Fotooniline kristall. Fotooniliste kristallide elektrokeemia lihtkristallidest fotooniliste kristallideni
Fotooniliste kristallide valmistamise meetodite klassifikatsioon. Looduses leiduvad fotoonilised kristallid on haruldus. Neid eristab eriline sillerdav valgusemäng – optiline nähtus, mida nimetatakse irisatsiooniks (kreeka keelest tõlgituna – vikerkaar). Nende mineraalide hulka kuuluvad kaltsiit, labradoriit ja opaal SiO 2 × n ∙ H 2 O koos erinevate lisanditega. Tuntuim neist on opaal – poolvääriskis mineraal, mis on monodisperssetest sfäärilistest ränioksiidi gloobulitest koosnev kolloidne kristall. Viimase valguse mängust tuleneb termin opalestsents, mis tähistab ainult sellele kristallile iseloomulikku kiirguse hajumise eriliiki.
Peamised fotooniliste kristallide valmistamise meetodid hõlmavad meetodeid, mida saab jagada kolme rühma:
1. Fotooniliste kristallide spontaanse moodustumise meetodid. Selles meetodite rühmas kasutatakse kolloidseid osakesi, nagu monodisperssed silikooni- või polüstüreeniosakesed, aga ka muid materjale. Sellised osakesed, mis on aurustumise ajal vedelas aurus, sadestuvad teatud mahus. Kui osakesed asetuvad üksteise peale, moodustavad nad kolmemõõtmelise fotoonilise kristalli ja paiknevad valdavalt näokeskses või kuusnurkses kristallvõres. Võimalik on ka kärgstruktuuri meetod, mis põhineb vedeliku, milles osakesed paiknevad, filtreerimisel läbi väikeste eoste. Kuigi kärgstruktuuri meetod võimaldab moodustada kristalle suhteliselt suure kiirusega, mille määrab vedeliku läbi pooride voolamise kiirus, tekivad sellistes kristallides kuivamisel defektid. On ka teisi meetodeid, mis kasutavad fotooniliste kristallide spontaanset moodustumist, kuid igal meetodil on oma eelised ja puudused. Kõige sagedamini kasutatakse neid meetodeid sfääriliste kolloidsete silikooniosakeste ladestamiseks, kuid sellest tulenev murdumisnäitaja kontrast on suhteliselt väike.
2. Objekti söövitamist kasutavad meetodid. Selles meetodite rühmas kasutatakse pooljuhi pinnale moodustatud fotoresist maski, mis määrab söövituspiirkonna geomeetria. Sellist maski kasutades moodustub fotoresistiga mitte kaetud pooljuhi pinna söövitamise teel kõige lihtsam fotooniline kristall. Selle meetodi puuduseks on vajadus kasutada kõrge eraldusvõimega fotolitograafiat kümnete ja sadade nanomeetrite tasemel. Samuti kasutatakse fokuseeritud ioonide, näiteks Ga, kiirte abil fotooniliste kristallide valmistamiseks söövitamise teel. Sellised ioonkiired võimaldavad eemaldada osa materjalist ilma fotolitograafiat ja täiendavat söövitamist kasutamata. Söövituskiiruse suurendamiseks ja selle kvaliteedi parandamiseks ning materjalide ladestamiseks söövitatud alade sees kasutatakse täiendavat töötlemist vajalike gaasidega.
3. Holograafilised meetodid. Sellised meetodid põhinevad holograafia põhimõtete rakendamisel. Holograafia abil moodustuvad murdumisnäitaja perioodilised muutused ruumilistes suundades. Selleks kasutage kahe või enama koherentse laine interferentsi, mis loob elektromagnetkiirguse intensiivsuse perioodilise jaotuse. Ühemõõtmelised fotoonilised kristallid tekivad kahe laine interferentsiga. Kahe- ja kolmemõõtmelised fotoonilised kristallid tekivad kolme või enama laine interferentsiga.
Konkreetse fotooniliste kristallide valmistamise meetodi valiku määrab suuresti asjaolu, mis mõõtmega konstruktsiooni on vaja valmistada – kas ühe-, kahe- või kolmemõõtmelisena.
Ühemõõtmelised perioodilised struktuurid. Lihtsaim ja levinuim viis ühemõõtmeliste perioodiliste struktuuride saamiseks on dielektrilistest või pooljuhtmaterjalidest polükristalliliste kilede vaakumkiht-kihiline sadestamine. See meetod on laialt levinud seoses perioodiliste struktuuride kasutamisega laserpeeglite ja interferentsifiltrite tootmisel. Sellistes struktuurides on umbes 2 korda erinevate murdumisnäitajatega materjalide (näiteks ZnSe ja Na 3 AlF 6) kasutamisel võimalik tekitada kuni 300 nm laiuseid spektraalseid peegeldusribasid (fotoonilised ribad), mis katavad peaaegu kogu spektri nähtav piirkond.
Viimastel aastakümnetel saavutatud edusammud pooljuhtide heterostruktuuride sünteesis võimaldavad luua täielikult ühekristallseid struktuure, mille murdumisnäitaja muutub perioodiliselt kasvusuunas, kasutades molekulaarkiirepitaksikat või metallorgaanilisi ühendeid kasutades aurustades. Praegu kuuluvad sellised struktuurid vertikaalsete õõnsustega pooljuhtlaserite hulka. Maksimaalne praegu saavutatav materjalide murdumisnäitajate suhe vastab ilmselt GaAs/Al 2 O 3 paarile ja on umbes 2. Tuleb märkida selliste peeglite kristallstruktuuri kõrget täiuslikkust ja peeglite moodustamise täpsust. kihi paksus ühe restiperioodi tasemel (umbes 0,5 nm).
Hiljuti on demonstreeritud võimalust luua perioodilisi ühemõõtmelisi pooljuhtstruktuure fotolitograafilise maski ja selektiivse söövitamise abil. Räni söövitamisel on võimalik luua struktuure perioodiga suurusjärgus 1 μm või rohkem, samas kui räni ja õhu murdumisnäitajate suhe lähiinfrapuna piirkonnas on 3,4, mis on enneolematult kõrge väärtus, mida teiste sünteesimeetoditega ei saavutata. . Füüsikalis-tehnilises instituudis saadud sarnase struktuuri näide. A. F. Ioffe RAS (Peterburg), on näidatud joonisel fig. 3.96.
Riis. 3.96. Räni-õhk perioodiline struktuur, mis saadakse anisotroopse söövitamise teel fotolitograafilise maski abil (struktuuri periood 8 µm)
Kahemõõtmelised perioodilised struktuurid. Kahemõõtmelisi perioodilisi struktuure saab valmistada pooljuhtide, metallide ja dielektrikute selektiivse söövitamise teel. Selektiivse söövitamise tehnoloogia on välja töötatud räni ja alumiiniumi jaoks, kuna neid materjale kasutatakse laialdaselt mikroelektroonikas. Näiteks poorset räni peetakse paljulubavaks optiliseks materjaliks, mis võimaldab luua integreeritud optoelektroonilisi süsteeme suure integreeritusega. Täiustatud ränitehnoloogiate kombineerimine kvantsuuruse efektidega ja fotooniliste ribade lünkade moodustamise põhimõtetega on viinud uue suuna – ränifotoonika – väljatöötamiseni.
Submikronilise litograafia kasutamine maskide moodustamiseks võimaldab luua ränistruktuure perioodiga 300 nm või vähem. Nähtava kiirguse tugeva neeldumise tõttu saab räni fotoonkristalle kasutada ainult spektri lähi- ja keskmise infrapuna piirkondades. Söövitamise ja oksüdatsiooni kombinatsioon võimaldab põhimõtteliselt liikuda perioodiliste ränioksiid-õhk struktuurideni, kuid samal ajal ei võimalda madal murdumisnäitaja (komponent 1,45) moodustada täieõiguslikku ribalaiust. kahes mõõtmes.
Paljulubavad tunduvad A 3 B 5 pooljuhtühendite kahemõõtmelised perioodilised struktuurid, mis saadakse ka selektiivse söövitamise teel, kasutades litograafilisi maske või malle. A 3 B 5 ühendid on kaasaegse optoelektroonika peamised materjalid. InP ja GaAs ühenditel on suurem ribavahemik kui ränil ja sama kõrge murdumisnäitaja väärtus kui ränil, vastavalt 3,55 ja 3,6.
Väga huvitavad on alumiiniumoksiidil põhinevad perioodilised struktuurid (joonis 3.97a). Need saadakse metallilise alumiiniumi elektrokeemilise söövitamise teel, mille pinnale moodustatakse litograafia abil mask. Kasutades elektronlitograafilisi malle, saadi täiuslikud kahemõõtmelised perioodilised struktuurid, mis meenutasid kärgesid pooride läbimõõduga alla 100 nm. Tuleb märkida, et alumiiniumi selektiivne söövitamine söövitustingimuste teatud kombinatsioonil võimaldab saada korrapäraseid struktuure isegi ilma maske või malle kasutamata (joonis 3.97b). Sel juhul võib pooride läbimõõt olla vaid mõni nanomeeter, mis on tänapäevaste litograafiameetodite puhul kättesaamatu. Pooride perioodilisus on seotud alumiiniumi oksüdatsiooniprotsessi isereguleerumisega elektrokeemilise reaktsiooni käigus. Algne juhtiv materjal (alumiinium) oksüdeeritakse reaktsiooni käigus Al 2 O 3 -ks. Alumiiniumoksiidkile, mis on dielektrik, vähendab voolu ja aeglustab reaktsiooni. Nende protsesside kombineerimine võimaldab saavutada isemajanduva reaktsioonirežiimi, kus pidev söövitus on võimalik tänu voolu läbiminekule läbi pooride ja reaktsioonisaadus moodustab korrapärase kärgstruktuuri. Pooride mõningane ebakorrapärasus (joonis 3.97b) on tingitud algse polükristallilise alumiiniumkile teralisest struktuurist.
Riis. 3.97. Al 2 O 3 kahemõõtmeline fotooniline kristall: a) valmistatud litograafilise maski abil; b) valmistatud oksüdatsiooniprotsessi iseregulatsiooni abil
Nanopoorse alumiiniumoksiidi optiliste omaduste uuring näitas selle materjali ebatavaliselt suurt läbipaistvust piki pooride suunda. Fresneli peegelduse puudumine, mis paratamatult eksisteerib kahe pideva andmekandja liideses, viib läbilaskvuse väärtusteni, mis ulatuvad 98% -ni. Pooridega risti olevates suundades täheldatakse suurt peegeldust peegeldusteguriga, mis sõltub langemisnurgast.
Alumiiniumoksiidi läbilaskvuse suhteliselt madalad väärtused, erinevalt ränist, galliumarseniidist ja indiumfosfiidist, ei võimalda kahemõõtmelise ribalaiuse tekkimist. Kuid vaatamata sellele on poorse alumiiniumoksiidi optilised omadused üsna huvitavad. Näiteks on sellel väljendunud anisotroopne valguse hajumine, samuti kahekordne murdumine, mis võimaldab seda kasutada polarisatsioonitasandi pööramiseks. Erinevaid keemilisi meetodeid kasutades on võimalik täita poore erinevate oksiididega, aga ka optiliselt aktiivsete materjalidega, nagu mittelineaarsed optilised kandjad, orgaanilised ja anorgaanilised luminofoorid ning elektroluminestseeruvad ühendid.
Kolmemõõtmelised perioodilised struktuurid. Kolmemõõtmelised perioodilised struktuurid on objektid, millel on suurimad tehnoloogilised raskused eksperimentaalsel rakendamisel. Ajalooliselt peetakse esimeseks kolmemõõtmelise fotoonkristalli loomise viisiks E. Yablonovitši pakutud meetod, mis põhineb materjali mahus silindriliste aukude mehaanilisel puurimisel. Sellise kolmemõõtmelise perioodilise struktuuri valmistamine on üsna töömahukas ülesanne, seetõttu on paljud teadlased püüdnud fotoonkristalli luua muude meetoditega. Nii kantakse Lin-Flemingi meetodi puhul ränisubstraadile ränidioksiidi kiht, millesse seejärel moodustatakse paralleelsed ribad, mis täidetakse polükristallilise räniga. Edasi korratakse ränidioksiidi pealekandmise protsessi, kuid ribad moodustatakse risti. Pärast vajaliku arvu kihtide loomist eemaldatakse ränioksiid söövitamise teel. Selle tulemusena moodustub polüräni varrastest "puuhunnik" (joon. 3.98). Tuleb märkida, et tänapäevaste submikroniliste elektronide litograafia ja anisotroopsete ioonide söövitamise meetodite kasutamine võimaldab saada fotoonkristalle paksusega alla 10 struktuurraku.
Riis. 3.98. 3D fotooniline struktuur polüräni vardadest
Laialt on levinud meetodid fotooniliste kristallide loomiseks nähtavale vahemikule, mis põhinevad iseorganiseeruvate struktuuride kasutamisel. Idee fotooniliste kristallide "kokkupanemisest" gloobulitest (pallidest) on laenatud loodusest. Teatavasti on näiteks looduslikel opaalidel fotoonkristallide omadused. Looduslik mineraalne opaal on keemilise koostise järgi muutuva veesisaldusega ränidioksiidi hüdrogeel SiO 2 × H 2 O: SiO 2 - 65 - 90 wt. %; H20 - 4,5-20%; Al2O3 - kuni 9%; Fe 2 O 3 - kuni 3%; TiO 2 - kuni 5%. Elektronmikroskoopiat kasutades leiti, et looduslikud opaalid moodustuvad tihedalt pakitud α-SiO 2 sfäärilistest osakestest, mis on ühtlase suurusega, läbimõõduga 150–450 nm. Iga osake koosneb väiksematest kerakujulistest moodustistest läbimõõduga 5–50 nm. Kerakeste tihendid täidetakse amorfse ränioksiidiga. Hajunud valguse intensiivsust mõjutavad kaks tegurit: esimene on gloobulite "ideaalne" tihe pakend, teine on amorfse ja kristalse oksiidi SiO 2 murdumisnäitajate erinevus. Noble mustadel opaalidel on parim valgusmäng (nende puhul on murdumisnäitaja väärtuste erinevus ~ 0,02).
Kolloidosakestest on võimalik kerakujulisi fotoonkristalle luua mitmel viisil: looduslik settimine (dispergeeritud faasi sadestamine vedelikus või gaasis gravitatsioonivälja või tsentrifugaaljõudude toimel), tsentrifuugimine, membraanide abil filtreerimine, elektroforees jne. Sfäärilised osakesed toimivad kolloidsete osakestena polüstüreen, polümetüülmetakrülaat, ränidioksiidi α-SiO 2 osakesed.
Looduslik sademete meetod on väga aeglane protsess, mis nõuab mitu nädalat või isegi kuud. Suurel määral kiirendab tsentrifuugimine kolloidkristallide moodustumist, kuid sel viisil saadud materjalid on vähem järjestatud, kuna suure sadestuskiiruse korral ei jõua osakeste suuruse järgi eraldumine toimuda. Settimisprotsessi kiirendamiseks kasutatakse elektroforeesi: tekib vertikaalne elektriväli, mis “muudab” osakeste gravitatsiooni sõltuvalt nende suurusest. Kasutatakse ka kapillaarjõudude kasutamisel põhinevaid meetodeid. Põhiidee seisneb selles, et kapillaarjõudude toimel toimub vertikaalse substraadi ja suspensiooni vahelisel meniski piiril kristalliseerumine ning lahusti aurustumisel moodustub peen korrastatud struktuur. Lisaks kasutatakse vertikaalset temperatuurigradienti, mis võimaldab konvektsioonivoolude mõjul protsessi kiirust ja tekkiva kristalli kvaliteeti paremini optimeerida. Üldiselt määravad tehnika valiku nõuded saadud kristallide kvaliteedile ja nende valmistamisele kuluva aja.
Sünteetiliste opaalide loodusliku settimise teel kasvatamise tehnoloogilise protsessi võib jagada mitmeks etapiks. Esialgu valmistatakse sfääriliste ränioksiidikuulikeste monodispersne (diameetri hälve ~5%). Osakeste keskmine läbimõõt võib varieeruda laias vahemikus: 200 kuni 1000 nm. Tuntuim meetod monodisperssete kolloidsete ränidioksiidi mikroosakeste saamiseks põhineb tetraetoksüsilaani Si(C 2 H 4 OH) 4 hüdrolüüsil vesi-alkoholi keskkonnas katalüsaatorina ammooniumhüdroksiidi juuresolekul. Seda meetodit saab kasutada peaaegu ideaalse sfäärilise kujuga sileda pinnaga osakeste saamiseks ja suure monodisperssuse astmega (läbimõõdu hälve alla 3%), samuti väiksemate kui 200 nm suuruste osakeste loomiseks kitsa suurusjaotusega. . Selliste osakeste sisemine struktuur on fraktaalne: osakesed koosnevad tihedalt pakitud väiksematest sfääridest (läbimõõt on mitukümmend nanomeetrit) ja iga sellise sfääri moodustavad 10–100 aatomist koosnevad räni polühüdroksokompleksid.
Järgmine etapp on osakeste ladestumine (joonis 3.99). See võib kesta mitu kuud. Sadestamisetapi lõppedes moodustub tihedalt pakitud perioodiline struktuur. Seejärel sade kuivatatakse ja lõõmutatakse temperatuuril umbes 600 ºС. Lõõmutamise käigus kerad pehmenevad ja deformeeruvad kokkupuutekohtades. Selle tulemusena on sünteetiliste opaalide poorsus väiksem kui ideaalsel tihedal sfäärilisel pakendil. Fotooniliste kristallide kasvutelje suunaga risti asetsevad gloobulid moodustavad väga järjestatud kuusnurksed tihedalt pakitud kihid.
Riis. 3.99. Sünteetiliste opaalide kasvatamise etapid: a) osakeste ladestumine;
b) sademe kuivatamine; c) proovi lõõmutamine
Joonisel fig. 3.100a näitab skaneeriva elektronmikroskoopia abil saadud sünteetilise opaali mikropilti. Kerade mõõtmed on 855 nm. Avatud poorsuse olemasolu sünteetilistes opaalides võimaldab täita tühimikuid erinevate materjalidega. Opaalmaatriksid on omavahel ühendatud nanosuuruses pooride kolmemõõtmelised alamvõred. Pooride suurused jäävad sadadesse nanomeetritesse ja poore ühendavate kanalite suurused ulatuvad kümnete nanomeetriteni. Nii saadakse fotoonkristallidel põhinevaid nanokomposiite. Peamine nõue kvaliteetsete nanokomposiitide loomisel on nanopoorse ruumi täitmise täielikkus. Täitmine toimub erinevate meetoditega: sisestamine sulatis olevast lahusest; immutamine kontsentreeritud lahustega, millele järgneb lahusti aurustamine; elektrokeemilised meetodid, keemiline aurustamine-sadestamine jne.
Riis. 3.100. Fotooniliste kristallide mikrofotod: a) sünteetilisest opaalist;
b) polüstüreeni mikrosfääridest
Ränioksiidi selektiivne söövitamine sellistest komposiitidest põhjustab suure poorsusega (üle 74% mahust) ruumiliselt järjestatud nanostruktuuride moodustumist, mida nimetatakse ümberpööratud või ümberpööratud opaalideks. Seda fotooniliste kristallide saamise meetodit nimetatakse mallimeetodiks. Fotoonkristalli moodustavate järjestatud monodisperssete kolloidosakestena võivad toimida mitte ainult ränioksiidi osakesed, vaid ka näiteks polümeersed osakesed. Polüstüreeni mikrosfääridel põhineva fotoonkristalli näide on näidatud joonisel fig. 3.100b
On näidatud, et sõltuvalt fotodioodide resonaatorisse lisamise polaarsusest toimub vastuse sageduse nihe sageduses üles või alla valgustuse suurenemisega. Uuritavate resonaatorite tundlikkuse suurendamiseks valgustusväärtuse suhtes tehakse ettepanek kasutada sidestatud ringresonaatorite süsteemi. On näidatud, et sidestatud resonaatorite vahelise fikseeritud kauguse korral toimub süsteemi reaktsiooni sageduse jagunemine paaris (heleda) ja paaritu (tume) režiimideks valguse abil. Oleme kindlad, et väljapakutud meetod häälestatavate rõngasresonaatorite loomiseks võimaldab luua uue klassi valgusega juhitavaid metamaterjale.
Seda tööd toetasid Vene Föderatsiooni Haridusministeerium (lepingud nr 14.V37.21.1176 ja nr 14.V37.21.1283), Sihtasutus Dünastia, Sihtasutus RFBR (projekti nr 13-02-00411), ja Vene Föderatsiooni presidendi stipendium noortele teadlastele ja magistrantidele 2012. aastal.
Kirjandus
1. Linden S., Enkrich C., Wegener M., Zhou J., Koschny T., Soukoulis C.M. Metamaterjalide magnetvastus 100 terahertsi juures // Teadus. - 2004. - V. 306. - Lk 1351-1353.
2. Shelby R., Smith D.R. ja Schultz S. Negatiivse murdumisnäitaja eksperimentaalne kontrollimine // Teadus. - 2001. - V. 292. - Lk 77-79.
3. Gansel J.K., Thiel M., Rill M.S., Decker M., Bade K., Saile V., von Freymann G., Linden S., Wegener M. Gold Helix Photonic Metamaterial as Broadband Circular Polarizer // Teadus. - 2009. - V. 325. - P. 15131515.
4. Belov P.A., Hao Y. Alamlainepikkuse pildistamine optilistel sagedustel, kasutades kanalisatsioonirežiimis töötava perioodilise kihilise metall-dielektrilise struktuuri moodustatud ülekandeseadet // Physical Review B. - 2006. - V. 73. - P. 113110.
5. Leonhardti U. Optiline konformne kaardistamine // Teadus. - 2006. - V. 312. - Lk 1777-1780.
6. Kivshar Yu.S., Orlov A.A. Tuunitavad ja mittelineaarsed metamaterjalid // Infotehnoloogia, mehaanika ja optika teadus- ja tehnikabülletään. - 2012. - nr 3 (79). - C. 1-10.
7. Šadrivov I.V., Morrison S.K. ja Kivshar Yu.S. Häälestavad jagatud rõngaga resonaatorid mittelineaarsete negatiivse indeksiga metamaterjalide jaoks // Opt. väljendada. - 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. ja Kivshar Y.S. Split-ring resonaatorite juhtimine valgusega // Applied Physics Letters. - V. 99. - P. 251914 (1-3).
9. Marques R., Martin F. ja Sorolla M. Negatiivsete parameetritega metamaterjalid: teooria, disain ja mikrolainerakendused. - NJ: Wiley & Sons, Inc., Hoboken, 2008. - 315 lk.
Kapitonova Polina Vjatšeslavovna - Peterburi riiklik teadusülikool
Infotehnoloogia, mehaanika ja optika, tehnikateaduste kandidaat, teadur, [e-postiga kaitstud], [e-postiga kaitstud]
Belov Pavel Aleksandrovitš - Peterburi riiklik teadusülikool
Infotehnoloogia, mehaanika ja optika, füüsika-matemaatikadoktor. Teadused, juhtivteadur, [e-postiga kaitstud]
MITME OPTILISE PIKKUSEGA KIHTIDEGA FOTOONILISTE KRISTALLI RIBASTRUKTUURI ANALÜÜS TERAHERTSI VALIKUS
Oh. Denisultanov, M.K. Hodzitski
Lõpmatu fotoonkristalli dispersioonivõrrandist tuletatakse valemid kahekihilise mitme optilise kihi pikkusega fotoonkristallide ribalaiuse piiride ja ribalaiuse täpseks arvutamiseks. terahertsi sagedusvahemikus 0,1 kuni 1 THz. Valemid on kontrollitud fotooniliste kristallide arvulisel simulatsioonil ülekandemaatriksi meetodil ja ajapiirkonna lõplike erinevuste meetodil esimese, teise ja kolmanda optilise pikkuse kordsuse jaoks fotoonkristalli kahekihilises rakus. Teise kordsuse valemid kinnitatakse katseliselt. Märksõnad: fotoonkristall, ribavahe, piirsagedused, mitu optilist pikkust, ülekandemaatriks, metamaterjal.
Sissejuhatus
Viimastel aastatel on ebaharilike omadustega tehismeediumite ("metamaterjalide") uurimine pälvinud huvi üsna suures teadlaste ja inseneride ringis, mis on tingitud nende meediumite paljutõotavast kasutamisest tööstus- ja sõjatööstuses. uut tüüpi filtrid, faasinihutajad, superläätsed, maskeerivad katted jne. .d. . Üks metamaterjalide tüüpe on fotooniline kristall, mis on perioodilisusega kihiline struktuur
suusavahetuse murdumisnäitaja. Fotoonkristalle (PC-d) kasutatakse aktiivselt lasertehnoloogiates, sidevahendites, filtreerimisel tänu sellistele ainulaadsetele omadustele nagu ribastruktuuri olemasolu spektris, superresolutsioon, superprismaefekt jne. . Eriti huvitav on fotooniliste kristallide uurimine terahertsi (THz) vahemikus uut tüüpi materjalide ja bioloogiliste objektide spektroskoopilisteks tomograafilisteks uuringuteks. Teadlased on juba välja töötanud kahe- ja kolmemõõtmelised personaalarvutid THz sagedusvahemiku jaoks ning uurinud nende omadusi, kuid kahjuks puuduvad hetkel täpsed valemid fotoonilise kristalli ribastruktuuri omaduste arvutamiseks, näiteks ribavahe, ribavahe keskpunkt, ribavahe piirid. Selle töö eesmärk on saada valemid ühemõõtmelise fotoonkristalli karakteristikute arvutamiseks esimese, teise ja kolmanda optilise pikkuse kordsusele kahekihilises PC-elemendis ning kontrollida neid valemeid numbrilise simulatsiooni abil ülekandemaatriksi abil. meetodit ja lõplike erinevuste meetodit ajapiirkonnas, samuti katset THz vahemiku sagedustel.
Analüütiline ja numbriline modelleerimine
Vaatleme lõpmatut fotoonkristalli, mille kihtide murdumisnäitajad on kahekihilises rakus n1 ja n2 ning kihi paksused vastavalt d1 ja d2. Seda struktuuri ergastab lineaarselt polariseeritud ristsuunaline elektrilaine (TE-laine). Lainevektor k on suunatud PC kihtidega risti (joonis 1). Sellise arvuti dispersioonivõrrand, mis on saadud Floqueti teoreemi ja tangentsiaalse välja komponentide pidevuse tingimuse abil kihi piiril, on järgmisel kujul:
C08 [kv (dx + d2)] = co8 [kg d ^] x co $ [k2 d2] -0,5)
s bt [kg e1] x bt [kg e2
kus q on Blochi lainearv; k^ =
kas murdumine; d1, d2 - kihi paksused.
2 l x / x p1
; / - sagedus; lk, p2 - indikaator
Riis. 1. Vaadeldav kihiline-perioodiline struktuur
L. ja L 1! ma x. ] l!/l Koori! l"
ja " ja | Г ¡4 1 ! 1) 1 1 N V ja | 1 У " 11
0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6
Sagedus / THz
Riis. 2. Blochi kompleksi lainearvu sagedusdispersioon
Võrrandi (1) abil saadud kompleksse Blochi lainearvu dispersioon on näidatud joonisel . 2. Nagu näha jooniselt fig. Nagu on näidatud joonisel 2, saab ribapilude piiridel koosinuse q(d1 + d2) argument väärtused kas 0 või n. Seetõttu saame selle tingimuse põhjal arvutada
fotooniliste kristallide piirsageduste, ribavahede ja ribavahe keskpunktide väärtuste määramiseks. Kahekihilise raku sees olevate mitte-mitu optiliste kihtidega fotoonkristallide puhul saab neid valemeid saada aga ainult kaudsel kujul. Eksplitsiitsete valemite saamiseks tuleb kasutada mitut optilist pikkust: nxx = n2e2; püoh = 2хп2ё2; püoh = 3xn2ё2... . Töös käsitleti 1., 2. ja 3. kordsuse valemeid.
Esimese kordsusega fotooniliste kristallide (nxx = n2d2) jaoks piirsageduste, laiuste valemid
ribavahe ja ribalaiuse keskpunkt on järgmisel kujul:
(/n 1 L (/n "ja 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)
kus /1 ja /2 - vastavalt keelatud tsooni madal- ja kõrgsageduspiirid; A/ - ribavahe; /33 on keelatud tsooni keskpunkt; c on valguse kiirus; / - lubatud keskpunkt
o n n2 tsoon 6 = - + -;
Kihiparameetritega arvuti jaoks nx = 2,9; n2 = 1,445; ex = 540 urn; e2 = 1084 μm teise ribalaiuse korral vahemikus 0,1-1 THz, toimuvad järgmised ribastruktuuri parameetrid: /1 = 0,1332 THz; /2 = 0,1541 THz; A/ = 0,0209 THz; /zz = 0,1437 THz.
Arvuti jaoks, mille kihtide optilised pikkused on seotud võrrandiga nxx = 2n2d2, saadakse järgmised ribastruktuuri parameetrite valemid:
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
kus (/1 ja /11), (/2 ja /21), (/3 ja /31), (/4 ja /41) - madal- ja kõrgsageduspiirid on keelatud
ny-tsoonid vastavalt numbritega (4t + 1), (4t + 2), (4t + 3), (4t + 4); c on valguse kiirus; P= - + -;
m = 0,1,2,.... Ribavahe arvutatakse järgmiselt: A/ = /-/x; bandgap keskus
, / + /x. d /sz = ^ ; /pz - lubatud tsooni keskpunkt.
FC puhul parameetritega nx = 2,9; n2 = 1,445; ex = 540 urn; e2 = 541,87 μm teise ribalaiuse jaoks vahemikus 0,1–1 THz, meil on
/2 = 0,116 THz; /2x = 0,14 THz; A/ = 0,024 THz; /zz = 0,128 THz.
Fotoonkristalli jaoks, mille optilised pikkused on seotud võrrandiga nxx = 3n2d2, saadakse järgmised ribastruktuuri parameetrite valemid:
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 + üül2,25ß2 - ß - 7
1 - 0,5ß + 72,25ß2 - ß - 7 3 + 2,5ß-sj2,25ß2 -ß-7
kus (/1 ja /11), (/2 ja /2), (/3 ja /) on madal- ja kõrgsagedusribade vahed
numbrid vastavalt (3m+1), (3m+2), (3m+3); c on valguse kiirus; p = - + -; t = 0,1,2,... Laius
ribavahe arvutatakse D/ = / - /1; ribalaiuse keskpunkt /zz =
lubatud tsoon.
Arvuti jaoks parameetritega n1 = 2,9; n2 = 1,445; = 540 urn; d2 = 361,24 μm teise ribalaiuse jaoks vahemikus 0,1–1 THz, meil on
/2 = 0,1283 THz; = 0,1591 THz; D/ = 0,0308 THz; /zz = 0,1437 THz.
Lõpliku pikkusega personaalarvuti simuleerimiseks on vaja kasutada ülekandemaatriksite meetodit, mis võimaldab arvutada fotoonkristalli läbiva laine elektromagnetvälja väärtuse 2. kihi suvalises punktis. Ühe kihi ülekandemaatriks on järgmine:
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)
kus k0 = -; p = - cos 0; n = ; z - koordinaat Oz-teljel; 0 - laine langemisnurk esimesel kihil.
Ülekandemaatriksite meetodil konstrueeriti matemaatilises paketis MATLAB fotoonilise kristalli ribastruktuur kihtide optiliste pikkuste jaoks 1., 2. ja 3. kordsusega kahekihilises rakus), sagedusalas THz. (0=0 puhul) 10 ühikulise lahtriga ülaltoodud kihiparameetritega (joonis 3).
Nagu näha jooniselt fig. 3, 1., 2. ja 3. sagedusega personaalarvutite edastusspektris on ribavahed, mis on vastavalt kahe, kolme ja nelja kordsed, võrreldes arvutite ribastruktuuriga, mille optiline pikkus ei ole mitut. kihid ühiklahtri sees. Kõigi kolme kordusjuhtumi korral ei ületa lõpliku arvuti ribastruktuuri parameetrite arvutamise suhteline viga 1%, võrreldes lõpmatu arvuti valemitega (ribavahe arvutati 0,5 läbilaskvuse tasemel viimane arvuti).
Samuti arvutati ühemõõtmelise personaalarvuti struktuur lõplike erinevuste meetodil ajapiirkonnas, kasutades CST Microwave Studio kolmemõõtmelise modelleerimise tarkvarapaketti (joonis 4). Lõpparvuti ribastruktuuris võib näha sama käitumist nagu ülekandemaatriksi meetodil saadud ülekandespektrite puhul. Suhteline viga lõpliku arvuti ribastruktuuri parameetrite arvutamisel selles simulatsioonipaketis ei ületa 3%, võrreldes lõpmatu arvuti valemitega.
Tszh.M.
pShshShSh) sschm
pxx=3n2ё2 Sagedus / THz
Riis. Joonis 3. Fotoonkristalli ribastruktuur kolme kordsuse jaoks, kihtide optilised pikkused kahekihilises rakus THz sagedusvahemikus (numbrid näitavad ribalaiuse arvu, nooled näitavad rippmenüüd
keelatud alad)
I-e-e t o
pyoh \u003d 2p2ё2 -JAH / ut1
pxx=3n2ё2 Sagedus, THz
Riis. Joonis 4. Arvuti kolmemõõtmeline mudel MA-s (a) ja arvuti läbilaskvus kolme kordsuse korral (b)
eksperimentaalne osa
2. kordsuse juhtum kontrolliti eksperimentaalselt pideva THz spektroskoopia meetodil vahemikus 0,1-1 THz. THz kiirguse genereerimiseks kasutati meetodit infrapunakiirguse sageduste segamiseks fotojuhtival (FC) antennil. Vastuvõtjana kasutati teist FP antenni. Saate- ja vastuvõtuarvuti antenni vahele paigaldati kokkupandud arvuti (joonis 5).
Uuritud fotoonkristallil on järgmised parameetrid: kahekihiliste rakkude arv -3; kihtide murdumisnäitajad - nx = 2,9 ja n2 = 1,445; kihi paksused - ех = 540 μm ja е2 = 520 μm (е2 on 21 μm vähem kui ideaalse 2. kordsuse korral). Joonisel fig. 5 näitab eksperimentaalse ja teoreetilise spektri võrdlust 4- ja 5-ribavahemiku jaoks. Nagu võib näha eksperimentaalsest graafikust ja ka simulatsioonist, täheldatakse kolmekordset ribalaiust võrreldes arvuti ribastruktuuriga, mille kihtide optilised pikkused ei ole ühikelemendi sees. Kerge lahknevus keelatud tsoonide keskpunktide positsioonide vahel eksperimentaalses ja teoreetilises
tic spekter on tingitud tefloni kihtide paksuse erinevusest katses ideaalsest 2. kordsusest.
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 sagedus, THz
Katse
Modelleerimine
Riis. Joon. 5. Fotoonilise kristalli seadistuse foto, fotoonilise kristalli mudeli foto (a) ja kolme elementaarse fotoonkristalli eksperimentaalse ja teoreetilise läbilaskvuse võrdlev graafik
rakud (b)
Järeldus
Nii saadi täpsed valemid kahekihilise ühikelemendi sees olevate ühemõõtmeliste fotooniliste kristallide ribastruktuuri parameetrite (riba, ribalaiuse piirid ja riba keskpunkt) arvutamiseks TE-laine korral. fotooniliste kihtide tasanditega risti oleva lainevektoriga.kristall. 1., 2. ja 3. kordsusega fotooniliste kristallide puhul demonstreeriti ribavahede kadumist, mis on vastavalt kahe, kolme, nelja kordne, võrreldes fotooniliste kristallide ribastruktuuriga, mille kihtide optiline pikkus ei ole mitmekordne. üksuse raku sees. 1., 2. ja 3. kordsuse valemeid testiti ülekandemaatriksmeetodi ja 3D lõplike erinevuste arvuliste simulatsioonide abil ajapiirkonnas. 2. kordsuse juhtum kontrolliti eksperimentaalselt THz sagedusvahemikus 0,1 kuni 1 THz. Saadud valemeid saab kasutada fotoonkristallidel põhinevate lairibafiltrite väljatöötamiseks tööstuslikeks, sõjalisteks ja meditsiinilisteks rakendusteks, ilma et oleks vaja modelleerida fotoonkristalli ribastruktuuri erinevates matemaatilistes pakettides.
Tööd toetati osaliselt grandiga nr 14.132.21.1421 föderaalse sihtprogrammi "Innovatiivse Venemaa teaduslik ja teaduslik-pedagoogiline personal" 2009-2013 raames.
Kirjandus
1. Vendik I.B., Vendik O.G. Metamaterjalid ja nende rakendamine mikrolainetehnoloogias (ülevaade) // Journal of Technical physics. - Peterburi Elektrotehnikaülikool "LETI". - 2013. - T. 83. - Väljaanne. 1. - S. 3-26.
2. Vozianova A.V., Hodzitski M.K. Spiraalresonaatoritel põhinev maskeerimiskate // Infotehnoloogia, mehaanika ja optika teadus- ja tehnikabülletään. - 2012. - nr 4 (80). - FROM. 28-34.
3. Terekhov Yu.E., Khodzitsky M.K., Belokopytov G.V. Terahertsi sagedusvahemiku metafilmide karakteristikud geomeetriliste parameetrite skaleerimisega // Infotehnoloogia, mehaanika ja optika teadus- ja tehnikabülletään. - 2013. - nr 1 (83). - S. 55-60.
4. Yablonovitch E. Inhibeeritud spontaanne emissioon tahkis-füüsikas ja elektroonikas // Physical Review Letters. - 1987. - V. 58. - nr 20. - Lk 2059-2062.
5. Figotin A., Kuchment P. Perioodilise dielektrilise ja akustilise kandja spektrite ribalõhe struktuur. II. Kahemõõtmelised fotoonilised kristallid // SIAM Journal on Applied Mathematics. - 1996. - V. 56. - nr 6. - Lk 1561-1620.
6. Smolyaninov Igor I., Davis Christopher C. Ülieraldusvõimega optiline mikroskoopia fotooniliste kristallide materjalidel // Füüsiline ülevaade B. - 2005. - V. 72. - Lk 085442.
7. Kosaka Hideo, Kawashima Takayuki, Tomita Akihisa. Superprisma nähtused fotoonilistes kristallides // Füüsiline ülevaade B. - 1998. - V. 58. - Nr 16. - Lk 10096-10099.
8. Kurt Hamza, Erim Muhammed Necip, Erim Nur. Erinevad fotoonkristallide bioanduri konfiguratsioonid, mis põhinevad optilise pinna režiimidel // Elektri- ja elektroonikatehnika osakond. - 2012. - V. 165. - nr 1. - Lk 68-75.
9. Ozbay E., Michel E., Tuttle G., Biswas R., Sigalas M. ja Ho K.M. Mikrotöötlusega millimeeterlaine fotoonilised ribalaiuse kristallid // Appl. Phys. Lett. - 1994. - V. 64. - nr 16. - Lk 2059-2061.
10. Jin C., Cheng B., Li Z., Zhang D., Li L.M., Zhang Z.Q. Kahemõõtmeline metalliline fotoonkristall vahemikus THz // Opt. kommuun. - 1999. - V. 166. - nr 9. - Lk 9-13.
11. Nusinsky Inna ja Hardy Amos A. Ühemõõtmeliste fotooniliste kristallide ribalaiuse analüüs ja pilude sulgemise tingimused // Füüsiline ülevaade B. - 2006. - V. 73. - Lk 125104.
12. Bass F.G., Bulgakov A.A., Tetervov A.P. Supervõredega pooljuhtide kõrgsageduslikud omadused. - M.: Teadus. Ch. toim. Füüsika-matemaatika. lit., 1989. - 288 lk.
13. Sündis M., Wolf E. Optika alused. - M.: Teadus. Ch. toim. Füüsika-matemaatika. lit., 1973. - 733 lk.
14. Gregory I.S., Tribe W.R., Baker C. Pidevlaine terahertssüsteem 60 dB dünaamilise ulatusega // Applied Phisics Letters. - 2005. - V. 86. - P. 204104.
Denisultanov Alaudi Khozhbaudievich
Hodzitski Mihhail Konstantinovitš
Peterburi riikliku infotehnoloogia, mehaanika ja optika uurimisülikool, üliõpilane, [e-postiga kaitstud]
Peterburi Riiklik Infotehnoloogia, Mehaanika ja Optika Teadusülikool, füüsika-matemaatika kandidaat. teadused, assistent, [e-postiga kaitstud]
) — materjal, mille struktuuri iseloomustab murdumisnäitaja perioodiline muutumine 1, 2 või 3 ruumisuunas.
Kirjeldus
Fotooniliste kristallide (PC) eripäraks on murdumisnäitaja ruumiliselt perioodiline muutus. Sõltuvalt ruumiliste suundade arvust, mille mööda murdumisnäitaja perioodiliselt muutub, nimetatakse fotoonkristalle ühe-, kahe- ja kolmemõõtmelisteks või lühendatult 1D PC, 2D PC ja 3D PC (D - inglise mõõtmest). , vastavalt. Tavaliselt on 2D-arvuti ja 3D-arvuti struktuur näidatud joonisel fig.
Fotooniliste kristallide kõige silmatorkavam omadus on olemasolu 3D-arvutis, mille teatud spektripiirkondade komponentide murdumisnäitajad on piisavalt suure kontrastiga, mida nimetatakse fotooniliste ribade koguvahemikuks (PBG): kiirguse olemasolu koos footonenergiaga, mis kuulub PBG sellistes kristallides on võimatu. Eelkõige ei tungi kiirgus, mille spekter kuulub PBG-sse, väljastpoolt arvutisse, ei saa selles eksisteerida ja peegeldub täielikult piirilt. Keeldu rikutakse ainult siis, kui esineb konstruktsioonilisi defekte või kui arvuti suurus on piiratud. Sel juhul on sihipäraselt loodud lineaardefektid väikeste paindekadudega (kuni mikroni kõverusraadiusega), punktdefektid on miniatuursed resonaatorid. 3D PC potentsiaalsete võimaluste praktiline rakendamine lähtudes valguskiirte (footoni) kiirte omaduste kontrollimise laiadest võimalustest alles algab. Seda takistab tõhusate meetodite puudumine kvaliteetsete 3D-arvutite loomiseks, meetodid nende lokaalsete ebahomogeensuste, lineaarsete ja punktdefektide sihipäraseks moodustamiseks, samuti meetodid liidestamiseks teiste fotooniliste ja elektrooniliste seadmetega.
Oluliselt suuremaid edusamme on tehtud 2D personaalarvutite praktilisel rakendamisel, mida reeglina kasutatakse tasapinnaliste (kile)fotooniliste kristallide või (PCF) kujul (vt üksikasju vastavatest artiklitest).
PCF-id on kahemõõtmeline struktuur, mille keskosas on defekt, mis on risti piklik. Olles põhimõtteliselt uut tüüpi optilised kiud, pakuvad PCF-id võimalusi valguslainete transportimiseks ja valgussignaalide juhtimiseks, mis on teistele tüüpidele kättesaamatud.
Ühemõõtmelised arvutid (1D PC-d) on mitmekihiline struktuur, mis koosneb erinevate murdumisnäitajatega vahelduvatest kihtidest. Klassikalises optikas oli ammu enne mõiste "fotooniline kristall" ilmumist hästi teada, et sellistes perioodilistes struktuurides muutub valguslainete levimise iseloom märkimisväärselt interferentsi ja difraktsiooni nähtuste tõttu. Näiteks mitmekihilisi peegeldavaid katteid on pikka aega laialdaselt kasutatud peeglite ja kile-interferentsfiltrite ning mahumõõturite Braggi võre spektrivalijate ja filtritena. Pärast mõiste PC laialdast kasutamist hakati selliseid kihilisi kandjaid, mille murdumisnäitaja perioodiliselt ühes suunas muutub, omistama ühemõõtmeliste fotooniliste kristallide klassi. Perpendikulaarse valguse langemise korral on peegeldusteguri spektraalne sõltuvus mitmekihilistest katetest nn "Braggi tabel" - teatud lainepikkustel läheneb peegelduskoefitsient kiiresti ühtsusele koos kihtide arvu suurenemisega. Valguslained, mis langevad joonisel fig. b nool, peegelduvad perioodilisest struktuurist peaaegu täielikult. FK terminoloogia järgi on see lainepikkuste vahemik ja vastav footonite energiate vahemik (või energiariba) kihtidega risti levivatele valguslainetele keelatud.
Arvutite praktiliste rakenduste potentsiaal on fotoonide juhtimise ainulaadsete võimaluste tõttu tohutu ja seda pole veel täielikult uuritud. Pole kahtlust, et lähiaastatel pakutakse välja uusi seadmeid ja konstruktsioonielemente, mis võivad oluliselt erineda praegu kasutatavatest või väljatöötatavatest.
Tohutud väljavaated personaalarvutite kasutamisel fotoonikas realiseerusid pärast E. Yablonovich'i artikli avaldamist, milles tehti ettepanek kasutada spontaanse emissioonispektri kontrollimiseks täis PBG-dega personaalarvuteid.
Lähitulevikus oodatavate fotooniliste seadmete hulgas on järgmised:
- üliväikesed madala lävega FK laserid;
- kontrollitud emissioonispektriga üliheledad personaalarvutid;
- mikroni painderaadiusega subminiatuursed FK lainejuhid;
- kõrge integratsiooniastmega fotoonilised integraallülitused, mis põhinevad tasapinnalistel personaalarvutitel;
- miniatuursed FK spektraalfiltrid, sh häälestatavad;
- FK muutmälu optilise mäluga seadmed;
- FK optilised signaalitöötlusseadmed;
- vahendid suure võimsusega laserkiirguse edastamiseks õõnsa südamikuga PCF-il.
Kolmemõõtmeliste personaalarvutite kõige ahvatlevam, kuid ka kõige raskemini teostatav rakendus on ülisuurte mahuliselt integreeritud fotooniliste ja elektrooniliste seadmete komplekside loomine teabe töötlemiseks.
3D-fotooniliste kristallide muud potentsiaalsed kasutusalad hõlmavad kunstlike opaalipõhiste ehete valmistamist.
Looduses leidub ka fotoonseid kristalle, mis annavad meid ümbritsevale maailmale täiendavaid värvivarjundeid. Seega on molluskite, nagu haliotis, karpide pärlmutterkate 1D FC struktuuriga, merihiire antennid ja hulkraksete usside harjased on 2D FC ning Aafrika pääsusaba looduslikud poolvääriskivid opaalid ja tiivad. liblikad (Papilio ulysses) on looduslikud kolmemõõtmelised fotoonilised kristallid.
Illustratsioonid
|
a– kahemõõtmelise (ülemine) ja kolmemõõtmelise (alumine) arvuti struktuur; b on veerandlainepikkustest GaAs/AlxOy kihtidest moodustatud ühedimensioonilise arvuti ribalaius (ribavahe on näidatud noolega); sisse on ümberpööratud nikkel FC, mille on hankinud Moskva Riikliku Ülikooli FNM töötajad. M.V. Lomonosova N.A. Sapolotova, K.S. Napolsky ja A.A. Elisejev |
2
Sissejuhatus Fotoonkristalli leidnud inimest on iidsetest aegadest lummanud selles eriline sillerdav valgusemäng. Leiti, et erinevate loomade ja putukate soomuste ja sulgede sillerdavad ülevoolud on tingitud nende pealisehituste olemasolust, mis said oma peegeldavate omaduste tõttu nimetuse fotoonkristallid. Fotoonseid kristalle leidub looduses: mineraalides (kaltsiit, labradoriit, opaal); liblikate tiibadel; mardikakarbid; mõnede putukate silmad; vetikad; kalasoomused; paabulinnu suled. 3
Fotoonilised kristallid See on materjal, mille struktuuri iseloomustab murdumisnäitaja perioodiline muutumine ruumilistes suundades Alumiiniumoksiidil põhinev fotoonkristall. M. DEUBEL, G.V. FREYMANN, MARTIN WEGENER, SURESH PEREIRA, KURT BUSCH JA COSTAS M. SOUKOULIS “Kolmemõõtmeliste fotonikristallide otsene laserkirjutamine telekommunikatsiooni jaoks”// Loodusmaterjalid Kd. 3, P
Natuke ajalugu… 1887 Rayleigh oli esimene, kes uuris elektromagnetlainete levikut perioodilistes struktuurides, mis on analoogne ühemõõtmelise fotoonilise kristalliga Photonic Crystals – termin võeti kasutusele 1980. aastate lõpus. pooljuhtide optilise analoogi tähistamiseks. Need on poolläbipaistvast dielektrikust valmistatud tehiskristallid, millesse tekivad korrapäraselt õhu "augud". 5
Fotoonkristallid – maailma energia tulevik Kõrge temperatuuriga fotoonkristallid võivad toimida mitte ainult energiaallikana, vaid ka ülikvaliteetsete detektorite (energia-, keemia) ja sensoritena. Massachusettsi teadlaste loodud fotoonilised kristallid põhinevad volframil ja tantaalil. See ühend on võimeline rahuldavalt toimima väga kõrgetel temperatuuridel. Kuni ˚С. Selleks, et fotooniline kristall hakkaks muutma üht tüüpi energiat teiseks, mugavaks kasutamiseks, sobib iga allikas (soojus-, raadiokiirgus, kõva kiirgus, päikesevalgus jne). 6
7
Elektromagnetlainete dispersiooniseadus fotoonkristallis (laiendatud tsoonide diagramm). Parem pool näitab kristallis antud suuna jaoks sageduse vahelist seost? ja ReQ (tahked kõverad) ja ImQ (katkendlik kõver oomega stopp-tsoonis) väärtused -
Fotoonilise tühimiku teooria Alles 1987. aastal võttis Eli Yablonovitch Bell Communications Researchist (praegu UCLA professor) kasutusele elektromagnetilise ribalaiuse mõiste. Silmaringi laiendamiseks: Eli Yablonovitch yablonovitch-uc-berkeley/view loeng John Pendry loeng john-pendry-imperial-college/view 9
Looduses leidub ka fotoonseid kristalle: Aafrika pääsusaba-liblikate tiibadel on pärlmutterkate karploomade, näiteks galiootide, merihiire kõrvitsate ja hulkraksete ussikeste karpidel. Foto opaalist käevõru. Opaal on looduslik fotooniline kristall. Seda nimetatakse "petlike lootuste kiviks" 10
11
Pigmendikatte kuumenemine ja fotokeemiline hävitamine puudub" title="(!LANG: FA-põhiste filtrite eelised elusorganismide neeldumismehhanismi (absorptsioonimehhanismi) ees: interferentsvärvimine ei nõua valgusenergia neeldumist ja hajumist, => pigmentkatte kuumutamine ja fotokeemiline hävitamine puudub" class="link_thumb"> 12 !} FA-põhiste filtrite eelised elusorganismide neeldumismehhanismi (absorbeerimismehhanismi) ees: Interferentsvärvimine ei nõua valgusenergia neeldumist ja hajumist, => pigmentkatte kuumenemine ja fotokeemiline hävitamine puudub. Kuumas kliimas elavatel liblikatel on sillerdav tiivamuster ning on leitud, et pinnal oleva fotoonilise kristalli struktuur vähendab valguse neeldumist ja seega ka tiibade kuumenemist. Merehiir on fotoonseid kristalle kasutanud juba pikka aega. 12 pigmentkatte kuumenemist ja fotokeemilist hävimist ei toimu "> pigmentkatte kuumenemist ja fotokeemilist hävimist ei toimu Kuumas kliimas elavatel liblikatel on sillerdav tiivamuster ning fotoonilise kristalli struktuur pinnal, nagu selgus, vähendab valguse neeldumine ja sellest tulenevalt tiibade soojenemine.Merehiir kasutab fotoonkristalle praktikas juba pikka aega., => ei kuumene ja pigmendi fotokeemiline hävimine"> title="FA-põhiste filtrite eelised elusorganismide neeldumismehhanismi (absorbeerimismehhanismi) ees: interferentsvärvimine ei nõua valgusenergia neeldumist ja hajumist, => pigmentkatte kuumenemine ja fotokeemiline hävitamine puudub."> !}
Morpho didius sillerdav liblikas ja selle tiiva mikrofoto difraktsioonilise bioloogilise mikrostruktuuri näitena. Sillerdav looduslik opaal (poolvääriskivi) ja selle mikrostruktuuri kujutis, mis koosneb tihedalt pakitud ränidioksiidi sfääridest. 13
Fotooniliste kristallide klassifikatsioon 1. Ühemõõtmeline. Millel murdumisnäitaja muutub perioodiliselt ühes ruumilises suunas nagu on näidatud joonisel. Sellel joonisel tähistab sümbol Λ murdumisnäitaja muutumise perioodi ja kahe materjali murdumisnäitajaid (kuid üldiselt võib materjale esineda mis tahes arvul). Sellised fotoonilised kristallid koosnevad erinevate materjalide kihtidest, mis on üksteisega paralleelsed ja millel on erinevad murdumisnäitajad ja need võivad avaldada oma omadusi ühes ruumilises suunas, mis on kihtidega risti. neliteist
2. Kahemõõtmeline. Millel murdumisnäitaja muutub perioodiliselt kahes ruumilises suunas nagu on näidatud joonisel. Sellel joonisel luuakse fotooniline kristall ristkülikukujuliste piirkondadega, mille murdumisnäitaja on n1, mis asuvad keskkonnas, mille murdumisnäitaja on n2. Sel juhul on murdumisnäitaja n1 piirkonnad järjestatud kahemõõtmelises kuupvõres. Sellised fotoonilised kristallid võivad avaldada oma omadusi kahes ruumilises suunas ja murdumisnäitaja n1 piirkondade kuju ei piirdu ristkülikutega, nagu joonisel, vaid võib olla mis tahes (ringid, ellipsid, suvalised jne). Kristallvõre, milles need piirkonnad on järjestatud, võib samuti olla erinev ja mitte ainult kuupkujuline, nagu joonisel. viisteist
3. Kolmemõõtmeline. Mille murdumisnäitaja muutub perioodiliselt kolmes ruumilises suunas. Sellised fotoonilised kristallid võivad avaldada oma omadusi kolmes ruumilises suunas ja neid saab kujutada ruumiliste piirkondade (sfääride, kuubikute jne) massiivina, mis on järjestatud kolmemõõtmelisse kristallvõre. 16
Fotooniliste kristallide rakendused Esimene rakendus on spektraalkanalite eraldamine. Paljudel juhtudel ei liigu piki optilist kiudu mitte üks, vaid mitu valgussignaali. Neid tuleb vahel sorteerida – saata igaüks eraldi teed mööda. Näiteks - optiline telefonikaabel, mille kaudu toimub korraga mitu vestlust erinevatel lainepikkustel. Fotoonkristall on ideaalne tööriist voost soovitud lainepikkuse "nikerdamiseks" ja selle suunamiseks sinna, kus seda vajatakse. Teine on valgusvoogude rist. Selline seade, mis kaitseb valguskanaleid vastastikuse mõjutamise eest nende füüsilisel ristumisel, on valgusarvuti ja kergete arvutikiipide loomisel igati vajalik. 17
Fotoonkristall telekommunikatsioonis Esimeste arenduste algusest pole möödunud nii palju aastaid, sest investoritele sai selgeks, et fotoonkristallid on põhimõtteliselt uut tüüpi optilised materjalid ja neil on helge tulevik. Optilise ulatusega fotooniliste kristallide väljatöötamine kaubandusliku rakenduse tasemele toimub tõenäoliselt telekommunikatsiooni valdkonnas. kaheksateist
21
Litograafiliste ja holograafiliste meetodite eelised ja puudused FC Plusside saamiseks: moodustatud struktuuri kõrge kvaliteet. Kiire tootmiskiirus Masstootmise lihtsus Puudused Vajalikud kallid seadmed Võimalik servade teravuse halvenemine Seadete valmistamise raskused 22
Põhjas olev lähivõte näitab allesjäänud karedust suurusjärgus 10 nm. Sama karedus on nähtav ka meie holograafilise litograafiaga tehtud SU-8 mallidel. See näitab selgelt, et see karedus ei ole seotud tootmisprotsessiga, vaid pigem fotoresisti lõpliku eraldusvõimega. 24
Põhiliste PBG-de lainepikkuste teisaldamiseks telekommunikatsioonirežiimis 1,5 µm ja 1,3 µm juures peab varraste tasapinnas olema kaugus suurusjärgus 1 µm või vähem. Valmistatud proovidel on probleem: vardad hakkavad üksteisega kokku puutuma, mis põhjustab fraktsiooni ebasoovitavalt suure täitumise. Lahendus: varda läbimõõdu vähendamine ja seega fraktsiooni täitmine hapnikuplasmas söövitamise teel 26
PC optilised omadused Söötme perioodilisuse tõttu muutub kiirguse levik fotoonkristalli sees sarnaseks elektroni liikumisega tavalise kristalli sees perioodilise potentsiaali toimel. Teatud tingimustel tekivad arvuti ribastruktuuris lüngad sarnaselt looduslike kristallide keelatud elektroonilistele ribadele. 27
Kahemõõtmeline perioodiline fotooniline kristall saadakse vertikaalsete dielektriliste varraste perioodilise struktuuri moodustamisel, mis on istutatud ruudukujuliselt ränidioksiidsubstraadile. Paigutades fotoonkristalli "defekte", on võimalik luua lainejuhte, mis iga nurga all painutatuna annavad 100% läbilaskvuse Kahemõõtmelised fotoonstruktuurid ribalaiusega 28
Uus meetod polarisatsioonitundlike fotooniliste ribade vahedega struktuuri saamiseks Lähenemisviisi väljatöötamine fotoonilise ribalaiuse struktuuri kombineerimiseks teiste optiliste ja optoelektrooniliste seadmetega Lühi- ja pikalaineribade piiride vaatlemine. Kogemuse eesmärk on: 29
Peamised tegurid, mis määravad fotoonilise ribalõhe (PBG) struktuuri omadused, on murdumiskontrast, kõrgete ja madalate materjaliindeksite osakaal võres ning võre elementide paigutus. Kasutatava lainejuhi konfiguratsioon on võrreldav pooljuhtlaseri omaga. Massiiv on väga väike (100 nm läbimõõduga) lainejuhi südamikule sööviti augud, mis moodustasid kuusnurkse võre 30
Joonis 2a Võre ja Brillouini tsooni visand, mis illustreerib sümmeetria suundi horisontaalses tihedalt pakitud võres. b, c Läbilaskekarakteristikute mõõtmine 19-nm fotoonvõrel. 31 sümmeetriliste suundadega Brillouini tsooni
Joon.4 Fotod liikuvate lainete profiilide elektriväljast, mis vastavad ribale 1 (a) ja ribale 2 (b), K-punkti lähedal TM polarisatsiooni jaoks. Peegelduses a on väljal sama peegeldussümmeetria y-z tasandi suhtes kui tasapinnal, nii et see peaks kergesti suhtlema sissetuleva tasapinna lainega. Seevastu b-s on väli asümmeetriline, mis ei võimalda sellel interaktsioonil tekkida. 33
Järeldused: PBG struktuure saab kasutada peeglite ja elementidena emissiooni otseseks juhtimiseks pooljuhtlaserites PBG kontseptsioonide demonstreerimine lainejuhi geomeetrias võimaldab realiseerida väga kompaktseid optilisi elemente. et on võimalik kasutada mittelineaarseid efekte 34
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.
