue etapi algust.
Lihtsatest kristallidest fotoonilisteni
Tuleviku elektroonikaseadmete aluseks võivad olla fotoonkristallid - need on sünteetilised korrastatud materjalid, mille dielektriline konstant muutub perioodiliselt struktuuri sees. Traditsioonilise pooljuhi kristallvõres viib aatomite paigutuse korrapärasus, perioodilisus nn ribaenergia struktuuri tekkeni - lubatud ja keelatud tsoonidega. Elektron, mille energia langeb lubatud ribasse, saab liikuda läbi kristalli, samas kui elektron, mille energia on ribavahes, on "lukus".
Analoogiliselt tavalise kristalliga tekkis fotoonkristalli idee. Selles põhjustab läbilaskvuse perioodilisus fotooniliste tsoonide ilmnemist, eriti keelatud tsooni, mille sees teatud lainepikkusega valguse levik on maha surutud. See tähendab, et fotoonilised kristallid, mis on läbipaistvad laiale elektromagnetilise kiirguse spektrile, ei edasta valgust valitud lainepikkusega (võrdne struktuuri kahekordse perioodiga optilise tee pikkuses).
Fotoonilised kristallid võivad olla erinevate mõõtmetega. Ühemõõtmelised (1D) kristallid on mitmekihiline struktuur, mis koosneb erinevate murdumisnäitajatega vahelduvatest kihtidest. Kahemõõtmelisi fotoonkristalle (2D) saab kujutada erineva läbilaskvusega varraste perioodilise struktuurina. Fotoonkristallide esimesed sünteetilised prototüübid olid kolmemõõtmelised ja need lõid 1990. aastate alguses uurimiskeskuse töötajad Belli laborid(USA). Perioodilise võre saamiseks dielektrilises materjalis puurisid Ameerika teadlased silindrilised augud nii, et saadi kolmemõõtmeline tühimike võrgustik. Selleks, et materjalist saaks fotooniline kristall, moduleeriti selle läbilaskvust perioodiga 1 sentimeeter kõigis kolmes mõõtmes.
Fotooniliste kristallide looduslikud analoogid on pärlmutterkatted kestadest (1D), merihiire antennid, hulkrakne uss (2D), Aafrika purjeka liblika tiivad ja poolvääriskivid, näiteks opaal (3D).
Kuid isegi tänapäeval on isegi kõige kaasaegsemate ja kallimate elektronlitograafia ja anisotroopsete ioonide söövitamise meetodite abil keeruline toota defektideta kolmemõõtmelisi fotoonkristalle, mille paksus on üle 10 struktuurielemendi.
Fotoonilised kristallid peaksid leidma laialdast rakendust fotoonilistes integraaltehnoloogiates, mis tulevikus asendavad arvutite elektrilisi integraallülitusi. Kui teavet edastatakse elektronide asemel footonite abil, väheneb energiatarve järsult, taktsagedused ja teabeedastuskiirused suurenevad.
Titaanoksiidi fotoonkristall
Titaanoksiidil TiO 2 on unikaalsete omaduste kogum, nagu kõrge murdumisnäitaja, keemiline stabiilsus ja madal toksilisus, mistõttu on see kõige lootustandvam materjal ühemõõtmeliste fotooniliste kristallide loomiseks. Kui arvestada päikesepatareide fotooniliste kristallidega, siis titaanoksiid võidab siin oma pooljuhtomaduste tõttu. Varem on näidatud päikesepatareide efektiivsuse suurenemist, kasutades perioodilise fotoonilise kristallstruktuuriga pooljuhtkihti, sealhulgas titaanoksiidi fotoonkristalle.
Kuid seni on titaandioksiidil põhinevate fotooniliste kristallide kasutamist piiranud reprodutseeritava ja odava tehnoloogia puudumine nende loomiseks.
Moskva Riikliku Ülikooli keemia- ja materjaliteaduskonna liikmed Nina Sapoletova, Sergei Kušnir ja Kirill Napolsky on parandanud poorsetel titaanoksiidkiledel põhinevate ühemõõtmeliste fotoonkristallide sünteesi.
"Klapimetallide, sealhulgas alumiiniumi ja titaani anodeerimine (elektrokeemiline oksüdeerimine) on tõhus meetod nanomeetri suuruste kanalitega poorsete oksiidkilede saamiseks," selgitas elektrokeemilise nanostruktureerimise rühma juht, keemiateaduste kandidaat Kirill Napolsky.
Anodeerimine toimub tavaliselt kaheelektroodilises elektrokeemilises rakus. Kaks metallplaati, katood ja anood, lastakse elektrolüüdi lahusesse ja rakendatakse elektripinget. Katoodil eraldub vesinik ja anoodil toimub metalli elektrokeemiline oksüdatsioon. Kui elemendile rakendatavat pinget perioodiliselt muuta, moodustub anoodile poorne kile, mille poorsus on määratud paksusega.
Efektiivset murdumisnäitajat moduleeritakse, kui pooride läbimõõt struktuuris perioodiliselt muutub. Varem välja töötatud titaani anodeerimistehnikad ei võimaldanud saada materjale, mille struktuuri perioodilisus on kõrge. Moskva Riikliku Ülikooli keemikud on välja töötanud uue meetodi metalli anodeerimiseks pingemodulatsiooniga sõltuvalt anodeerimislaengust, mis võimaldab suure täpsusega luua poorseid anoodseid metallioksiide. Uue tehnika võimalusi demonstreerisid keemikud, kasutades näitena anoodse titaanoksiidi ühemõõtmelisi fotoonkristalle.
Anodeerimispinge muutmise tulemusena siinusseaduse järgi vahemikus 40–60 volti said teadlased konstantse välisläbimõõduga ja perioodiliselt muutuva siseläbimõõduga anoodse titaanoksiidi nanotorud (vt joonist).
„Varem kasutatud anodeerimismeetodid ei võimaldanud saada suure struktuuriperioodilisusega materjale. Oleme välja töötanud uue metoodika, mille võtmekomponendiks on kohapeal(kohe sünteesi ajal) anodeeriva laengu mõõtmine, mis võimaldab suure täpsusega kontrollida erineva poorsusega kihtide paksust moodustunud oksiidkiles, ”selgitas üks töö autoreid, keemiateaduste kandidaat Sergei Kushnir.
Väljatöötatud tehnika lihtsustab anoodsetel metallioksiididel põhinevate moduleeritud struktuuriga uute materjalide loomist. "Kui me käsitleme anoodse titaanoksiidi fotoonkristallide kasutamist päikesepatareides kui tehnika praktilist rakendust, siis jääb süstemaatiline uuring selliste fotooniliste kristallide struktuuriparameetrite mõju kohta päikesepatareide valguse muundamise efektiivsusele. ellu viia,” täpsustas Sergei Kushnir.
Fotooniliste kristallide ebatavalistest omadustest on avaldatud palju töid ja viimasel ajal ka monograafiaid. Tuletame meelde, et fotoonkristallid on sellised tehiskeskkonnad, milles dielektriliste parameetrite (see tähendab murdumisnäitaja) perioodilise muutumise tõttu muutuvad elektromagnetlainete (valgus) levivad omadused sarnaseks reaalsetes kristallides levivate elektronide omadustega. Vastavalt sellele rõhutab termin "fotooniline kristall" footonite ja elektronide sarnasust. Footonite omaduste kvantifitseerimine viib selleni, et fotoonkristallides leviva elektromagnetlaine spektris võivad tekkida keelatud ribad, milles footoni olekute tihedus on võrdne nulliga.
Absoluutse ribalaiusega kolmemõõtmeline fotooniline kristall realiseeriti esmakordselt mikrolainevahemikus olevate elektromagnetlainete jaoks. Absoluutse ribalaiuse olemasolu tähendab, et elektromagnetlained teatud sagedusribas ei saa antud kristallis levida üheski suunas, kuna sellele sagedusribale vastavate footonite olekutihedus on kristalli mis tahes punktis võrdne nulliga. . Sarnaselt tõelistele kristallidele võivad fotoonilised kristallid olla ribalaiuse olemasolu ja omaduste poolest juhid, pooljuhid, isolaatorid ja ülijuhid. Kui fotoonilise kristalli ribalaiuses on "defekte", siis on võimalik footoni "püüdmine" "defektiga" sarnaselt sellele, kuidas elektron või auk püütakse kinni vastava lisandiga, mis asub ribalaius. pooljuhist.
Selliseid levivaid laineid, mille energia paikneb ribalaiuse sees, nimetatakse defektirežiimideks.
fotooniliste kristallide metamaterjali murdumine
Nagu juba märgitud, täheldatakse fotooniliste kristallide ebatavalisi omadusi, kui kristalli ühikuraku mõõtmed on suurusjärgus selles leviva laine pikkuses. On selge, et ideaalseid fotoonkristalle on nähtavas valguses võimalik toota ainult submikronitehnoloogiate abil. Kaasaegse teaduse ja tehnoloogia tase võimaldab luua selliseid kolmemõõtmelisi kristalle.
Fotoonkristallide kasutusalasid on üsna palju – optilised isolaatorid, optilised isolaatorid, lülitid, multiplekserid jne. Praktilisest vaatenurgast on üheks äärmiselt oluliseks struktuuriks fotoonkristallilised optilised kiud. Need valmistati esmalt klaaskapillaaride komplektist, mis olid kokku pandud tihedaks pakendiks, mis seejärel viidi läbi tavapäraselt. Tulemuseks oli optiline kiud, mis sisaldas korrapäraselt asetsevaid auke, mille iseloomulik suurus oli umbes 1 μm. Seejärel saadi erineva konfiguratsiooniga ja erinevate omadustega optilised fotoonkristallkiud (joonis 9).
Raadiotehnika ja elektroonika instituudis ning Venemaa Teaduste Akadeemia fiiberoptika uurimiskeskuses on välja töötatud uus puurimismeetod fotoonkristalliliste valgusjuhiste loomiseks. Kõigepealt puuriti paksu kvartstoorikusse suvalise maatriksiga mehaanilised augud ja seejärel joonistati toorik. Selle tulemusena saadi kvaliteetne fotooniline kristallkiud. Sellistes kiududes on lihtne tekitada erineva kuju ja suurusega defekte, nii et neis saab korraga ergastada mitut valgusrežiimi, mille sagedused asuvad fotoonkristalli ribalaiuses. Eelkõige võivad defektid olla õõnsa kanali kujul, nii et valgus levib mitte kvartsis, vaid läbi õhu, mis võib märkimisväärselt vähendada kadusid fotooniliste kristallkiudude pikkades osades. Nähtava ja infrapunakiirguse levimisega fotoonilistes kristallkiududes kaasnevad mitmesugused füüsikalised nähtused: Ramani hajumine, harmooniline segunemine, harmooniliste genereerimine, mis lõpuks viib superkontiinumi tekkeni.
Füüsikaliste efektide ja võimalike rakenduste uurimise seisukohalt pole vähem huvitavad ühe- ja kahemõõtmelised fotoonilised kristallid. Rangelt võttes ei ole need struktuurid fotoonilised kristallid, kuid neid võib sellisteks pidada, kui elektromagnetlained levivad teatud suundades. Tüüpiline ühemõõtmeline fotooniline kristall on mitmekihiline perioodiline struktuur, mis koosneb vähemalt kahe väga erinevate murdumisnäitajatega aine kihtidest. Kui elektromagnetlaine levib mööda normaalset, tekib sellisesse struktuuri teatud sageduste jaoks keelatud riba. Kui struktuuri üks kihtidest asendatakse erineva murdumisnäitajaga ainega või muudetakse ühe kihi paksust, siis on selline kiht defekt, mis on võimeline püüdma lainet, mille sagedus on ribalaiuses.
Magnetdefekti kihi olemasolu dielektrilises mittemagnetilises struktuuris põhjustab sellises struktuuris levimise ajal laine Faraday pöörlemise mitmekordset suurenemist ja keskkonna optilise läbipaistvuse suurenemist.
Üldiselt võib magnetkihtide olemasolu fotoonilistes kristallides oluliselt muuta nende omadusi, eelkõige mikrolainealas. Fakt on see, et mikrolainepiirkonnas on ferromagnetite magnetiline läbilaskvus teatud sagedusalas negatiivne, mis hõlbustab nende kasutamist metamaterjalide loomisel. Konjugeerides selliseid aineid metalliliste mittemagnetiliste kihtide või üksikutest juhtidest koosnevate struktuuridega või juhtide perioodiliste struktuuridega, on võimalik toota struktuure, mille magnetilise ja dielektrilise läbilaskvuse väärtus on negatiivne. Näiteks võib tuua Venemaa Teaduste Akadeemia Raadiotehnika ja elektroonika instituudis loodud struktuurid, mis on loodud magnetostaatiliste spin-lainete "negatiivse" peegelduse ja murdumise tuvastamiseks. Selline struktuur on ütriumraudgranaadist kile, mille pinnal on metallist juhid. Õhukestes ferromagnetkiledes levivate magnetostaatiliste spin-lainete omadused sõltuvad tugevalt välisest magnetväljast. Üldjuhul on üks sellistest lainete tüüpidest tagurpidi laine, seega on lainevektori ja Poyntingi vektori skalaarkorrutis seda tüüpi laine puhul negatiivne.
Tagurpidi lainete olemasolu fotoonilistes kristallides on tingitud ka kristalli enda omaduste perioodilisusest. Eelkõige lainete puhul, mille lainevektorid asuvad esimeses Brillouini tsoonis, võib levimise tingimus olla täidetud nagu otselainete puhul ja samade lainete puhul teises Brillouini tsoonis, nagu tagurpidi lainete puhul. Nagu metamaterjalid, võivad ka fotoonilised kristallid avaldada levivates lainetes ebatavalisi omadusi, nagu "negatiivne" murdumine.
Fotoonkristallid võivad aga olla metamaterjaliks, mille puhul on "negatiivse" murdumise nähtus võimalik mitte ainult mikrolainealas, vaid ka optilises sagedusalas. Katsed kinnitavad "negatiivse" murdumise olemasolu fotoonilistes kristallides lainete puhul, mille sagedused on kõrgemad kui Brillouini tsooni keskpunkti lähedal oleva esimese keelatud tsooni sagedus. See on tingitud rühma negatiivsest kiirusest ja sellest tulenevalt laine negatiivsest murdumisnäitajast. Tegelikult muutuvad selles sagedusvahemikus lained tagurpidi.
