फोटोनिक क्रिस्टल क्या है। फोटोनिक क्रिस्टल बनाने के तरीके
इल्या पोलिशचुक, भौतिक और गणितीय विज्ञान के डॉक्टर, मॉस्को इंस्टीट्यूट ऑफ फिजिक्स एंड टेक्नोलॉजी में प्रोफेसर, प्रमुख शोधकर्ता, राष्ट्रीय अनुसंधान केंद्र "कुरचटोव संस्थान"
सूचना प्रसंस्करण और संचार प्रणालियों में माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक के उपयोग ने दुनिया को मौलिक रूप से बदल दिया है। इसमें कोई संदेह नहीं है कि फोटोनिक क्रिस्टल और उन पर आधारित उपकरणों के भौतिकी के क्षेत्र में अनुसंधान कार्य में उछाल के परिणाम आधी सदी से भी पहले एकीकृत माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक के निर्माण के महत्व के बराबर होंगे। एक नए प्रकार की सामग्री से सेमीकंडक्टर इलेक्ट्रॉनिक्स तत्वों की "छवि और समानता" में ऑप्टिकल माइक्रोक्रिस्किट बनाना संभव हो जाएगा, और मूल रूप से फोटोनिक क्रिस्टल पर आज विकसित की जा रही सूचनाओं को प्रसारित करने, संग्रहीत करने और संसाधित करने के नए तरीके मिलेंगे। भविष्य के सेमीकंडक्टर इलेक्ट्रॉनिक्स में आवेदन। आश्चर्य की बात नहीं, अनुसंधान का यह क्षेत्र दुनिया के सबसे बड़े वैज्ञानिक केंद्रों, उच्च-तकनीकी कंपनियों और सैन्य-औद्योगिक परिसर के उद्यमों में से एक है। बेशक, रूस कोई अपवाद नहीं है। इसके अलावा, फोटोनिक क्रिस्टल प्रभावी अंतर्राष्ट्रीय सहयोग का विषय हैं। एक उदाहरण के रूप में, आइए हम रूसी किनटेक लैब एलएलसी और प्रसिद्ध अमेरिकी कंपनी जनरल इलेक्ट्रिक के बीच दस वर्षों से अधिक के सहयोग का उल्लेख करें।
फोटोनिक क्रिस्टल का इतिहास
ऐतिहासिक रूप से, त्रि-आयामी झंझरी पर फोटॉन बिखरने का सिद्धांत तरंग दैर्ध्य क्षेत्र ~ 0.01-1 एनएम से गहन रूप से विकसित होना शुरू हुआ, जो एक्स-रे रेंज में स्थित है, जहां फोटोनिक क्रिस्टल के नोड स्वयं परमाणु हैं। 1986 में, लॉस एंजिल्स में कैलिफोर्निया विश्वविद्यालय से एली याब्लोनोविच ने साधारण क्रिस्टल के समान एक त्रि-आयामी ढांकता हुआ संरचना बनाने का विचार प्रस्तावित किया, जिसमें एक निश्चित वर्णक्रमीय बैंड की विद्युत चुम्बकीय तरंगें फैल नहीं सकती थीं। ऐसी संरचनाओं को फोटोनिक बैंडगैप संरचना या फोटोनिक क्रिस्टल कहा जाता है। 5 वर्षों के बाद, उच्च अपवर्तक सूचकांक वाली सामग्री में मिलीमीटर छेद ड्रिल करके ऐसा फोटोनिक क्रिस्टल बनाया गया था। इस तरह के एक कृत्रिम क्रिस्टल, जिसे बाद में याब्लोनोवाइट कहा जाता है, ने मिलीमीटर-वेव विकिरण प्रसारित नहीं किया और वास्तव में एक बैंड गैप के साथ एक फोटोनिक संरचना का एहसास हुआ (वैसे, चरणबद्ध ऐन्टेना सरणियों को भौतिक वस्तुओं के समान वर्ग के लिए भी जिम्मेदार ठहराया जा सकता है)।
फोटोनिक संरचनाएं, जिसमें एक, दो या तीन दिशाओं में एक निश्चित आवृत्ति बैंड में विद्युत चुम्बकीय (विशेष रूप से, ऑप्टिकल) तरंगों का प्रसार निषिद्ध है, इन तरंगों को नियंत्रित करने के लिए ऑप्टिकल एकीकृत उपकरणों को बनाने के लिए उपयोग किया जा सकता है। वर्तमान में, फोटोनिक संरचनाओं की विचारधारा गैर-दहलीज अर्धचालक लेज़रों, दुर्लभ-पृथ्वी आयनों पर आधारित लेज़रों, उच्च-क्यू रेज़ोनेटर, ऑप्टिकल वेवगाइड्स, स्पेक्ट्रल फिल्टर और पोलराइज़र के निर्माण को रेखांकित करती है। फोटोनिक क्रिस्टल का अध्ययन अब रूस सहित दो दर्जन से अधिक देशों में किया जा रहा है, और इस क्षेत्र में प्रकाशनों की संख्या, साथ ही साथ संगोष्ठियों और वैज्ञानिक सम्मेलनों और स्कूलों की संख्या तेजी से बढ़ रही है।
एक फोटोनिक क्रिस्टल में होने वाली प्रक्रियाओं को समझने के लिए, इसकी तुलना सेमीकंडक्टर क्रिस्टल से की जा सकती है, और आवेश वाहकों - इलेक्ट्रॉनों और छिद्रों के संचलन के साथ फोटॉन के प्रसार की तुलना की जा सकती है। उदाहरण के लिए, आदर्श सिलिकॉन में, परमाणु हीरे जैसी क्रिस्टल संरचना में स्थित होते हैं, और, एक ठोस अवस्था के बैंड सिद्धांत के अनुसार, आवेशित वाहक, क्रिस्टल के माध्यम से फैलते हुए, परमाणु नाभिक के क्षेत्र की आवधिक क्षमता के साथ परस्पर क्रिया करते हैं। अनुमत और वर्जित बैंड के गठन का यही कारण है - क्वांटम यांत्रिकी एक ऊर्जा रेंज के अनुरूप ऊर्जा वाले इलेक्ट्रॉनों के अस्तित्व को मना करती है जिसे बैंड गैप कहा जाता है। पारंपरिक क्रिस्टल के समान, फोटोनिक क्रिस्टल में अत्यधिक सममित इकाई सेल संरचना होती है। इसके अलावा, यदि एक साधारण क्रिस्टल की संरचना क्रिस्टल जाली में परमाणुओं की स्थिति से निर्धारित होती है, तो एक फोटोनिक क्रिस्टल की संरचना माध्यम के ढांकता हुआ स्थिरांक के आवधिक स्थानिक मॉडुलन द्वारा निर्धारित की जाती है (मॉड्यूलेशन स्केल तुलनीय है) अंतःक्रियात्मक विकिरण की तरंग दैर्ध्य)।
फोटोनिक कंडक्टर, इंसुलेटर, सेमीकंडक्टर्स और सुपरकंडक्टर्स
सादृश्य को जारी रखते हुए, फोटोनिक क्रिस्टल को कंडक्टर, इंसुलेटर, सेमीकंडक्टर्स और सुपरकंडक्टर्स में विभाजित किया जा सकता है।
फोटोनिक कंडक्टरों में व्यापक अनुमत बैंड होते हैं। ये पारदर्शी निकाय हैं जिनमें प्रकाश व्यावहारिक रूप से अवशोषित हुए बिना लंबी दूरी तय करता है। फोटोनिक क्रिस्टल, फोटोनिक इंसुलेटर के एक अन्य वर्ग में व्यापक बैंड अंतराल हैं। यह स्थिति, उदाहरण के लिए, व्यापक श्रेणी के बहुपरत ढांकता हुआ दर्पणों द्वारा संतुष्ट है। सामान्य अपारदर्शी मीडिया के विपरीत, जिसमें प्रकाश जल्दी से गर्मी में क्षय हो जाता है, फोटोनिक इंसुलेटर प्रकाश को अवशोषित नहीं करते हैं। फोटोनिक सेमीकंडक्टर्स के लिए, इंसुलेटर की तुलना में उनके पास संकरा बैंड गैप होता है।
फोटोनिक क्रिस्टल पर आधारित वेवगाइड्स का उपयोग फोटोनिक वस्त्र (चित्रित) बनाने के लिए किया जाता है। इस तरह के वस्त्र अभी सामने आए हैं, और यहां तक कि इसके आवेदन का दायरा भी अभी पूरी तरह से महसूस नहीं हुआ है। इससे आप बना सकते हैं, उदाहरण के लिए, इंटरेक्टिव कपड़े, या आप सॉफ्ट डिस्प्ले बना सकते हैं
फोटो: emt-photoniccrystal.blogspot.com
इस तथ्य के बावजूद कि पिछले कुछ वर्षों में प्रकाशिकी में फोटोनिक बैंड और फोटोनिक क्रिस्टल का विचार स्थापित किया गया है, अपवर्तक सूचकांक में एक स्तरित परिवर्तन के साथ संरचनाओं के गुण लंबे समय से भौतिकविदों के लिए जाने जाते हैं। ऐसी संरचनाओं के पहले व्यावहारिक रूप से महत्वपूर्ण अनुप्रयोगों में से एक अद्वितीय ऑप्टिकल विशेषताओं के साथ कोटिंग्स का उत्पादन था जो अत्यधिक कुशल वर्णक्रमीय फिल्टर बनाने और ऑप्टिकल तत्वों से अवांछित प्रतिबिंबों को कम करने के लिए उपयोग किया जाता था (ऐसे ऑप्टिक्स को लेपित कहा जाता है) और ढांकता हुआ दर्पण 100 के करीब प्रतिबिंब गुणांक के साथ %। 1डी फोटोनिक संरचनाओं के एक अन्य प्रसिद्ध उदाहरण के रूप में, वितरित प्रतिक्रिया के साथ सेमीकंडक्टर लेज़रों का उल्लेख किया जा सकता है, साथ ही भौतिक मापदंडों (प्रोफ़ाइल या अपवर्तक सूचकांक) के आवधिक अनुदैर्ध्य मॉडुलन के साथ ऑप्टिकल वेवगाइड्स।
साधारण क्रिस्टल के रूप में, प्रकृति हमें उन्हें बहुत उदारता से देती है। प्रकृति में फोटोनिक क्रिस्टल दुर्लभ हैं। इसलिए, अगर हम फोटोनिक क्रिस्टल के अद्वितीय गुणों का फायदा उठाना चाहते हैं, तो हमें उन्हें उगाने के लिए विभिन्न तरीकों को विकसित करने के लिए मजबूर होना पड़ता है।
फोटोनिक क्रिस्टल कैसे उगाएं
दृश्यमान तरंग दैर्ध्य रेंज में त्रि-आयामी फोटोनिक क्रिस्टल का निर्माण पिछले दस वर्षों में सामग्री विज्ञान में सर्वोच्च प्राथमिकताओं में से एक रहा है, जिसके लिए अधिकांश शोधकर्ताओं ने दो मौलिक रूप से भिन्न दृष्टिकोणों पर ध्यान केंद्रित किया है। उनमें से एक बीज टेम्पलेट विधि (टेम्प्लेट) - टेम्पलेट विधि का उपयोग करता है। यह विधि संश्लेषित नैनोसिस्टम्स के स्व-संगठन के लिए पूर्वापेक्षाएँ बनाती है। दूसरी विधि नैनोलिथोग्राफी है।
विधियों के पहले समूह में, सबसे व्यापक वे हैं जो छिद्रों की आवधिक प्रणाली के साथ ठोस बनाने के लिए मोनोडिस्पर्स कोलाइडल क्षेत्रों का उपयोग टेम्पलेट्स के रूप में करते हैं। ये विधियाँ धातु, अधातु, ऑक्साइड, अर्धचालक, पॉलिमर आदि के आधार पर फोटोनिक क्रिस्टल प्राप्त करना संभव बनाती हैं। पहले चरण में, समान आकार के कोलाइडल गोले समान रूप से त्रि-आयामी (कभी-कभी द्वि-आयामी) ढांचे के रूप में "पैक" होते हैं, जो बाद में प्राकृतिक ओपल के एनालॉग के रूप में टेम्पलेट्स के रूप में कार्य करते हैं। दूसरे चरण में, टेम्पलेट संरचना में आवाज तरल के साथ गर्भवती होती है, जो बाद में विभिन्न भौतिक और रासायनिक प्रभावों के तहत ठोस फ्रेम में बदल जाती है। किसी पदार्थ से टेम्पलेट रिक्तियों को भरने की अन्य विधियाँ या तो विद्युतरासायनिक विधियाँ हैं या CVD (रासायनिक वाष्प जमाव) विधि हैं।
अंतिम चरण में, इसकी प्रकृति के आधार पर, विघटन या थर्मल अपघटन की प्रक्रियाओं के आधार पर, टेम्पलेट (कोलाइडयन क्षेत्रों) को हटा दिया जाता है। परिणामी संरचनाओं को अक्सर मूल कोलाइडल क्रिस्टल या "रिवर्स ओपल्स" के रिवर्स प्रतिकृतियों के रूप में संदर्भित किया जाता है।
व्यावहारिक उपयोग के लिए, एक फोटोनिक क्रिस्टल में दोष-मुक्त क्षेत्र 1000 µm2 से अधिक नहीं होना चाहिए। इसलिए, फोटोनिक क्रिस्टल के निर्माण में क्वार्ट्ज और बहुलक गोलाकार कणों को ऑर्डर करने की समस्या सबसे महत्वपूर्ण है।
तरीकों के दूसरे समूह में, सिंगल-फोटॉन फोटोलिथोग्राफी और टू-फोटॉन फोटोलिथोग्राफी 200 एनएम के रिज़ॉल्यूशन के साथ त्रि-आयामी फोटोनिक क्रिस्टल के निर्माण की अनुमति देते हैं और कुछ सामग्रियों की संपत्ति का उपयोग करते हैं, जैसे कि पॉलिमर, जो एकल के प्रति संवेदनशील होते हैं- और दो-फोटॉन विकिरण और इस विकिरण के प्रभाव में उनके गुण बदल सकते हैं। इलेक्ट्रॉन बीम लिथोग्राफी द्वि-आयामी फोटोनिक क्रिस्टल बनाने के लिए एक महंगी लेकिन उच्च-परिशुद्धता तकनीक है। इस पद्धति में, एक इलेक्ट्रॉन बीम की क्रिया के तहत अपने गुणों को बदलने वाले एक फोटोरेसिस्ट को स्थानिक मुखौटा बनाने के लिए विशिष्ट स्थानों पर बीम से विकिरणित किया जाता है। विकिरण के बाद, फोटोरेसिस्ट का हिस्सा धुल जाता है, और बाकी का उपयोग बाद के तकनीकी चक्र में नक़्क़ाशी के लिए मास्क के रूप में किया जाता है। इस पद्धति का अधिकतम रिज़ॉल्यूशन 10nm है। आयन बीम लिथोग्राफी सिद्धांत रूप में समान है, इलेक्ट्रॉन बीम के बजाय केवल आयन बीम का उपयोग किया जाता है। इलेक्ट्रॉन बीम लिथोग्राफी पर आयन बीम लिथोग्राफी के फायदे यह हैं कि फोटोरेसिस्ट इलेक्ट्रॉन बीम की तुलना में आयन बीम के प्रति अधिक संवेदनशील होता है और कोई "निकटता प्रभाव" नहीं होता है जो इलेक्ट्रॉन बीम लिथोग्राफी में सबसे छोटे संभव क्षेत्र आकार को सीमित करता है।
आइए फोटोनिक क्रिस्टल उगाने की कुछ अन्य विधियों का भी उल्लेख करें। इनमें फोटोनिक क्रिस्टल के सहज गठन, नक़्क़ाशी के तरीके और होलोग्राफिक तरीके शामिल हैं।
फोटॉन भविष्य
भविष्यवाणियां जितनी आकर्षक हैं उतनी ही खतरनाक भी। हालांकि, फोटोनिक क्रिस्टल उपकरणों के भविष्य के बारे में भविष्यवाणियां बहुत आशावादी हैं। फोटोनिक क्रिस्टल के आवेदन का क्षेत्र व्यावहारिक रूप से अटूट है। वर्तमान में, फोटोनिक क्रिस्टल की अनूठी विशेषताओं का उपयोग करने वाले उपकरण या सामग्री पहले ही विश्व बाजार में दिखाई दे चुके हैं (या निकट भविष्य में दिखाई देंगे)। ये फोटोनिक क्रिस्टल (कम-दहलीज और गैर-दहलीज लेजर) वाले लेजर हैं; फोटोनिक क्रिस्टल पर आधारित वेवगाइड्स (पारंपरिक फाइबर की तुलना में वे अधिक कॉम्पैक्ट हैं और कम नुकसान हैं); एक नकारात्मक अपवर्तक सूचकांक वाली सामग्री, जो प्रकाश को तरंग दैर्ध्य से छोटे बिंदु पर केंद्रित करना संभव बनाती है; भौतिकविदों का सपना - सुपरप्रिज्म; ऑप्टिकल भंडारण और तार्किक उपकरण; फोटोनिक क्रिस्टल के आधार पर प्रदर्शित करता है। फोटोनिक क्रिस्टल रंग में हेरफेर भी करेंगे। इन्फ्रारेड विकिरण से पराबैंगनी विकिरण तक उच्च वर्णक्रमीय सीमा वाले फोटोनिक क्रिस्टल पर एक बेंडेबल बड़े प्रारूप का डिस्प्ले पहले ही विकसित किया जा चुका है, जिसमें प्रत्येक पिक्सेल एक फोटोनिक क्रिस्टल है - अंतरिक्ष में कड़ाई से परिभाषित तरीके से स्थित सिलिकॉन माइक्रोस्फीयर की एक सरणी। फोटोनिक सुपरकंडक्टर्स बनते हैं। ऐसे सुपरकंडक्टर्स का उपयोग ऑप्टिकल तापमान सेंसर बनाने के लिए किया जा सकता है, जो बदले में उच्च आवृत्तियों पर काम करेगा और फोटोनिक इंसुलेटर और सेमीकंडक्टर्स के साथ संगत होगा।
मनुष्य केवल फोटोनिक क्रिस्टल के तकनीकी उपयोग की योजना बना रहा है, और समुद्री माउस (Aphrodite aculeata) उन्हें लंबे समय से व्यवहार में ला रहा है। इस कृमि के फर में इंद्रधनुषीपन की ऐसी स्पष्ट घटना होती है कि यह स्पेक्ट्रम के पूरे दृश्य क्षेत्र में 100% के करीब दक्षता के साथ प्रकाश को चुनिंदा रूप से प्रतिबिंबित करने में सक्षम होता है - लाल से हरे और नीले रंग में। इस तरह का एक विशेष "ऑन-बोर्ड" ऑप्टिकल कंप्यूटर इस कीड़े को 500 मीटर की गहराई तक जीवित रहने में मदद करता है। यह निश्चित रूप से कहा जा सकता है कि फोटोनिक क्रिस्टल के अद्वितीय गुणों का उपयोग करने में मानव बुद्धि बहुत आगे जाएगी।
फोटोनिक क्रिस्टल (पीसी) अंतरिक्ष में पारगम्यता में आवधिक परिवर्तन की विशेषता वाली संरचनाएं हैं। पीसी के ऑप्टिकल गुण निरंतर मीडिया के ऑप्टिकल गुणों से बहुत भिन्न होते हैं। एक फोटोनिक क्रिस्टल के अंदर विकिरण का प्रसार, माध्यम की आवधिकता के कारण, आवधिक क्षमता की क्रिया के तहत एक साधारण क्रिस्टल के अंदर एक इलेक्ट्रॉन की गति के समान हो जाता है। नतीजतन, फोटोनिक क्रिस्टल में विद्युत चुम्बकीय तरंगों में एक बैंड स्पेक्ट्रम होता है और साधारण क्रिस्टल में इलेक्ट्रॉनों की बलोच तरंगों के समान एक समन्वय निर्भरता होती है। कुछ शर्तों के तहत, एक पीसी की बैंड संरचना में अंतराल बनते हैं, इसी तरह प्राकृतिक क्रिस्टल में निषिद्ध इलेक्ट्रॉनिक बैंड होते हैं। विशिष्ट गुणों (तत्वों की सामग्री, उनके आकार और झंझरी अवधि) के आधार पर, पीसी स्पेक्ट्रम पूरी तरह से आवृत्ति-निषिद्ध क्षेत्र दोनों बना सकता है, जिसके लिए इसके ध्रुवीकरण और दिशा की परवाह किए बिना विकिरण प्रसार असंभव है, और आंशिक रूप से निषिद्ध ( स्टॉप-ज़ोन), जिसमें केवल चयनित दिशाओं में ही फैल सकता है।
मौलिक दृष्टिकोण से और कई अनुप्रयोगों के लिए फोटोनिक क्रिस्टल रुचि रखते हैं। फोटोनिक क्रिस्टल, ऑप्टिकल फिल्टर, वेवगाइड्स (विशेष रूप से, फाइबर-ऑप्टिक संचार लाइनों में) के आधार पर, थर्मल विकिरण को नियंत्रित करने की अनुमति देने वाले उपकरणों को बनाया और विकसित किया गया है, फोटोनिक क्रिस्टल के आधार पर कम पंप थ्रेसहोल्ड के साथ लेजर डिजाइन प्रस्तावित किए गए हैं।
प्रतिबिंब, संचरण और अवशोषण स्पेक्ट्रा को बदलने के अलावा, धातु-ढांकता हुआ फोटोनिक क्रिस्टल में फोटोनिक राज्यों का एक विशिष्ट घनत्व होता है। अवस्थाओं का परिवर्तित घनत्व एक फोटोनिक क्रिस्टल के अंदर रखे परमाणु या अणु के उत्तेजित अवस्था के जीवनकाल को महत्वपूर्ण रूप से प्रभावित कर सकता है और इसके परिणामस्वरूप, ल्यूमिनेसेंस की प्रकृति को बदल सकता है। उदाहरण के लिए, यदि फोटोनिक क्रिस्टल में स्थित एक संकेतक अणु में संक्रमण आवृत्ति बैंड गैप में गिरती है, तो इस आवृत्ति पर ल्यूमिनेसेंस को दबा दिया जाएगा।
एफसी को तीन प्रकारों में बांटा गया है: एक-आयामी, द्वि-आयामी और त्रि-आयामी।
एक-, दो- और तीन आयामी फोटोनिक क्रिस्टल। अलग-अलग रंग अलग-अलग ढांकता हुआ स्थिरांक वाली सामग्री के अनुरूप होते हैं।
एक आयामी पीसी विभिन्न सामग्रियों से बने वैकल्पिक परतों के साथ हैं।
ब्रैग मल्टीलेयर मिरर के रूप में लेजर में उपयोग किए जाने वाले एक-आयामी पीसी की इलेक्ट्रॉन छवि।
द्वि-आयामी FK में अधिक विविध ज्यामिति हो सकती हैं। इनमें शामिल हैं, उदाहरण के लिए, अनंत लंबाई के सिलेंडरों की सरणियाँ (उनका अनुप्रस्थ आकार अनुदैर्ध्य एक से बहुत छोटा है) या बेलनाकार छिद्रों की आवधिक प्रणाली।
त्रिकोणीय जाली के साथ इलेक्ट्रॉनिक छवियां, द्वि-आयामी आगे और रिवर्स एफके।
त्रि-आयामी पीसी की संरचनाएं बहुत विविध हैं। इस श्रेणी में सबसे आम कृत्रिम ओपल हैं - गोलाकार डिफ्यूज़र की आदेशित प्रणालियाँ। ओपल दो मुख्य प्रकार के होते हैं: स्ट्रेट और रिवर्स (इनवर्स) ओपल। प्रत्यक्ष ओपल से रिवर्स ओपल में परिवर्तन सभी गोलाकार तत्वों को गुहाओं (आमतौर पर हवा) के साथ बदलकर किया जाता है, जबकि इन गुहाओं के बीच का स्थान कुछ सामग्री से भरा होता है।
नीचे एक पीसी की सतह है, जो स्व-संगठित गोलाकार पॉलीस्टायरीन माइक्रोपार्टिकल्स पर आधारित क्यूबिक जाली के साथ एक सीधा ओपल है।
स्व-संगठित गोलाकार पॉलीस्टायरीन माइक्रोपार्टिकल्स पर आधारित क्यूबिक जाली के साथ एक पीसी की आंतरिक सतह।
अगली संरचना एक बहु-चरणीय रासायनिक प्रक्रिया के परिणामस्वरूप एक उलटा ओपल संश्लेषित है: बहुलक गोलाकार कणों की स्वयं-विधानसभा, पदार्थ के साथ परिणामी सामग्री में रिक्तियों का संसेचन, और रासायनिक नक़्क़ाशी द्वारा बहुलक मैट्रिक्स को हटाना।
एक क्वार्ट्ज उलटा ओपल की सतह। स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी का उपयोग करके तस्वीर प्राप्त की गई थी।
एक अन्य प्रकार के त्रि-आयामी एफसी "वुडपाइल" प्रकार (लॉगपाइल्स) की संरचनाएं हैं, जो आयताकार समांतर चतुर्भुज द्वारा बनाई गई हैं, एक नियम के रूप में, समकोण पर।
धातु समानांतर चतुर्भुज से पीसी की इलेक्ट्रॉनिक तस्वीर।
उत्पादन विधियां
व्यवहार में एफसी का उपयोग उनके निर्माण के लिए सार्वभौमिक और सरल तरीकों की कमी से काफी सीमित है। हमारे समय में, एफसी के निर्माण के लिए कई दृष्टिकोण लागू किए गए हैं। नीचे दो मुख्य दृष्टिकोणों का वर्णन किया गया है।
इनमें से पहला तथाकथित स्व-संगठन या स्व-विधानसभा पद्धति है। जब एक फोटोनिक क्रिस्टल को स्व-संयोजन करते हैं, तो कोलाइडल कणों का उपयोग किया जाता है (सबसे आम मोनोडिस्पर्स सिलिकॉन या पॉलीस्टायरीन कण होते हैं), जो तरल में होते हैं और जैसे ही तरल वाष्पित होता है, मात्रा में जमा हो जाता है। जैसा कि वे एक दूसरे पर "जमा" करते हैं, वे एक त्रि-आयामी पीसी बनाते हैं और शर्तों के आधार पर, क्यूबिक फेस-केंद्रित या हेक्सागोनल क्रिस्टल जाली में आदेशित होते हैं। यह विधि काफी धीमी है, एफसी के गठन में कई सप्ताह लग सकते हैं। साथ ही, इसके नुकसान में निक्षेपण प्रक्रिया में दोषों की उपस्थिति का खराब नियंत्रित प्रतिशत शामिल है।
स्व-विधानसभा विधि की किस्मों में से एक तथाकथित मधुकोश विधि है। इस पद्धति में तरल को छानना शामिल है जिसमें कण छोटे छिद्रों के माध्यम से स्थित होते हैं, और इन छिद्रों के माध्यम से तरल के प्रवाह की दर से निर्धारित दर पर एफसी के गठन की अनुमति देता है। पारंपरिक निक्षेपण विधि की तुलना में यह विधि बहुत तेज है, हालांकि इसके उपयोग में दोषों का प्रतिशत भी अधिक है।
वर्णित विधियों के लाभों में यह तथ्य शामिल है कि वे बड़े आकार के पीसी नमूनों (कई वर्ग सेंटीमीटर तक के क्षेत्र के साथ) के गठन की अनुमति देते हैं।
एफसी के निर्माण के लिए दूसरी सबसे लोकप्रिय विधि नक़्क़ाशी विधि है। 2डी पीसी बनाने के लिए आमतौर पर विभिन्न नक़्क़ाशी विधियों का उपयोग किया जाता है। ये विधियाँ एक ढांकता हुआ या धातु की सतह पर बने एक फोटोरेसिस्ट मास्क (जो परिभाषित करता है, उदाहरण के लिए, गोलार्द्धों की एक सरणी) के उपयोग पर आधारित है और etched क्षेत्र की ज्यामिति को परिभाषित करता है। यह मुखौटा मानक फोटोलिथोग्राफी विधि का उपयोग करके प्राप्त किया जा सकता है, इसके बाद सीधे फोटोरेसिस्ट के साथ नमूना सतह की रासायनिक नक़्क़ाशी की जाती है। इस मामले में, क्रमशः, उन क्षेत्रों में जहां फोटोरेसिस्ट स्थित है, फोटोरेसिस्ट की सतह को उकेरा जाता है, और बिना फोटोरेसिस्ट वाले क्षेत्रों में, परावैद्युत या धातु को उकेरा जाता है। यह प्रक्रिया तब तक जारी रहती है जब तक वांछित नक़्क़ाशी की गहराई तक नहीं पहुँच जाती, जिसके बाद फोटोरेसिस्ट धुल जाता है।
इस पद्धति का नुकसान फोटोलिथोग्राफी प्रक्रिया का उपयोग है, जिसका सबसे अच्छा स्थानिक संकल्प रेले की कसौटी द्वारा निर्धारित किया जाता है। इसलिए, यह विधि एक बैंड अंतराल के साथ एक पीसी बनाने के लिए उपयुक्त है, जो एक नियम के रूप में, स्पेक्ट्रम के निकट अवरक्त क्षेत्र में स्थित है। अक्सर, वांछित रिज़ॉल्यूशन प्राप्त करने के लिए इलेक्ट्रॉन बीम लिथोग्राफी के साथ फोटोलिथोग्राफी के संयोजन का उपयोग किया जाता है। अर्ध-द्वि-आयामी पीसी बनाने के लिए यह विधि एक महंगी लेकिन अत्यधिक सटीक विधि है। इस पद्धति में, एक फोटोरेसिस्ट जो एक इलेक्ट्रॉन बीम की क्रिया के तहत अपने गुणों को बदलता है, एक स्थानिक मुखौटा बनाने के लिए विशिष्ट स्थानों पर विकिरणित होता है। विकिरण के बाद, फोटोरेसिस्ट का हिस्सा धोया जाता है, और शेष भाग को बाद के तकनीकी चक्र में नक़्क़ाशीदार मुखौटा के रूप में उपयोग किया जाता है। इस विधि का अधिकतम विभेदन लगभग 10 एनएम है।
इलेक्ट्रोडायनामिक्स और क्वांटम यांत्रिकी के बीच समानताएं
मैक्सवेल के समीकरणों का कोई भी समाधान, रैखिक मीडिया के मामले में और मुक्त आवेशों और वर्तमान स्रोतों की अनुपस्थिति में, आवृत्ति के आधार पर जटिल आयामों के साथ समय में हार्मोनिक कार्यों के सुपरपोजिशन के रूप में दर्शाया जा सकता है: , जहां या तो है, या।
चूंकि क्षेत्र वास्तविक हैं, इसलिए , और एक सकारात्मक आवृत्ति के साथ समय में हार्मोनिक कार्यों के सुपरपोजिशन के रूप में लिखा जा सकता है: ,
हार्मोनिक कार्यों पर विचार हमें मैक्सवेल के समीकरणों के आवृत्ति रूप में जाने की अनुमति देता है, जिसमें समय के डेरिवेटिव नहीं होते हैं: ,
जहां इन समीकरणों में शामिल क्षेत्रों की समय निर्भरता को के रूप में दर्शाया गया है। हम मानते हैं कि मीडिया आइसोट्रोपिक हैं और चुंबकीय पारगम्यता है।
स्पष्ट रूप से क्षेत्र को व्यक्त करते हुए, समीकरणों के दोनों ओर से कर्ल लेते हुए, और दूसरे समीकरण को पहले समीकरण में प्रतिस्थापित करते हुए, हम प्राप्त करते हैं:
निर्वात में प्रकाश की गति कहाँ होती है।
दूसरे शब्दों में, हमें एक आइगेनवैल्यू समस्या मिली:
ऑपरेटर के लिए
जहां निर्भरता विचाराधीन संरचना द्वारा निर्धारित की जाती है।
परिणामी ऑपरेटर के eigenfunctions (मोड) को शर्त को पूरा करना चाहिए
के रूप में स्थित है
इस मामले में, स्थिति स्वचालित रूप से पूरी हो जाती है, क्योंकि रोटर का विचलन हमेशा शून्य होता है।
ऑपरेटर रैखिक है, जिसका अर्थ है कि समान आवृत्ति के साथ आइगेनवैल्यू समस्या के समाधान का कोई भी रैखिक संयोजन भी एक समाधान होगा। यह दिखाया जा सकता है कि इस मामले में यह ऑपरेटर हर्मिटियन है, यानी किसी भी वेक्टर फ़ंक्शन के लिए
जहां डॉट उत्पाद के रूप में परिभाषित किया गया है
चूंकि ऑपरेटर हर्मिटियन है, इसलिए यह इस प्रकार है कि इसके आइगेनवेल्यू वास्तविक हैं। यह भी दिखाया जा सकता है कि 0" align="absmiddle"> पर, eigenvalues गैर-नकारात्मक हैं, और इसलिए आवृत्तियाँ वास्तविक हैं।
अलग-अलग आवृत्तियों के अनुरूप ईजेनफंक्शन का स्केलर उत्पाद हमेशा शून्य होता है। समान आवृत्तियों के मामले में, यह आवश्यक रूप से मामला नहीं है, लेकिन ऐसे ईजेनफंक्शन के पारस्परिक रूप से ऑर्थोगोनल रैखिक संयोजनों के साथ ही काम करना हमेशा संभव होता है। इसके अलावा, हर्मिटियन ऑपरेटर के पारस्परिक रूप से ऑर्थोगोनल ईजेनफंक्शन से आधार बनाना हमेशा संभव होता है।
यदि, इसके विपरीत, हम क्षेत्र को के संदर्भ में व्यक्त करते हैं, तो हमें एक सामान्यीकृत ईगेनवैल्यू समस्या मिलती है:
जिसमें संकारक पहले से ही समीकरण के दोनों ओर मौजूद हैं (इस मामले में, समीकरण के बाईं ओर संकारक द्वारा विभाजन के बाद, यह गैर-हर्मिटियन हो जाता है)। कुछ मामलों में, यह फॉर्मूलेशन अधिक सुविधाजनक है।
ध्यान दें कि जब समीकरण को eigenvalues द्वारा प्रतिस्थापित किया जाता है, तो आवृत्ति नए समाधान के अनुरूप होगी। इस तथ्य को स्केलेबिलिटी कहा जाता है और इसका बहुत व्यावहारिक महत्व है। एक माइक्रोन के क्रम में विशिष्ट आयामों वाले फोटोनिक क्रिस्टल का उत्पादन तकनीकी रूप से कठिन है। हालांकि, परीक्षण उद्देश्यों के लिए, एक सेंटीमीटर मोड में काम करने वाले एक सेंटीमीटर के क्रम के एक अवधि और एक तत्व आकार के साथ एक फोटोनिक क्रिस्टल का एक मॉडल बनाना संभव है (इस मामले में, सामग्री का उपयोग किया जाना चाहिए जो लगभग होगा सिम्युलेटेड सामग्री के रूप में सेंटीमीटर फ़्रीक्वेंसी रेंज में समान पारगम्यता)।
आइए हम क्वांटम यांत्रिकी के साथ ऊपर वर्णित सिद्धांत का एक सादृश्य बनाते हैं। क्वांटम यांत्रिकी में, एक अदिश तरंग फलन माना जाता है जो जटिल मान लेता है। इलेक्ट्रोडायनामिक्स में, यह वेक्टर है, और जटिल निर्भरता केवल सुविधा के लिए पेश की जाती है। इस तथ्य का एक परिणाम, विशेष रूप से, यह है कि इलेक्ट्रॉनों के लिए बैंड संरचनाओं के विपरीत, एक फोटोनिक क्रिस्टल में फोटॉन के लिए बैंड संरचनाएं अलग-अलग ध्रुवीकरण वाली तरंगों के लिए अलग होंगी।
क्वांटम यांत्रिकी और इलेक्ट्रोडायनामिक्स दोनों में, हर्मिटियन ऑपरेटर के eigenvalues के लिए समस्या हल हो गई है। क्वांटम यांत्रिकी में, हर्मिटियन ऑपरेटर वेधशालाओं के अनुरूप होते हैं।
और अंत में, क्वांटम यांत्रिकी में, यदि ऑपरेटर को एक योग के रूप में दर्शाया जाता है, तो ईगेनवेल्यू समीकरण के समाधान को इस रूप में लिखा जा सकता है, अर्थात, समस्या को तीन एक-आयामी में विभाजित किया गया है। इलेक्ट्रोडायनामिक्स में, यह असंभव है, क्योंकि ऑपरेटर तीनों निर्देशांक "लिंक" करता है, भले ही वे अलग-अलग हों। इस कारण से, इलेक्ट्रोडायनामिक्स में केवल बहुत ही सीमित संख्या में समस्याओं का विश्लेषणात्मक समाधान होता है। विशेष रूप से, पीसी के बैंड स्पेक्ट्रम के लिए सटीक विश्लेषणात्मक समाधान मुख्य रूप से एक-आयामी पीसी के लिए पाए जाते हैं। इसीलिए फोटोनिक क्रिस्टल के गुणों की गणना में संख्यात्मक अनुकरण महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है।
बैंड संरचना
फोटोनिक क्रिस्टल को फ़ंक्शन की आवधिकता की विशेषता है:
एक मनमाना अनुवाद वेक्टर के रूप में दर्शाया गया है
आदिम अनुवाद वैक्टर कहाँ हैं और पूर्णांक हैं।
बलोच के प्रमेय द्वारा, एक ऑपरेटर के ईजेनफंक्शन को इस तरह से चुना जा सकता है कि उनके पास एक विमान तरंग का रूप होता है जो एक फ़ंक्शन से गुणा होता है जिसमें एफके के समान आवधिकता होती है:
जहां एक आवधिक कार्य है। इस मामले में, मानों को इस तरह से चुना जा सकता है कि वे पहले ब्रिलॉइन ज़ोन से संबंधित हों।
इस अभिव्यक्ति को तैयार की गई आइगेनवैल्यू समस्या में प्रतिस्थापित करते हुए, हम एक आइगेनवैल्यू समीकरण प्राप्त करते हैं
Eigenfunctions आवधिक होना चाहिए और शर्त को पूरा करना चाहिए।
यह दिखाया जा सकता है कि वेक्टर का प्रत्येक मान आवृत्तियों के असतत सेट के साथ मोड के अनंत सेट से मेल खाता है, जिसे हम सूचकांक के साथ आरोही क्रम में नंबर देंगे। चूंकि ऑपरेटर निरंतर निर्भर करता है, एक निश्चित सूचकांक पर आवृत्ति भी लगातार निर्भर करती है। निरंतर कार्यों का सेट FK की बैंड संरचना का गठन करता है। एक फोटोनिक क्रिस्टल की बैंड संरचना के अध्ययन से इसके ऑप्टिकल गुणों के बारे में जानकारी प्राप्त करना संभव हो जाता है। FK में किसी भी अतिरिक्त समरूपता की उपस्थिति हमें खुद को Brillouin ज़ोन के एक निश्चित उपडोमेन तक सीमित रखने की अनुमति देती है, जिसे इरेड्यूसिबल कहा जाता है। के लिए समाधान, जो इस इर्रिड्यूसिबल ज़ोन से संबंधित है, पूरे ब्रिलॉइन ज़ोन के लिए समाधानों को पुन: उत्पन्न करता है।
बायां: एक 2डी फोटोनिक क्रिस्टल जो एक चौकोर जाली में पैक किए गए सिलेंडरों से बना है। दाएं: वर्गाकार जाली के अनुरूप पहला ब्रिलॉइन क्षेत्र। नीला त्रिभुज इरेड्यूसिबल ब्रिलॉइन ज़ोन से मेल खाता है। जी, एमतथा एक्स- एक वर्गाकार जाली के लिए उच्च समरूपता के बिंदु।
आवृत्ति अंतराल जो तरंग सदिश के किसी भी वास्तविक मान के लिए किसी भी मोड के अनुरूप नहीं होते हैं, बैंड अंतराल कहलाते हैं। एक पीसी में परमिटिटिविटी के कंट्रास्ट में वृद्धि के साथ ऐसे ज़ोन की चौड़ाई बढ़ जाती है (एक फोटोनिक क्रिस्टल के घटक तत्वों के परमिटिटिविटी का अनुपात)। यदि इस तरह के फोटोनिक क्रिस्टल के अंदर वर्जित बैंड के अंदर पड़ी आवृत्ति वाला विकिरण उत्पन्न होता है, तो यह इसमें फैल नहीं सकता है (यह तरंग वेक्टर के जटिल मूल्य से मेल खाता है)। ऐसी तरंग का आयाम क्रिस्टल के अंदर चरघातांकी रूप से क्षय होगा (क्षणभंगुर तरंग)। एक फोटोनिक क्रिस्टल के गुणों में से एक इस पर आधारित है: सहज उत्सर्जन (विशेष रूप से, इसके दमन) को नियंत्रित करने की संभावना। यदि ऐसा विकिरण पीसी पर बाहर से आपतित होता है, तो यह फोटोनिक क्रिस्टल से पूरी तरह से परावर्तित हो जाता है। यह प्रभाव चिंतनशील फिल्टर के साथ-साथ उच्च परावर्तक दीवारों के साथ गुंजयमान यंत्र और वेवगाइड के लिए पीसी के उपयोग का आधार है।
एक नियम के रूप में, कम-आवृत्ति मोड मुख्य रूप से एक बड़े ढांकता हुआ स्थिरांक के साथ परतों में केंद्रित होते हैं, जबकि उच्च-आवृत्ति मोड ज्यादातर कम ढांकता हुआ स्थिरांक वाले परतों में केंद्रित होते हैं। इसलिए, पहले क्षेत्र को अक्सर ढांकता हुआ क्षेत्र कहा जाता है, और इसके बाद वाले को वायु क्षेत्र कहा जाता है।
परतों के लंबवत तरंग प्रसार के अनुरूप एक-आयामी पीसी की बैंड संरचना। तीनों मामलों में, प्रत्येक परत की मोटाई 0.5 है एक, कहाँ पे एक- एफसी अवधि। वाम: प्रत्येक परत में समान पारगम्यता होती है ε
= 13. केंद्र: वैकल्पिक परतों की पारगम्यता का मान होता है ε
= 12 और ε
= 13. दाएँ: ε
= 1 और ε
= 13.
तीन से कम आयामों वाले पीसी के मामले में, सभी दिशाओं के लिए कोई पूर्ण बैंड अंतराल नहीं है, जो एक या दो दिशाओं की उपस्थिति का परिणाम है जिसके साथ पीसी सजातीय है। सहजता से, इसे इस तथ्य से समझाया जा सकता है कि लहर इन दिशाओं के साथ कई प्रतिबिंबों का अनुभव नहीं करती है, जो बैंड अंतराल के गठन के लिए आवश्यक है।
इसके बावजूद, एक-आयामी पीसी बनाना संभव है जो पीसी पर किसी भी कोण पर तरंगों की घटना को प्रतिबिंबित करेगा।
अवधि के साथ एक आयामी पीसी की बैंड संरचना एकजिसमें प्रत्यावर्ती परतों की मोटाई 0.2 है एकऔर 0.8 एक, और उनकी पारगम्यता - ε
= 13 और ε
= 1, क्रमशः। आकृति का बायाँ भाग परतों के लंबवत तरंग प्रसार की दिशा से मेल खाता है (0, 0, क z), और दाईं ओर - परतों के साथ दिशा में (0, कवाई, 0)। बैंड गैप केवल परतों के लंबवत दिशा के लिए मौजूद है। ध्यान दें कि कब क y> 0, दो अलग-अलग ध्रुवीकरणों के लिए अध: पतन को हटा दिया जाता है।
ओपल ज्योमेट्री वाले पीसी की बैंड संरचना नीचे दिखाई गई है। यह देखा जा सकता है कि इस पीसी में लगभग 1.5 माइक्रोन के तरंग दैर्ध्य और एक स्टॉप बैंड पर कुल बैंड गैप है, जिसमें 2.5 माइक्रोन के तरंग दैर्ध्य पर अधिकतम प्रतिबिंब होता है। व्युत्क्रम ओपल निर्माण के चरणों में से एक में सिलिकॉन मैट्रिक्स के नक़्क़ाशी के समय को अलग करके और इस प्रकार गोले के व्यास को अलग करके, एक निश्चित तरंग दैर्ध्य रेंज में बैंड गैप को स्थानीय बनाना संभव है। लेखक ध्यान दें कि समान विशेषताओं वाली संरचना का उपयोग दूरसंचार प्रौद्योगिकियों में किया जा सकता है। बैंड गैप फ्रीक्वेंसी पर रेडिएशन को पीसी के वॉल्यूम के अंदर स्थानीयकृत किया जा सकता है, और जब आवश्यक चैनल प्रदान किया जाता है, तो यह बिना नुकसान के वस्तुतः प्रचार कर सकता है। ऐसा चैनल बनाया जा सकता है, उदाहरण के लिए, एक निश्चित रेखा के साथ फोटोनिक क्रिस्टल तत्वों को हटाकर। जब चैनल मुड़ा हुआ होता है, तो विद्युत चुम्बकीय तरंग भी चैनल के आकार को दोहराते हुए दिशा बदल देगी। इस प्रकार, ऐसे पीसी को एक उत्सर्जक उपकरण और एक ऑप्टिकल माइक्रोचिप के बीच एक संचरण इकाई के रूप में उपयोग किया जाना चाहिए जो सिग्नल को संसाधित करता है।
जीएल दिशा में परावर्तन स्पेक्ट्रम की तुलना, प्रयोगात्मक रूप से मापा जाता है, और एक उलटा सिलिकॉन (सी) ओपल के लिए विमान तरंग विस्तार विधि द्वारा गणना की गई बैंड संरचना एक चेहरा-केंद्रित क्यूबिक जाली के साथ होती है (इनसेट पहले ब्रिलौइन ज़ोन दिखाता है)। सिलिकॉन का आयतन अंश 22% है। झंझरी अवधि 1.23 µm
एक-आयामी पीसी के मामले में, बैंड गैप बनाने के लिए सबसे छोटा पारगम्यता कंट्रास्ट भी पर्याप्त है। ऐसा प्रतीत होता है कि त्रि-आयामी ढांकता हुआ पीसी के लिए, एक समान निष्कर्ष निकाला जा सकता है: ब्रिलॉइन ज़ोन की सीमा पर, यदि वेक्टर के मामले में ढांकता हुआ पारगम्यता के किसी भी छोटे विपरीत पर एक पूर्ण बैंडगैप की उपस्थिति का अनुमान लगाने के लिए सभी दिशाओं में एक ही मोडुली (जो गोलाकार ब्रिलॉइन ज़ोन से मेल खाती है)। हालांकि, गोलाकार ब्रिलॉइन ज़ोन वाले त्रि-आयामी क्रिस्टल प्रकृति में मौजूद नहीं हैं। एक नियम के रूप में, इसमें एक जटिल बहुभुज आकार होता है। इस प्रकार, यह पता चला है कि अलग-अलग दिशाओं में बैंड अंतराल अलग-अलग आवृत्तियों पर मौजूद हैं। ढांकता हुआ कंट्रास्ट काफी बड़ा होने पर ही विभिन्न दिशाओं में स्टॉप बैंड ओवरलैप हो सकते हैं और सभी दिशाओं में एक पूर्ण बैंड गैप बना सकते हैं। गोलाकार के सबसे करीब (और इस प्रकार बलोच वेक्टर की दिशा से सबसे अधिक स्वतंत्र) फेस-सेंटर्ड क्यूबिक (एफसीसी) और डायमंड लैटिस का पहला ब्रिलॉइन ज़ोन है, जो इस संरचना के साथ 3डी पीसी बनाता है जो कुल बैंड गैप बनाने के लिए सबसे उपयुक्त है। स्पेक्ट्रम। साथ ही, ऐसे पीसी के स्पेक्ट्रा में कुल बैंड अंतराल की उपस्थिति के लिए, ढांकता हुआ स्थिरांक में एक बड़े विपरीत की आवश्यकता होती है। यदि हम सापेक्ष भट्ठा चौड़ाई को निरूपित करते हैं, तो 5 \% "संरेखण = "absmiddle"> के मूल्यों को प्राप्त करने के लिए, क्रमशः हीरे और एफसीसी झंझरी के लिए एक कंट्रास्ट आवश्यक है। , यह ध्यान में रखते हुए कि सभी पीसी में प्राप्त प्रयोग आदर्श नहीं हैं, और संरचना में दोष बैंड गैप को काफी कम कर सकते हैं।
क्यूबिक फेस-केंद्रित जाली का पहला ब्रिलॉइन ज़ोन और उच्च समरूपता के बिंदु।
निष्कर्ष में, हम एक बार फिर ठोस की बैंड संरचना पर विचार करते समय क्वांटम यांत्रिकी में इलेक्ट्रॉनों के गुणों के साथ पीसी के ऑप्टिकल गुणों की समानता पर ध्यान देते हैं। हालांकि, फोटॉनों और इलेक्ट्रॉनों के बीच एक महत्वपूर्ण अंतर है: इलेक्ट्रॉनों का एक दूसरे के साथ मजबूत संपर्क होता है। इसलिए, "इलेक्ट्रॉनिक" समस्याओं, एक नियम के रूप में, कई-इलेक्ट्रॉन प्रभावों को ध्यान में रखने की आवश्यकता होती है, जो समस्या के आयाम को बहुत बढ़ा देती है, जो अक्सर अपर्याप्त सटीक सन्निकटन के उपयोग को मजबूर करती है, जबकि एक पीसी में एक नगण्य गैर-रैखिक तत्वों के साथ ऑप्टिकल प्रतिक्रिया, यह कठिनाई अनुपस्थित है।
आधुनिक प्रकाशिकी का एक आशाजनक क्षेत्र फोटोनिक क्रिस्टल की सहायता से विकिरण का नियंत्रण है। विशेष रूप से, मध्य-आईआर रेंज में विकिरण के मजबूत दमन के साथ-साथ निकट अवरक्त रेंज में धातु फोटोनिक क्रिस्टल के उत्सर्जन की उच्च चयनात्मकता प्राप्त करने के लिए सैंडिया प्रयोगशाला में लॉग-पाइल्स पीसी का अध्ययन किया गया था (<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.
तापीय संतुलन में विकिरण के लिए किरचॉफ के नियम के अनुसार, एक धूसर पिंड (या सतह) की उत्सर्जकता इसकी अवशोषणशीलता के समानुपाती होती है। इसलिए, धात्विक पीसी के उत्सर्जन के बारे में जानकारी प्राप्त करने के लिए, व्यक्ति उनके अवशोषण स्पेक्ट्रा का अध्ययन कर सकता है। पीसी युक्त दृश्यमान रेंज (एनएम) में उत्सर्जक संरचना की उच्च चयनात्मकता प्राप्त करने के लिए, ऐसी स्थितियों को चुनना आवश्यक है जिसके तहत दृश्य सीमा में अवशोषण बड़ा हो, और आईआर में दबा हुआ हो।
हमारे कार्यों में, http, हमने टंगस्टन के तत्वों के साथ एक फोटोनिक क्रिस्टल के अवशोषण स्पेक्ट्रम में परिवर्तन और ओपल की ज्यामिति के साथ इसके सभी ज्यामितीय मापदंडों में बदलाव के साथ विस्तार से विश्लेषण किया: जाली अवधि, टंगस्टन तत्वों का आकार और संख्या एक पीसी नमूने में परतों की। इसके निर्माण के दौरान उत्पन्न होने वाले पीसी में दोषों के अवशोषण स्पेक्ट्रम पर प्रभाव का विश्लेषण भी किया गया था।
ऑप्टिकल बैंड संरचना बनाने की संभावना का विश्लेषण करते समय नैनोसाइज्ड संरचनाओं और फोटोनिक क्रिस्टल के फोटोनिक्स का विचार पैदा हुआ था। यह मान लिया गया था कि ऑप्टिकल बैंड संरचना में, साथ ही सेमीकंडक्टर बैंड संरचना में, अलग-अलग ऊर्जा वाले फोटॉनों के लिए अनुमत और निषिद्ध अवस्थाएँ मौजूद होनी चाहिए। सैद्धांतिक रूप से, माध्यम का एक मॉडल प्रस्तावित किया गया था, जिसमें माध्यम की पारगम्यता या अपवर्तक सूचकांक में आवधिक परिवर्तन जाली की आवधिक क्षमता के रूप में उपयोग किए गए थे। इस प्रकार, "फोटोनिक क्रिस्टल" में "फोटोनिक बैंड गैप" की अवधारणा पेश की गई थी।
फोटोनिक क्रिस्टलएक सुपरलैटिस है जिसमें एक क्षेत्र कृत्रिम रूप से बनाया गया है, और इसकी अवधि मुख्य जाली की अवधि से अधिक परिमाण का आदेश है। एक फोटोनिक क्रिस्टल एक अर्धपारदर्शी ढांकता हुआ है जिसमें एक निश्चित आवधिक संरचना और अद्वितीय ऑप्टिकल गुण होते हैं।
आवधिक संरचना सबसे छोटे छिद्रों से बनती है, जो समय-समय पर ढांकता हुआ स्थिरांक r बदलते हैं। इन छिद्रों का व्यास ऐसा है कि कड़ाई से परिभाषित लंबाई की प्रकाश तरंगें उनके माध्यम से गुजरती हैं। अन्य सभी तरंगें अवशोषित या परावर्तित होती हैं।
फोटोनिक बैंड बनते हैं जिनमें प्रकाश प्रसार का चरण वेग ई पर निर्भर करता है। एक क्रिस्टल में, प्रकाश सुसंगत रूप से फैलता है और निषिद्ध आवृत्तियाँ दिखाई देती हैं, जो प्रसार की दिशा पर निर्भर करती हैं। फोटोनिक क्रिस्टल के लिए ब्रैग विवर्तन ऑप्टिकल वेवलेंथ रेंज में होता है।
ऐसे क्रिस्टल को फोटोनिक बैंडगैप सामग्री (पीबीजी) कहा जाता है। क्वांटम इलेक्ट्रॉनिक्स के दृष्टिकोण से, उत्तेजित उत्सर्जन के लिए आइंस्टीन का नियम ऐसे सक्रिय मीडिया पर लागू नहीं होता है। इस कानून के अनुसार, प्रेरित उत्सर्जन और अवशोषण की दर बराबर होती है और उत्तेजना का योग होता है एन 2और उत्साहित नहीं
परमाणु जेवी ए, + है एन., = एन.फिर या 50%।
फोटोनिक क्रिस्टल में, 100% स्तर जनसंख्या उलटा संभव है। यह पंप की शक्ति को कम करना और क्रिस्टल के अनावश्यक ताप को कम करना संभव बनाता है।
यदि क्रिस्टल ध्वनि तरंगों से प्रभावित होता है, तो प्रकाश तरंग की लंबाई और क्रिस्टल की विशेषता प्रकाश तरंग की गति की दिशा बदल सकती है। फोटोनिक क्रिस्टल की एक विशिष्ट संपत्ति प्रतिबिंब गुणांक की आनुपातिकता है आरस्पेक्ट्रम के दीर्घ-तरंगदैर्घ्य वाले भाग में प्रकाश की आवृत्ति वर्ग सह 2 तक होती है, न कि रेले स्कैटरिंग के लिए आर~ 4 से। ऑप्टिकल स्पेक्ट्रम के शॉर्ट-वेव घटक को ज्यामितीय प्रकाशिकी के नियमों द्वारा वर्णित किया गया है।
फोटोनिक क्रिस्टल के औद्योगिक निर्माण में, त्रि-आयामी सुपरलैटिस बनाने के लिए एक तकनीक खोजना आवश्यक है। यह एक बहुत ही कठिन कार्य है, क्योंकि 3डी नैनोस्ट्रक्चर बनाने के लिए लिथोग्राफी विधियों का उपयोग करने वाली मानक प्रतिकृति तकनीकें अस्वीकार्य हैं।
नोबल ओपल (चित्र 2.23) ने शोधकर्ताओं का ध्यान आकर्षित किया। क्या यह एक खनिज Si() 2 है? पी 1.0 हाइड्रॉक्साइड उपवर्ग। प्राकृतिक ओपल में, ग्लोब्यूल्स के रिक्त स्थान सिलिका और आणविक जल से भरे होते हैं। नैनोइलेक्ट्रॉनिक के दृष्टिकोण से, ओपल सिलिका के क्लोज़-पैक्ड (मुख्य रूप से क्यूबिक लॉ के अनुसार) नैनोस्फेयर (ग्लोबुल्स) हैं। एक नियम के रूप में, नैनोस्फियर का व्यास 200-600 एनएम की सीमा में है। सिलिका ग्लोब्यूल्स की पैकिंग त्रि-आयामी जाली बनाती है। इस तरह के सुपरलैटिस में 140-400 एनएम आकार के संरचनात्मक रिक्त स्थान होते हैं, जो अर्धचालक, वैकल्पिक रूप से सक्रिय और चुंबकीय सामग्री से भरे जा सकते हैं। ओपल जैसी संरचना में, नैनोस्केल संरचना के साथ त्रि-आयामी जाली बनाना संभव है। ऑप्टिकल ओपल मैट्रिक्स संरचना 3E फोटोनिक क्रिस्टल के रूप में काम कर सकती है।
ऑक्सीकृत मैक्रोपोरस सिलिकॉन की तकनीक विकसित की गई है। इस तकनीकी प्रक्रिया के आधार पर, सिलिकॉन डाइऑक्साइड पिन के रूप में त्रि-आयामी संरचनाएं बनाई गईं (चित्र 2.24)।
इन संरचनाओं में फोटोनिक बैंड गैप पाए गए। बैंड गैप मापदंडों को लिथोग्राफिक प्रक्रियाओं के चरण में या अन्य सामग्रियों के साथ पिन संरचना को भरकर बदला जा सकता है।
फोटोनिक क्रिस्टल के आधार पर लेज़रों के विभिन्न डिज़ाइन विकसित किए गए हैं। फोटोनिक क्रिस्टल पर आधारित ऑप्टिकल तत्वों का एक अन्य वर्ग है फोटोनिक क्रिस्टल फाइबर(एफकेवी)। उनके पास है
चावल। 2.23।सिंथेटिक ओपल की संरचना (एक)और प्राकृतिक ओपल (बी)"
" स्रोत: गुडिलिन ई। ए।[और आदि।]। नैनोवर्ल्ड का धन। पदार्थ की गहराई से फोटो निबंध; ईडी। यू डी त्रेताकोवा। एम .: बिनोम। नॉलेज लैब, 2010।
चावल। 2.24।
किसी दिए गए वेवलेंथ रेंज में बैंड गैप। पारंपरिक ऑप्टिकल फाइबर के विपरीत, फोटोनिक बैंडगैप फाइबर में शून्य फैलाव तरंग दैर्ध्य को स्पेक्ट्रम के दृश्य क्षेत्र में स्थानांतरित करने की क्षमता होती है। इस मामले में, दृश्यमान प्रकाश प्रसार के सोलिटॉन शासनों के लिए शर्तें प्रदान की जाती हैं।
वायु नलिकाओं के आकार को बदलकर और, तदनुसार, कोर के आकार में, प्रकाश विकिरण की शक्ति की एकाग्रता को बढ़ाना संभव है, तंतुओं के गैर-रैखिक गुण। फाइबर और क्लैडिंग ज्यामिति को अलग करके, वांछित तरंग दैर्ध्य रेंज में मजबूत गैर-रैखिकता और कम फैलाव का एक इष्टतम संयोजन प्राप्त किया जा सकता है।
अंजीर पर। 2.25 एफसीएफ को प्रस्तुत किए जाते हैं। वे दो प्रकार में विभाजित हैं। पहले प्रकार को निरंतर प्रकाश-मार्गदर्शक कोर के साथ एफकेवी कहा जाता है। संरचनात्मक रूप से, इस तरह के फाइबर को फोटोनिक क्रिस्टल के खोल में क्वार्ट्ज ग्लास के कोर के रूप में बनाया जाता है। ऐसे तंतुओं के तरंग गुण पूर्ण आंतरिक परावर्तन के प्रभाव और फोटोनिक क्रिस्टल के बैंड गुणों द्वारा प्रदान किए जाते हैं। इसलिए, निम्न-क्रम मोड ऐसे तंतुओं में विस्तृत वर्णक्रमीय श्रेणी में फैलते हैं। हाई-ऑर्डर मोड को खोल में स्थानांतरित कर दिया जाता है और वहां क्षय हो जाता है। इस मामले में, शून्य-क्रम मोड के लिए क्रिस्टल के वेवगाइडिंग गुण कुल आंतरिक प्रतिबिंब के प्रभाव से निर्धारित होते हैं। एक फोटोनिक क्रिस्टल की बैंड संरचना अप्रत्यक्ष रूप से ही प्रकट होती है।
दूसरे प्रकार के FKV में एक खोखला प्रकाश-मार्गदर्शक कोर होता है। प्रकाश फाइबर के कोर और क्लैडिंग दोनों के माध्यम से फैल सकता है। के मूल में
चावल। 2.25।
एक -एक निरंतर प्रकाश-मार्गदर्शक कोर वाला खंड;
6 - खोखले प्रकाश-मार्गदर्शक आवासीय स्ट्रैंड के साथ खंड, अपवर्तक सूचकांक शेल के औसत अपवर्तक सूचकांक से कम है। इससे परिवहन किए गए विकिरण की शक्ति में काफी वृद्धि करना संभव हो जाता है। वर्तमान में, ऐसे फाइबर बनाए गए हैं जिनका तरंग दैर्ध्य पर 0.58 dB / किमी का नुकसान होता है एक्स = 1.55 µm, जो मानक सिंगल-मोड फाइबर (0.2 dB/किमी) में नुकसान के करीब है।
फोटोनिक क्रिस्टल फाइबर के अन्य फायदों में, हम निम्नलिखित पर ध्यान देते हैं:
- सभी गणना तरंग दैर्ध्य के लिए सिंगल-मोड मोड;
- मुख्य फैशन स्थान परिवर्तन की विस्तृत श्रृंखला;
- दृश्य स्पेक्ट्रम में तरंग दैर्ध्य के लिए 1.3-1.5 माइक्रोन और शून्य फैलाव के तरंग दैर्ध्य के लिए फैलाव गुणांक का निरंतर और उच्च मूल्य;
- नियंत्रित ध्रुवीकरण मूल्य, समूह वेग फैलाव, संचरण स्पेक्ट्रम।
ऑप्टिक्स, लेजर भौतिकी और विशेष रूप से दूरसंचार प्रणालियों में समस्याओं को हल करने के लिए एक फोटोनिक क्रिस्टल क्लैडिंग वाले फाइबर का व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है। हाल ही में, फोटोनिक क्रिस्टल में उत्पन्न होने वाले विभिन्न अनुनादों से रुचि आकर्षित हुई है। इलेक्ट्रॉन और फोटॉन अनुनादों के संपर्क के दौरान फोटोनिक क्रिस्टल में पोलारिटोन प्रभाव होता है। ऑप्टिकल तरंग दैर्ध्य की तुलना में बहुत छोटी अवधि के साथ धातु-ढांकता हुआ नैनोसंरचना बनाते समय, ऐसी स्थिति का एहसास करना संभव होता है जिसमें स्थिति आर
फोटोनिक्स के विकास का एक बहुत ही महत्वपूर्ण उत्पाद दूरसंचार फाइबर-ऑप्टिक सिस्टम हैं। उनका कामकाज एक सूचना संकेत के इलेक्ट्रो-ऑप्टिकल रूपांतरण, फाइबर ऑप्टिक लाइट गाइड के लिए एक संग्राहक ऑप्टिकल सिग्नल के संचरण और उलटा ऑप्टो-इलेक्ट्रॉनिक रूपांतरण की प्रक्रियाओं पर आधारित है।
पिछले दशक में, माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक का विकास धीमा हो गया है, क्योंकि मानक अर्धचालक उपकरणों की गति की सीमा व्यावहारिक रूप से पहले ही पहुंच चुकी है। अध्ययन की बढ़ती संख्या सेमीकंडक्टर इलेक्ट्रॉनिक्स के वैकल्पिक क्षेत्रों के विकास के लिए समर्पित है - ये स्पिंट्रोनिक्स, सुपरकंडक्टिंग तत्वों के साथ माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक, फोटोनिक्स और कुछ अन्य हैं।
विद्युत संकेत के बजाय प्रकाश संकेत का उपयोग करके सूचना के प्रसारण और प्रसंस्करण का नया सिद्धांत सूचना युग में एक नए चरण की शुरुआत को तेज कर सकता है।
साधारण क्रिस्टल से लेकर फोटोनिक तक
भविष्य के इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों का आधार फोटोनिक क्रिस्टल हो सकते हैं - ये सिंथेटिक ऑर्डर की गई सामग्री हैं जिनमें संरचना के अंदर समय-समय पर ढांकता हुआ परिवर्तन होता है। एक पारंपरिक अर्धचालक के क्रिस्टल जाली में, नियमितता, परमाणुओं की व्यवस्था की आवधिकता तथाकथित बैंड ऊर्जा संरचना के गठन की ओर ले जाती है - अनुमत और निषिद्ध क्षेत्रों के साथ। एक इलेक्ट्रॉन जिसकी ऊर्जा स्वीकृत बैंड में गिरती है, क्रिस्टल के माध्यम से आगे बढ़ सकता है, जबकि बैंड गैप में ऊर्जा वाला एक इलेक्ट्रॉन "लॉक" होता है।
एक साधारण क्रिस्टल के अनुरूप, एक फोटोनिक क्रिस्टल का विचार उत्पन्न हुआ। इसमें, परमिटिटिविटी की आवधिकता फोटोनिक जोन की उपस्थिति का कारण बनती है, विशेष रूप से निषिद्ध क्षेत्र, जिसके भीतर एक निश्चित तरंग दैर्ध्य के साथ प्रकाश का प्रसार दबा दिया जाता है। अर्थात्, विद्युत चुम्बकीय विकिरण के व्यापक स्पेक्ट्रम के लिए पारदर्शी होने के कारण, फोटोनिक क्रिस्टल एक चयनित तरंग दैर्ध्य (ऑप्टिकल पथ की लंबाई के साथ संरचना की अवधि के दोगुने के बराबर) के साथ प्रकाश संचारित नहीं करते हैं।
फोटोनिक क्रिस्टल के विभिन्न आयाम हो सकते हैं। एक-आयामी (1D) क्रिस्टल विभिन्न अपवर्तक सूचकांकों के साथ वैकल्पिक परतों की एक बहुपरत संरचना है। द्वि-आयामी फोटोनिक क्रिस्टल (2D) को विभिन्न परमिट के साथ छड़ की आवधिक संरचना के रूप में दर्शाया जा सकता है। फोटोनिक क्रिस्टल के पहले सिंथेटिक प्रोटोटाइप त्रि-आयामी थे और 1990 के दशक की शुरुआत में अनुसंधान केंद्र के कर्मचारियों द्वारा बनाए गए थे। बेल लैब्स(अमेरीका)। एक ढांकता हुआ सामग्री में एक आवधिक जाली प्राप्त करने के लिए, अमेरिकी वैज्ञानिकों ने बेलनाकार छेदों को इस तरह से ड्रिल किया जैसे कि तीन आयामी नेटवर्क को प्राप्त किया जा सके। सामग्री को फोटोनिक क्रिस्टल बनने के लिए, इसकी पारगम्यता को तीनों आयामों में 1 सेंटीमीटर की अवधि के साथ संशोधित किया गया था।
फोटोनिक क्रिस्टल के प्राकृतिक अनुरूप गोले (1डी) के मदर-ऑफ-पर्ल कोटिंग्स, एक समुद्री माउस के एंटीना, पोलीचेट वर्म (2डी), एक अफ्रीकी सेलबोट तितली के पंख और ओपल (3डी) जैसे अर्ध-कीमती पत्थर हैं।
लेकिन आज भी, इलेक्ट्रॉन लिथोग्राफी और अनिसोट्रोपिक आयन नक़्क़ाशी के सबसे आधुनिक और महंगे तरीकों की मदद से, 10 से अधिक संरचनात्मक कोशिकाओं की मोटाई के साथ दोष मुक्त त्रि-आयामी फोटोनिक क्रिस्टल का उत्पादन करना मुश्किल है।
फोटोनिक क्रिस्टल को फोटोनिक एकीकृत प्रौद्योगिकियों में व्यापक अनुप्रयोग मिलना चाहिए, जो भविष्य में कंप्यूटरों में विद्युत एकीकृत सर्किट को बदल देगा। जब इलेक्ट्रॉनों के बजाय फोटॉनों का उपयोग करके सूचना प्रसारित की जाती है, तो बिजली की खपत में तेजी से कमी आएगी, घड़ी की आवृत्ति और सूचना हस्तांतरण दर में वृद्धि होगी।
टाइटेनियम ऑक्साइड फोटोनिक क्रिस्टल
टाइटेनियम ऑक्साइड टीआईओ 2 में उच्च अपवर्तक सूचकांक, रासायनिक स्थिरता और कम विषाक्तता जैसी अनूठी विशेषताओं का एक सेट है, जो इसे एक आयामी फोटोनिक क्रिस्टल बनाने के लिए सबसे आशाजनक सामग्री बनाता है। अगर हम सौर कोशिकाओं के लिए फोटोनिक क्रिस्टल पर विचार करते हैं, तो इसके अर्धचालक गुणों के कारण टाइटेनियम ऑक्साइड यहां जीतता है। टाइटेनियम ऑक्साइड फोटोनिक क्रिस्टल सहित एक आवधिक फोटोनिक क्रिस्टल संरचना के साथ अर्धचालक परत का उपयोग करके सौर कोशिकाओं की दक्षता में वृद्धि पहले प्रदर्शित की गई है।
लेकिन अब तक, टाइटेनियम डाइऑक्साइड पर आधारित फोटोनिक क्रिस्टल का उपयोग उनके निर्माण के लिए पुनरुत्पादित और सस्ती तकनीक की कमी से सीमित है।
मॉस्को स्टेट यूनिवर्सिटी के रसायन विज्ञान संकाय और सामग्री विज्ञान संकाय के सदस्य नीना सापोलेटोवा, सर्गेई कुशनिर और किरिल नेपोलस्की ने झरझरा टाइटेनियम ऑक्साइड फिल्मों के आधार पर एक आयामी फोटोनिक क्रिस्टल के संश्लेषण में सुधार किया है।
"एल्युमीनियम और टाइटेनियम सहित वाल्व धातुओं का एनोडाइजिंग (इलेक्ट्रोकेमिकल ऑक्सीकरण), नैनोमीटर आकार के चैनलों के साथ झरझरा ऑक्साइड फिल्म प्राप्त करने के लिए एक प्रभावी तरीका है," रासायनिक विज्ञान के उम्मीदवार इलेक्ट्रोकेमिकल नैनोस्ट्रक्चरिंग ग्रुप के प्रमुख किरिल नेपोलस्की ने समझाया।
Anodizing आमतौर पर दो-इलेक्ट्रोड इलेक्ट्रोकेमिकल सेल में किया जाता है। दो धातु प्लेटें, एक कैथोड और एक एनोड, इलेक्ट्रोलाइट समाधान में कम हो जाती हैं, और एक विद्युत वोल्टेज लगाया जाता है। कैथोड पर हाइड्रोजन छोड़ा जाता है, और धातु का विद्युत रासायनिक ऑक्सीकरण एनोड पर होता है। यदि सेल पर लगाए गए वोल्टेज को समय-समय पर बदल दिया जाता है, तो एनोड पर मोटाई में निर्दिष्ट सरंध्रता वाली झरझरा फिल्म बन जाती है।
प्रभावी अपवर्तक सूचकांक संशोधित किया जाएगा यदि छिद्र व्यास समय-समय पर संरचना के भीतर बदलता है। पहले विकसित टाइटेनियम एनोडाइजिंग तकनीकों ने उच्च स्तर की संरचना आवधिकता वाली सामग्री प्राप्त करने की अनुमति नहीं दी थी। मॉस्को स्टेट यूनिवर्सिटी के केमिस्ट्स ने एनोडाइजिंग चार्ज के आधार पर वोल्टेज मॉड्यूलेशन के साथ मेटल एनोडाइजिंग की एक नई विधि विकसित की है, जो उच्च सटीकता के साथ झरझरा एनोडिक मेटल ऑक्साइड बनाने की अनुमति देता है। एक उदाहरण के रूप में एनोडिक टाइटेनियम ऑक्साइड से एक आयामी फोटोनिक क्रिस्टल का उपयोग करके रसायनज्ञों द्वारा नई तकनीक की संभावनाओं का प्रदर्शन किया गया।
40-60 वोल्ट की सीमा में एक साइनसोइडल कानून के अनुसार एनोडाइजिंग वोल्टेज को बदलने के परिणामस्वरूप, वैज्ञानिकों ने एक निरंतर बाहरी व्यास और समय-समय पर बदलते आंतरिक व्यास (आंकड़ा देखें) के साथ एनोडिक टाइटेनियम ऑक्साइड के नैनोट्यूब प्राप्त किए।
“पहले इस्तेमाल की जाने वाली एनोडाइजिंग विधियों ने उच्च स्तर की संरचना आवधिकता वाली सामग्री प्राप्त करने की अनुमति नहीं दी। हमने एक नई पद्धति विकसित की है, जिसका प्रमुख घटक है बगल में(तुरंत संश्लेषण के दौरान) एनोडाइजिंग चार्ज का माप, जो उच्च सटीकता के साथ गठित ऑक्साइड फिल्म में विभिन्न छिद्रों के साथ परतों की मोटाई को नियंत्रित करना संभव बनाता है, ”काम के लेखकों में से एक, रासायनिक विज्ञान सर्गेई कुशनिर के उम्मीदवार ने समझाया।
विकसित तकनीक एनोडिक धातु ऑक्साइड के आधार पर संशोधित संरचना के साथ नई सामग्रियों के निर्माण को सरल बनाएगी। "अगर हम सौर कोशिकाओं में एनोडिक टाइटेनियम ऑक्साइड से फोटोनिक क्रिस्टल के उपयोग को तकनीक के व्यावहारिक अनुप्रयोग के रूप में मानते हैं, तो सौर कोशिकाओं में प्रकाश रूपांतरण की दक्षता पर ऐसे फोटोनिक क्रिस्टल के संरचनात्मक मापदंडों के प्रभाव का एक व्यवस्थित अध्ययन बना रहता है। किया जाएगा," सर्गेई कुशनिर ने निर्दिष्ट किया।
फोटोनिक क्रिस्टल के असामान्य गुण बड़ी संख्या में कार्यों और हाल ही में मोनोग्राफ का विषय रहे हैं। स्मरण करो कि फोटोनिक क्रिस्टल ऐसे कृत्रिम मीडिया हैं जिनमें, ढांकता हुआ मापदंडों (अर्थात् अपवर्तक सूचकांक) में आवधिक परिवर्तन के कारण, विद्युत चुम्बकीय तरंगों (प्रकाश) के प्रसार के गुण वास्तविक क्रिस्टल में इलेक्ट्रॉनों के प्रसार के गुणों के समान हो जाते हैं। तदनुसार, "फोटोनिक क्रिस्टल" शब्द फोटॉनों और इलेक्ट्रॉनों की समानता पर जोर देता है। फोटॉनों के गुणों का परिमाणीकरण इस तथ्य की ओर जाता है कि एक फोटोनिक क्रिस्टल में फैलने वाली विद्युत चुम्बकीय तरंग के स्पेक्ट्रम में, निषिद्ध बैंड दिखाई दे सकते हैं, जिसमें फोटॉन राज्यों का घनत्व शून्य के बराबर होता है।
माइक्रोवेव रेंज में विद्युत चुम्बकीय तरंगों के लिए एक पूर्ण बैंडगैप वाला एक त्रि-आयामी फोटोनिक क्रिस्टल पहली बार महसूस किया गया था। एक निरपेक्ष बैंड गैप के अस्तित्व का अर्थ है कि एक निश्चित आवृत्ति बैंड में विद्युत चुम्बकीय तरंगें किसी दिए गए क्रिस्टल में किसी भी दिशा में नहीं फैल सकती हैं, क्योंकि फोटॉनों की स्थिति का घनत्व जिसकी ऊर्जा इस आवृत्ति बैंड से मेल खाती है, क्रिस्टल में किसी भी बिंदु पर शून्य के बराबर है। . असली क्रिस्टल की तरह, बैंड गैप की उपस्थिति और गुणों के संदर्भ में फोटोनिक क्रिस्टल कंडक्टर, सेमीकंडक्टर्स, इंसुलेटर और सुपरकंडक्टर्स हो सकते हैं। यदि फोटोनिक क्रिस्टल के बैंड गैप में "दोष" हैं, तो "दोष" द्वारा फोटॉन का "कैप्चर" संभव है, बैंड गैप में स्थित संबंधित अशुद्धता द्वारा एक इलेक्ट्रॉन या छेद को कैसे कैप्चर किया जाता है। एक अर्धचालक का।
बैंड गैप के अंदर स्थित ऊर्जा वाली ऐसी प्रसार तरंगों को दोष मोड कहा जाता है।
फोटोनिक क्रिस्टल मेटामेट्री अपवर्तन
जैसा कि पहले ही उल्लेख किया गया है, एक फोटोनिक क्रिस्टल के असामान्य गुण तब देखे जाते हैं जब क्रिस्टल की इकाई कोशिका के आयाम उसमें फैलने वाली तरंग की लंबाई के क्रम के होते हैं। यह स्पष्ट है कि प्रकाश की दृश्यमान सीमा में आदर्श फोटोनिक क्रिस्टल केवल सबमाइक्रोन प्रौद्योगिकियों का उपयोग करके ही उत्पादित किए जा सकते हैं। आधुनिक विज्ञान और प्रौद्योगिकी का स्तर इस तरह के त्रि-आयामी क्रिस्टल बनाना संभव बनाता है।
फोटोनिक क्रिस्टल के अनुप्रयोग काफी असंख्य हैं - ऑप्टिकल आइसोलेटर्स, ऑप्टिकल आइसोलेटर्स, स्विचेस, मल्टीप्लेक्सर्स इत्यादि। व्यावहारिक दृष्टिकोण से, अत्यंत महत्वपूर्ण संरचनाओं में से एक फोटोनिक-क्रिस्टल ऑप्टिकल फाइबर है। वे पहले कांच केशिकाओं के एक सेट से बने थे जो एक घने पैक में इकट्ठे हुए थे, जो तब पारंपरिक ड्राइंग के अधीन थे। नतीजा एक ऑप्टिकल फाइबर था जिसमें लगभग 1 माइक्रोन के विशिष्ट आकार के साथ नियमित रूप से दूरी वाले छेद होते थे। इसके बाद, विभिन्न विन्यासों और विभिन्न गुणों वाले ऑप्टिकल फोटोनिक-क्रिस्टल फाइबर प्राप्त किए गए (चित्र 9)।
फोटोनिक-क्रिस्टल लाइट गाइड बनाने के लिए रेडियो इंजीनियरिंग और इलेक्ट्रॉनिक्स संस्थान और रूसी विज्ञान अकादमी के फाइबर ऑप्टिक्स के अनुसंधान केंद्र में एक नई ड्रिलिंग विधि विकसित की गई है। सबसे पहले, किसी भी मैट्रिक्स के साथ यांत्रिक छेद एक मोटी क्वार्ट्ज वर्कपीस में ड्रिल किए गए थे, और फिर वर्कपीस को खींचा गया था। नतीजतन, एक उच्च गुणवत्ता वाले फोटोनिक क्रिस्टल फाइबर प्राप्त किया गया था। ऐसे तंतुओं में, विभिन्न आकृतियों और आकारों के दोष पैदा करना आसान होता है, ताकि उनमें प्रकाश के कई तरीके एक साथ उत्तेजित हो सकें, जिनकी आवृत्तियाँ एक फोटोनिक क्रिस्टल के बैंड गैप में होती हैं। दोष, विशेष रूप से, एक खोखले चैनल का रूप ले सकते हैं, जिससे प्रकाश क्वार्ट्ज में नहीं, बल्कि हवा के माध्यम से फैलेगा, जो फोटोनिक क्रिस्टल फाइबर के लंबे खंडों में नुकसान को काफी कम कर सकता है। फोटोनिक क्रिस्टल फाइबर में दृश्य और अवरक्त विकिरण का प्रसार विभिन्न प्रकार की भौतिक घटनाओं के साथ होता है: रमन स्कैटरिंग, हार्मोनिक मिक्सिंग, हार्मोनिक पीढ़ी, जो अंततः सुपरकॉन्टिनम पीढ़ी की ओर ले जाती है।
भौतिक प्रभावों और संभावित अनुप्रयोगों के अध्ययन के दृष्टिकोण से कोई कम दिलचस्प नहीं, एक- और द्वि-आयामी फोटोनिक क्रिस्टल हैं। कड़ाई से बोलते हुए, ये संरचनाएं फोटोनिक क्रिस्टल नहीं हैं, लेकिन उन्हें ऐसा माना जा सकता है जब विद्युत चुम्बकीय तरंगें कुछ दिशाओं में फैलती हैं। एक विशिष्ट एक-आयामी फोटोनिक क्रिस्टल एक बहुपरत आवधिक संरचना है, जिसमें कम से कम दो पदार्थों की परतें होती हैं जिनमें बहुत भिन्न अपवर्तक सूचकांक होते हैं। यदि एक विद्युत चुम्बकीय तरंग सामान्य के साथ फैलती है, तो कुछ आवृत्तियों के लिए ऐसी संरचना में एक वर्जित बैंड दिखाई देता है। यदि संरचना की परतों में से एक को एक अलग अपवर्तक सूचकांक वाले पदार्थ द्वारा प्रतिस्थापित किया जाता है या एक परत की मोटाई बदल दी जाती है, तो ऐसी परत एक दोष होगी जो एक तरंग को पकड़ने में सक्षम होती है जिसकी आवृत्ति बैंड गैप में होती है।
एक ढांकता हुआ गैर-चुंबकीय संरचना में एक चुंबकीय दोष परत की उपस्थिति इस तरह की संरचना में प्रसार के दौरान लहर के फैराडे रोटेशन में और माध्यम की ऑप्टिकल पारदर्शिता में वृद्धि की ओर ले जाती है।
सामान्यतया, फोटोनिक क्रिस्टल में चुंबकीय परतों की उपस्थिति मुख्य रूप से माइक्रोवेव रेंज में उनके गुणों को महत्वपूर्ण रूप से बदल सकती है। तथ्य यह है कि माइक्रोवेव रेंज में, एक निश्चित आवृत्ति बैंड में फेरोमैग्नेट्स की चुंबकीय पारगम्यता नकारात्मक होती है, जो मेटामटेरियल्स के निर्माण में उनके उपयोग की सुविधा प्रदान करती है। ऐसे पदार्थों को धात्विक गैर-चुंबकीय परतों या व्यक्तिगत कंडक्टरों या कंडक्टरों की आवधिक संरचनाओं से युक्त संरचनाओं के साथ जोड़कर, चुंबकीय और ढांकता हुआ पारगम्यता के नकारात्मक मूल्यों के साथ संरचनाओं का उत्पादन करना संभव है। एक उदाहरण रूसी एकेडमी ऑफ साइंसेज के रेडियो इंजीनियरिंग और इलेक्ट्रॉनिक्स संस्थान में बनाई गई संरचनाएं हैं, जिन्हें "नकारात्मक" प्रतिबिंब और मैग्नेटोस्टैटिक स्पिन तरंगों के अपवर्तन का पता लगाने के लिए डिज़ाइन किया गया है। इस तरह की संरचना इसकी सतह पर धातु के कंडक्टर के साथ yttrium लोहे के गार्नेट की एक फिल्म है। पतली फेरोमैग्नेटिक फिल्मों में फैलने वाली मैग्नेटोस्टैटिक स्पिन तरंगों के गुण बाहरी चुंबकीय क्षेत्र पर दृढ़ता से निर्भर करते हैं। सामान्य स्थिति में, ऐसी तरंगों में से एक प्रकार एक पिछड़ी लहर है, इसलिए इस प्रकार की लहर के लिए वेव वेक्टर और पॉयंटिंग वेक्टर का स्केलर उत्पाद ऋणात्मक होता है।
फोटोनिक क्रिस्टल में पश्च तरंगों का अस्तित्व भी क्रिस्टल के गुणों की आवधिकता के कारण होता है। विशेष रूप से, उन तरंगों के लिए जिनकी तरंग वैक्टर पहले ब्रिलॉइन ज़ोन में होती हैं, प्रसार की स्थिति सीधी तरंगों के लिए और दूसरी ब्रिलॉइन ज़ोन में समान तरंगों के लिए, पिछड़े लोगों के लिए संतुष्ट हो सकती है। मेटामटेरियल्स की तरह, फोटोनिक क्रिस्टल तरंगों को प्रसारित करने में असामान्य गुण प्रदर्शित कर सकते हैं, जैसे "नकारात्मक" अपवर्तन।
हालांकि, फोटोनिक क्रिस्टल मेटामेट्री हो सकते हैं जिसके लिए न केवल माइक्रोवेव रेंज में, बल्कि ऑप्टिकल फ्रीक्वेंसी रेंज में भी "नकारात्मक" अपवर्तन की घटना संभव है। प्रयोग ब्रिलॉइन ज़ोन के केंद्र के पास पहले निषिद्ध क्षेत्र की आवृत्ति से अधिक आवृत्तियों वाली तरंगों के लिए फोटोनिक क्रिस्टल में "नकारात्मक" अपवर्तन के अस्तित्व की पुष्टि करते हैं। यह नकारात्मक समूह वेग के प्रभाव के कारण है और, परिणामस्वरूप, लहर के लिए नकारात्मक अपवर्तक सूचकांक। दरअसल, इस फ्रीक्वेंसी रेंज में तरंगें पीछे की ओर हो जाती हैं।
