फोटोनिक क्रिस्टल। साधारण क्रिस्टल से फोटोनिक क्रिस्टल तक फोटोनिक क्रिस्टल की इलेक्ट्रोकैमिस्ट्री

फोटोनिक क्रिस्टल के निर्माण के तरीकों का वर्गीकरण।प्रकृति में फोटोनिक क्रिस्टल दुर्लभ हैं। वे प्रकाश के एक विशेष इंद्रधनुषी खेल द्वारा प्रतिष्ठित हैं - एक ऑप्टिकल घटना जिसे इराइजेशन कहा जाता है (ग्रीक से अनुवादित - इंद्रधनुष)। इन खनिजों में विभिन्न समावेशन के साथ केल्साइट, लैब्राडोराइट और ओपल SiO2 ×n∙H2O शामिल हैं। उनमें से सबसे प्रसिद्ध ओपल है - एक अर्ध-कीमती खनिज, जो एक कोलाइडल क्रिस्टल है जिसमें मोनोडिस्पर्स गोलाकार सिलिकॉन ऑक्साइड ग्लोब्यूल्स होते हैं। उत्तरार्द्ध में प्रकाश के खेल से ओपलेसेंस शब्द आता है, जो केवल इस क्रिस्टल के लिए एक विशेष प्रकार के विकिरण बिखरने की विशेषता को दर्शाता है।

फोटोनिक क्रिस्टल के निर्माण की मुख्य विधियों में वे विधियाँ शामिल हैं जिन्हें तीन समूहों में विभाजित किया जा सकता है:

1. फोटोनिक क्रिस्टल के सहज निर्माण का उपयोग करने वाली विधियाँ। विधियों का यह समूह कोलाइडल कणों जैसे कि मोनोडिस्पर्स सिलिकॉन या पॉलीस्टाइनिन कणों के साथ-साथ अन्य सामग्रियों का उपयोग करता है। ऐसे कण, वाष्पीकरण के दौरान तरल वाष्प में होने के कारण, एक निश्चित मात्रा में जमा हो जाते हैं। चूंकि कण एक दूसरे के ऊपर बसते हैं, वे एक त्रि-आयामी फोटोनिक क्रिस्टल बनाते हैं, और मुख्य रूप से चेहरे-केंद्रित या हेक्सागोनल क्रिस्टल जाली में क्रमबद्ध होते हैं। एक मधुकोश विधि भी संभव है, जो उस तरल को छानने पर आधारित है जिसमें कण छोटे बीजाणुओं के माध्यम से स्थित होते हैं। यद्यपि छत्ते की विधि अपेक्षाकृत उच्च दर पर एक क्रिस्टल बनाना संभव बनाती है, जो कि छिद्रों के माध्यम से तरल प्रवाह की दर से निर्धारित होता है, हालांकि, सूखने पर ऐसे क्रिस्टल में दोष बनते हैं। ऐसी अन्य विधियाँ हैं जो फोटोनिक क्रिस्टल के सहज निर्माण का उपयोग करती हैं, लेकिन प्रत्येक विधि के अपने फायदे और नुकसान हैं। अक्सर, इन विधियों का उपयोग गोलाकार कोलाइडियल सिलिकॉन कणों को जमा करने के लिए किया जाता है, हालांकि, परिणामी अपवर्तक सूचकांक विपरीत अपेक्षाकृत छोटा होता है।

2. वस्तु नक़्क़ाशी का उपयोग करने के तरीके। विधियों का यह समूह सेमीकंडक्टर सतह पर बने एक फोटोरेसिस्ट मास्क का उपयोग करता है, जो नक़्क़ाशी क्षेत्र की ज्यामिति को परिभाषित करता है। इस तरह के एक मुखौटा का उपयोग करके, एक अर्धचालक की सतह को नक़्क़ाशी करके सबसे सरल फोटोनिक क्रिस्टल का निर्माण किया जाता है जो एक फोटोरेसिस्ट के साथ कवर नहीं होता है। इस पद्धति का नुकसान दसियों और सैकड़ों नैनोमीटर के स्तर पर उच्च रिज़ॉल्यूशन वाली फोटोलिथोग्राफी का उपयोग करने की आवश्यकता है। इसके अलावा, केंद्रित आयनों के बीम, जैसे गा, का उपयोग नक़्क़ाशी द्वारा फोटोनिक क्रिस्टल बनाने के लिए किया जाता है। इस तरह के आयन बीम फोटोलिथोग्राफी और अतिरिक्त नक़्क़ाशी के उपयोग के बिना सामग्री का हिस्सा निकालना संभव बनाते हैं। नक़्क़ाशी की दर बढ़ाने और इसकी गुणवत्ता में सुधार करने के साथ-साथ नक़्क़ाशीदार क्षेत्रों के अंदर सामग्री जमा करने के लिए, आवश्यक गैसों के साथ अतिरिक्त उपचार का उपयोग किया जाता है।

3. होलोग्राफिक तरीके। ऐसी विधियाँ होलोग्राफी के सिद्धांतों के अनुप्रयोग पर आधारित हैं। होलोग्राफी की मदद से, स्थानिक दिशाओं में अपवर्तक सूचकांक में आवधिक परिवर्तन बनते हैं। ऐसा करने के लिए, दो या अधिक सुसंगत तरंगों के हस्तक्षेप का उपयोग करें, जो विद्युत चुम्बकीय विकिरण की तीव्रता का आवधिक वितरण बनाता है। एक आयामी फोटोनिक क्रिस्टल दो तरंगों के हस्तक्षेप से बनते हैं। द्वि-आयामी और त्रि-आयामी फोटोनिक क्रिस्टल तीन या अधिक तरंगों के हस्तक्षेप से बनते हैं।

फोटोनिक क्रिस्टल के निर्माण के लिए एक विशिष्ट विधि का चुनाव काफी हद तक इस बात से निर्धारित होता है कि संरचना को किस आयाम में निर्मित करने की आवश्यकता है - एक-आयामी, द्वि-आयामी, या त्रि-आयामी।

एक आयामी आवधिक संरचनाएं।एक आयामी आवधिक संरचना प्राप्त करने का सबसे सरल और सबसे आम तरीका ढांकता हुआ या अर्धचालक सामग्री से पॉलीक्रिस्टलाइन फिल्मों का निर्वात परत-दर-परत जमाव है। लेजर दर्पण और हस्तक्षेप फिल्टर के उत्पादन में आवधिक संरचनाओं के उपयोग के संबंध में यह विधि व्यापक हो गई है। ऐसी संरचनाओं में, अपवर्तक सूचकांकों वाली सामग्री का उपयोग करते समय जो लगभग 2 गुना भिन्न होता है (उदाहरण के लिए, ZnSe और Na 3 AlF 6), लगभग 300 एनएम चौड़ा वर्णक्रमीय प्रतिबिंब बैंड (फोटोनिक बैंड गैप) बनाना संभव है, जो लगभग कवर करता है। स्पेक्ट्रम का संपूर्ण दृश्य क्षेत्र।

हाल के दशकों में सेमीकंडक्टर हेटरोस्ट्रक्चर के संश्लेषण में अग्रिम आणविक बीम एपिटॉक्सी या वाष्प जमाव का उपयोग करके ऑर्गेनोमेटिक यौगिकों का उपयोग करके विकास की दिशा में अपवर्तक सूचकांक में आवधिक परिवर्तन के साथ पूरी तरह से एकल-क्रिस्टल संरचनाएं बनाना संभव बनाता है। वर्तमान में, ऐसी संरचनाएं ऊर्ध्वाधर गुहाओं के साथ अर्धचालक लेज़रों का हिस्सा हैं। सामग्री के अपवर्तक सूचकांकों का अधिकतम प्राप्त करने योग्य अनुपात, जाहिरा तौर पर, GaAs / Al 2 O 3 जोड़ी से मेल खाता है और लगभग 2 है। ऐसे दर्पणों की क्रिस्टल संरचना की उच्च पूर्णता और गठन की सटीकता पर ध्यान दिया जाना चाहिए। एक झंझरी अवधि (लगभग 0.5 एनएम) के स्तर पर परत की मोटाई।

हाल ही में, एक फोटोलिथोग्राफ़िक मास्क और चयनात्मक नक़्क़ाशी का उपयोग करके आवधिक एक-आयामी अर्धचालक संरचनाएं बनाने की संभावना का प्रदर्शन किया गया है। सिलिकॉन नक़्क़ाशी करते समय, 1 माइक्रोन या उससे अधिक के क्रम की अवधि के साथ संरचनाएं बनाना संभव है, जबकि निकट अवरक्त क्षेत्र में सिलिकॉन और वायु के अपवर्तक सूचकांकों का अनुपात 3.4 है, अन्य संश्लेषण विधियों द्वारा अप्राप्य एक अभूतपूर्व उच्च मूल्य . भौतिक-तकनीकी संस्थान में प्राप्त समान संरचना का एक उदाहरण। A. F. Ioffe RAS (सेंट पीटर्सबर्ग), अंजीर में दिखाया गया है। 3.96।

चावल। 3.96। एक फोटोलिथोग्राफिक मास्क (संरचना अवधि 8 माइक्रोन) का उपयोग करके अनिसोट्रोपिक नक़्क़ाशी द्वारा प्राप्त सिलिकॉन-वायु आवधिक संरचना

द्वि-आयामी आवधिक संरचनाएं।अर्धचालकों, धातुओं और डाइलेक्ट्रिक्स के चयनात्मक नक़्क़ाशी का उपयोग करके द्वि-आयामी आवधिक संरचनाओं का निर्माण किया जा सकता है। माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक में इन सामग्रियों के व्यापक उपयोग के कारण सिलिकॉन और एल्यूमीनियम के लिए चयनात्मक नक़्क़ाशी की तकनीक विकसित की गई है। झरझरा सिलिकॉन, उदाहरण के लिए, एक आशाजनक ऑप्टिकल सामग्री के रूप में माना जाता है जो उच्च स्तर के एकीकरण के साथ एकीकृत ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक सिस्टम बनाना संभव बनाता है। क्वांटम आकार के प्रभावों के साथ उन्नत सिलिकॉन प्रौद्योगिकियों के संयोजन और फोटोनिक बैंड गैप के गठन के सिद्धांतों ने एक नई दिशा - सिलिकॉन फोटोनिक्स का विकास किया है।

मास्क के गठन के लिए सबमिक्रॉन लिथोग्राफी का उपयोग 300 एनएम या उससे कम की अवधि के साथ सिलिकॉन संरचनाओं को बनाना संभव बनाता है। दृश्यमान विकिरण के मजबूत अवशोषण के कारण, सिलिकॉन फोटोनिक क्रिस्टल का उपयोग केवल स्पेक्ट्रम के निकट और मध्य-अवरक्त क्षेत्रों में किया जा सकता है। नक़्क़ाशी और ऑक्सीकरण का संयोजन, सिद्धांत रूप में, आवधिक सिलिकॉन ऑक्साइड-वायु संरचनाओं के लिए आगे बढ़ना संभव बनाता है, लेकिन एक ही समय में, कम अपवर्तक सूचकांक अनुपात (घटक 1.45) एक पूर्ण विकसित बैंड गैप के गठन की अनुमति नहीं देता है। दो आयामों में।

ए 3 बी 5 सेमीकंडक्टर यौगिकों की द्वि-आयामी आवधिक संरचनाएं, जो लिथोग्राफिक मास्क या टेम्प्लेट का उपयोग करके चयनात्मक नक़्क़ाशी द्वारा भी प्राप्त की जाती हैं, आशाजनक लगती हैं। ए 3 बी 5 यौगिक आधुनिक ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक्स की मुख्य सामग्री हैं। InP और GaAs यौगिकों में सिलिकॉन की तुलना में एक बड़ा बैंड गैप होता है और सिलिकॉन के समान उच्च अपवर्तक सूचकांक मान क्रमशः 3.55 और 3.6 के बराबर होता है।

ऐलुमिनियम ऑक्साइड पर आधारित आवर्ती संरचनाएं बहुत रोचक हैं (चित्र 3.97क)। वे धातु एल्यूमीनियम के विद्युत रासायनिक नक़्क़ाशी द्वारा प्राप्त किए जाते हैं, जिसकी सतह पर लिथोग्राफी का उपयोग करके एक मुखौटा बनाया जाता है। इलेक्ट्रॉन लिथोग्राफिक टेम्प्लेट का उपयोग करते हुए, 100 एनएम से कम के ताकना व्यास वाले मधुकोश के समान दो-आयामी आवधिक संरचनाएं प्राप्त की गईं। यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि नक़्क़ाशी की शर्तों के एक निश्चित संयोजन के तहत एल्यूमीनियम की चयनात्मक नक़्क़ाशी किसी भी मास्क या टेम्प्लेट के उपयोग के बिना भी नियमित संरचना प्राप्त करना संभव बनाती है (चित्र 3.97बी)। इस मामले में, ताकना व्यास केवल कुछ नैनोमीटर हो सकता है, जो आधुनिक लिथोग्राफिक विधियों के लिए अप्राप्य है। विद्युत रासायनिक प्रतिक्रिया के दौरान छिद्रों की आवधिकता एल्यूमीनियम ऑक्सीकरण प्रक्रिया के स्व-नियमन से जुड़ी होती है। प्रतिक्रिया के दौरान प्रारंभिक प्रवाहकीय सामग्री (एल्यूमीनियम) को अल 2 ओ 3 में ऑक्सीकरण किया जाता है। एल्यूमीनियम ऑक्साइड फिल्म, जो एक ढांकता हुआ है, वर्तमान को कम करती है और प्रतिक्रिया को धीमा कर देती है। इन प्रक्रियाओं के संयोजन से एक आत्मनिर्भर प्रतिक्रिया मोड प्राप्त करना संभव हो जाता है, जिसमें छिद्रों के माध्यम से करंट के पारित होने से निरंतर नक़्क़ाशी संभव हो जाती है, और प्रतिक्रिया उत्पाद एक नियमित मधुकोश संरचना बनाता है। छिद्रों की कुछ अनियमितता (चित्र 3.97b) मूल पॉलीक्रिस्टलाइन एल्यूमीनियम फिल्म की दानेदार संरचना के कारण है।

चावल। 3.97। अल 2 ओ 3 का द्वि-आयामी फोटोनिक क्रिस्टल: ए) एक लिथोग्राफिक मास्क का उपयोग करके बनाया गया; बी) ऑक्सीकरण प्रक्रिया के स्व-नियमन की मदद से बनाया गया

नैनोपोरस एल्यूमिना के ऑप्टिकल गुणों के एक अध्ययन ने छिद्र दिशा के साथ इस सामग्री की असामान्य रूप से उच्च पारदर्शिता दिखाई। फ्रेस्नेल प्रतिबिंब की अनुपस्थिति, जो अनिवार्य रूप से दो निरंतर मीडिया के बीच इंटरफेस में मौजूद है, संप्रेषण मूल्यों को 98% तक ले जाती है। छिद्रों के लंबवत दिशा में, घटना के कोण के आधार पर प्रतिबिंब गुणांक के साथ एक उच्च प्रतिबिंब देखा जाता है।

सिलिकॉन, गैलियम आर्सेनाइड और इंडियम फॉस्फाइड के विपरीत एल्यूमीनियम ऑक्साइड की पारगम्यता के अपेक्षाकृत कम मूल्य, दो आयामों में पूर्ण विकसित बैंड गैप के गठन की अनुमति नहीं देते हैं। हालांकि, इसके बावजूद, झरझरा एल्यूमिना के ऑप्टिकल गुण काफी दिलचस्प हैं। उदाहरण के लिए, इसमें एक स्पष्ट अनिसोट्रोपिक प्रकाश बिखरने के साथ-साथ बायरफ्रेंसेंस भी है, जो इसे ध्रुवीकरण विमान को घुमाने के लिए उपयोग करने की अनुमति देता है। विभिन्न रासायनिक विधियों का उपयोग करके, छिद्रों को विभिन्न आक्साइड के साथ-साथ वैकल्पिक रूप से सक्रिय सामग्री, जैसे कि नॉनलाइनियर ऑप्टिकल मीडिया, कार्बनिक और अकार्बनिक ल्यूमिनोफोरस, और इलेक्ट्रोल्यूमिनेसेंट यौगिकों के साथ भरना संभव है।

त्रि-आयामी आवधिक संरचनाएं।त्रि-आयामी आवधिक संरचनाएं ऐसी वस्तुएं हैं जिनमें प्रायोगिक कार्यान्वयन के लिए सबसे बड़ी तकनीकी कठिनाइयाँ हैं। ऐतिहासिक रूप से, त्रि-आयामी फोटोनिक क्रिस्टल बनाने का पहला तरीका ई। याब्लोनोविच द्वारा प्रस्तावित सामग्री की मात्रा में बेलनाकार छिद्रों के यांत्रिक ड्रिलिंग पर आधारित विधि माना जाता है। ऐसी त्रि-आयामी आवधिक संरचना का निर्माण एक श्रमसाध्य कार्य है; इसलिए, कई शोधकर्ताओं ने अन्य तरीकों से एक फोटोनिक क्रिस्टल बनाने का प्रयास किया है। इस प्रकार, लिन-फ्लेमिंग विधि में, सिलिकॉन डाइऑक्साइड की एक परत सिलिकॉन सब्सट्रेट पर लागू होती है, जिसमें पॉलीक्रिस्टलाइन सिलिकॉन से भरे समानांतर स्ट्रिप्स बनते हैं। इसके अलावा, सिलिकॉन डाइऑक्साइड लगाने की प्रक्रिया को दोहराया जाता है, लेकिन स्ट्रिप्स लंबवत दिशा में बनती हैं। आवश्यक संख्या में परतें बनाने के बाद, सिलिकॉन ऑक्साइड को नक़्क़ाशी द्वारा हटा दिया जाता है। नतीजतन, पॉलीसिलिकॉन रॉड्स का "वुडपाइल" बनता है (चित्र। 3.98)। यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि सबमाइक्रोन इलेक्ट्रॉन लिथोग्राफी और अनिसोट्रोपिक आयन नक़्क़ाशी के आधुनिक तरीकों के उपयोग से 10 से कम संरचनात्मक कोशिकाओं की मोटाई के साथ फोटोनिक क्रिस्टल प्राप्त करना संभव हो जाता है।

चावल। 3.98। पॉलीसिलिकॉन रॉड से 3डी फोटोनिक संरचना

स्व-संगठित संरचनाओं के उपयोग के आधार पर दृश्य सीमा के लिए फोटोनिक क्रिस्टल बनाने के तरीके व्यापक हो गए हैं। ग्लोब्यूल्स (गेंदों) से फोटोनिक क्रिस्टल को "असेंबलिंग" करने का विचार प्रकृति से उधार लिया गया है। उदाहरण के लिए, यह ज्ञात है कि प्राकृतिक ओपल में फोटोनिक क्रिस्टल के गुण होते हैं। इसकी रासायनिक संरचना के अनुसार, प्राकृतिक खनिज ओपल एक सिलिकॉन डाइऑक्साइड हाइड्रोजेल SiO 2 × H 2 O है जिसमें एक चर जल सामग्री होती है: SiO 2 - 65 - 90 wt। %; एच 2 ओ - 4.5-20%; अल 2 ओ 3 - 9% तक; Fe 2 O 3 - 3% तक; TiO2 - 5% तक। इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी का उपयोग करते हुए, यह पाया गया कि प्राकृतिक ओपल α-SiO2 के करीब-पैक गोलाकार कणों से बनते हैं, आकार में समान, व्यास में 150-450 एनएम। प्रत्येक कण में 5-50 एनएम के व्यास के साथ छोटे गोलाकार गठन होते हैं। ग्लोब्यूल पैकिंग वॉयड्स असंगत सिलिकॉन ऑक्साइड से भरे हुए हैं। विवर्तित प्रकाश की तीव्रता दो कारकों से प्रभावित होती है: पहला ग्लोब्यूल्स का "आदर्श" घना पैकिंग है, दूसरा अनाकार और क्रिस्टलीय ऑक्साइड SiO2 के अपवर्तक सूचकांकों में अंतर है। नोबल ब्लैक ओपल्स में प्रकाश का सबसे अच्छा खेल होता है (उनके लिए, अपवर्तक सूचकांक मूल्यों में अंतर ~ 0.02 है)।

कोलाइडल कणों से विभिन्न तरीकों से गोलाकार फोटोनिक क्रिस्टल बनाना संभव है: प्राकृतिक अवसादन (गुरुत्वाकर्षण क्षेत्र या केन्द्रापसारक बलों की कार्रवाई के तहत एक तरल या गैस में एक छितरे हुए चरण की वर्षा), सेंट्रीफ्यूगेशन, झिल्लियों का उपयोग करके निस्पंदन, वैद्युतकणसंचलन, आदि। गोलाकार कण कोलाइडल कण पॉलीस्टाइनिन, पॉलीमेथाइल मेथैक्रिलेट, सिलिकॉन डाइऑक्साइड α-SiO2 के कणों के रूप में कार्य करते हैं।

प्राकृतिक वर्षा विधि एक बहुत ही धीमी प्रक्रिया है, जिसमें कई सप्ताह या महीनों की आवश्यकता होती है। काफी हद तक, सेंट्रीफ्यूगेशन कोलाइडल क्रिस्टल के गठन की प्रक्रिया को तेज करता है, लेकिन इस तरह से प्राप्त सामग्री कम आदेशित होती है, क्योंकि उच्च जमा दर पर, कणों को आकार से अलग करने का समय नहीं होता है। अवसादन प्रक्रिया में तेजी लाने के लिए वैद्युतकणसंचलन का उपयोग किया जाता है: एक ऊर्ध्वाधर विद्युत क्षेत्र बनाया जाता है, जो कणों के गुरुत्वाकर्षण को उनके आकार के आधार पर "बदलता" है। केशिका बलों के उपयोग पर आधारित विधियों का भी उपयोग किया जाता है। मुख्य विचार यह है कि, केशिका बलों की कार्रवाई के तहत, ऊर्ध्वाधर सब्सट्रेट और निलंबन के बीच मेनिस्कस सीमा पर क्रिस्टलीकरण होता है, और जैसे ही विलायक वाष्पित होता है, एक ठीक क्रम वाली संरचना बनती है। इसके अतिरिक्त, एक ऊर्ध्वाधर तापमान ढाल का उपयोग किया जाता है, जो संवहन धाराओं के कारण प्रक्रिया की गति और निर्मित क्रिस्टल की गुणवत्ता को बेहतर ढंग से अनुकूलित करना संभव बनाता है। सामान्य तौर पर, तकनीक की पसंद परिणामी क्रिस्टल की गुणवत्ता और उनके निर्माण पर खर्च किए गए समय की आवश्यकताओं से निर्धारित होती है।

प्राकृतिक अवसादन द्वारा सिंथेटिक ओपल उगाने की तकनीकी प्रक्रिया को कई चरणों में विभाजित किया जा सकता है। प्रारंभ में, गोलाकार सिलिकॉन ऑक्साइड ग्लोब्यूल्स का एक मोनोडिस्पर्स (व्यास में ~ 5% विचलन) निलंबन तैयार किया जाता है। औसत कण व्यास एक विस्तृत श्रृंखला में भिन्न हो सकता है: 200 से 1000 एनएम तक। मोनोडिस्पर्स कोलाइडियल सिलिकॉन डाइऑक्साइड माइक्रोपार्टिकल्स प्राप्त करने के लिए सबसे प्रसिद्ध विधि एक उत्प्रेरक के रूप में अमोनियम हाइड्रॉक्साइड की उपस्थिति में पानी-अल्कोहल माध्यम में टेट्राएथॉक्सिसिलीन सी (सी 2 एच 4 ओएच) 4 के हाइड्रोलिसिस पर आधारित है। इस पद्धति का उपयोग लगभग आदर्श गोलाकार आकार की चिकनी सतह वाले कणों को प्राप्त करने के लिए किया जा सकता है, जिसमें मोनोडिस्पर्सिटी (व्यास में 3% से कम विचलन) के साथ-साथ संकीर्ण आकार के वितरण के साथ 200 एनएम से कम आकार वाले कण बनाने के लिए उपयोग किया जा सकता है। . ऐसे कणों की आंतरिक संरचना भग्न होती है: कणों में पास-पैक छोटे गोले (व्यास में कई दसियों नैनोमीटर) होते हैं, और ऐसे प्रत्येक गोले का निर्माण सिलिकॉन पॉलीहाइड्रोक्सो कॉम्प्लेक्स द्वारा किया जाता है जिसमें 10-100 परमाणु होते हैं।

अगला चरण कणों का निक्षेपण है (चित्र 3.99)। यह कई महीनों तक चल सकता है। निक्षेपण चरण के पूरा होने पर, एक सघन संकुलित आवधिक संरचना बनती है। अगला, अवक्षेप सूख जाता है और लगभग 600 ºС के तापमान पर निस्तारण किया जाता है। एनीलिंग के दौरान, संपर्क के बिंदुओं पर गोले नरम और ख़राब हो जाते हैं। नतीजतन, एक आदर्श घने गोलाकार पैकिंग की तुलना में सिंथेटिक ओपल की सरंध्रता कम होती है। फोटोनिक क्रिस्टल ग्रोथ एक्सिस की दिशा के लंबवत, ग्लोब्यूल अत्यधिक ऑर्डर किए गए हेक्सागोनल क्लोज-पैक परतों का निर्माण करते हैं।

चावल। 3.99। सिंथेटिक ओपल उगाने के चरण: क) कणों का जमाव;

ख) अवक्षेप को सुखाना; ग) नमूना एनीलिंग

अंजीर पर। 3.100a इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी को स्कैन करके प्राप्त सिंथेटिक ओपल का माइक्रोग्राफ दिखाता है। गोले का आयाम 855 एनएम है। सिंथेटिक ओपल में खुले सरंध्रता की उपस्थिति से विभिन्न सामग्रियों से रिक्त स्थान को भरना संभव हो जाता है। ओपल मेट्रिसेस इंटरकनेक्टेड नैनोसाइज्ड पोर्स के त्रि-आयामी उप-वर्ग हैं। छिद्रों का आकार सैकड़ों नैनोमीटर के क्रम में होता है, और छिद्रों को जोड़ने वाले चैनलों का आकार दसियों नैनोमीटर तक पहुंचता है। इस तरह, फोटोनिक क्रिस्टल पर आधारित नैनोकम्पोजिट प्राप्त होते हैं। उच्च गुणवत्ता वाले नैनोकम्पोजिट्स के निर्माण में मुख्य आवश्यकता नैनोपोरस स्पेस को भरने की पूर्णता है। भरना विभिन्न तरीकों से किया जाता है: पिघल में एक समाधान से परिचय; विलायक के वाष्पीकरण के बाद केंद्रित समाधानों के साथ संसेचन; विद्युत रासायनिक तरीके, रासायनिक वाष्प जमाव, आदि।

चावल। 3.100। फोटोनिक क्रिस्टल के फोटोमिकोग्राफ: ए) सिंथेटिक ओपल से;

बी) पॉलीस्टाइनिन माइक्रोस्फीयर से

इस तरह के कंपोजिट से सिलिकन ऑक्साइड के चयनात्मक नक़्क़ाशी के परिणामस्वरूप उच्च सरंध्रता (मात्रा का 74% से अधिक) के साथ स्थानिक रूप से आदेशित नैनोस्ट्रक्चर का निर्माण होता है, जिसे उल्टा या उलटा ओपल कहा जाता है। फोटोनिक क्रिस्टल प्राप्त करने की इस विधि को टेम्प्लेट विधि कहा जाता है। जैसा कि आदेश दिया गया है कि मोनोडिस्पर्स कोलाइडल कण एक फोटोनिक क्रिस्टल बनाते हैं, न केवल सिलिकॉन ऑक्साइड कण, बल्कि उदाहरण के लिए, बहुलक भी कार्य कर सकते हैं। पॉलीस्टायरीन माइक्रोस्फीयर पर आधारित एक फोटोनिक क्रिस्टल का एक उदाहरण अंजीर में दिखाया गया है। 3.100बी

यह दिखाया गया है कि, गुंजयमान यंत्र में फोटोडायोड को शामिल करने की ध्रुवीयता के आधार पर, बढ़ती रोशनी के साथ आवृत्ति में प्रतिक्रिया की आवृत्ति बदलाव ऊपर या नीचे होती है। अध्ययन किए गए अनुनादकों की रोशनी मूल्य में संवेदनशीलता बढ़ाने के लिए युग्मित अंगूठी अनुनादकों की एक प्रणाली का उपयोग करने का प्रस्ताव है। यह दिखाया गया है कि युग्मित गुंजयमान यंत्रों के बीच एक निश्चित दूरी के लिए, सिस्टम प्रतिक्रिया की आवृत्ति विभाजन भी (उज्ज्वल) और विषम (अंधेरे) मोड में प्रकाश की मदद से होता है। हमें विश्वास है कि ट्यून करने योग्य रिंग रेज़ोनेटर बनाने की प्रस्तावित विधि से प्रकाश-नियंत्रित मेटामेट्रीज़ का एक नया वर्ग बनाना संभव हो जाएगा।

इस काम को रूसी संघ के शिक्षा मंत्रालय (समझौते संख्या 14.V37.21.1176 और संख्या 14.V37.21.1283), राजवंश फाउंडेशन, RFBR फाउंडेशन (परियोजना संख्या 13-02-00411) द्वारा समर्थित किया गया था। और 2012 में युवा वैज्ञानिकों और स्नातक छात्रों के लिए रूसी संघ के राष्ट्रपति की छात्रवृत्ति।

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कपितोनोवा पोलीना व्याचेस्लावोवना - सेंट पीटर्सबर्ग नेशनल रिसर्च यूनिवर्सिटी

सूचना प्रौद्योगिकी, यांत्रिकी और प्रकाशिकी, तकनीकी विज्ञान के उम्मीदवार, शोधकर्ता, [ईमेल संरक्षित], [ईमेल संरक्षित]

बेलोव पावेल अलेक्जेंड्रोविच - सेंट पीटर्सबर्ग नेशनल रिसर्च यूनिवर्सिटी

सूचना प्रौद्योगिकी, यांत्रिकी और प्रकाशिकी, डॉक्टर ऑफ फिज।-मैथ। विज्ञान, मुख्य शोधकर्ता, [ईमेल संरक्षित]

टेराहर्ट्ज़ रेंज के लिए परतों की बहु ऑप्टिकल लंबाई के साथ एक फोटोनिक क्रिस्टल की बैंड संरचना का विश्लेषण

ओह। डेनिसल्तानोव, एम.के. खोदज़िट्स्की

एक अनंत फोटोनिक क्रिस्टल के लिए फैलाव समीकरण से, बैंड गैप सीमाओं की सटीक गणना, बैंड गैप चौड़ाई और दो-परत में कई ऑप्टिकल परत लंबाई वाले फोटोनिक क्रिस्टल के बैंड गैप केंद्रों की सटीक स्थिति के लिए सूत्र निकाले जाते हैं। टेराहर्ट्ज़ फ़्रीक्वेंसी रेंज के लिए सेल 0.1 से 1 THz तक। ट्रांसफर मैट्रिक्स विधि द्वारा फोटोनिक क्रिस्टल के संख्यात्मक सिमुलेशन में सूत्रों को सत्यापित किया गया है और फोटोनिक क्रिस्टल की दो-परत सेल में पहली, दूसरी और तीसरी ऑप्टिकल लंबाई बहुलता के लिए समय डोमेन परिमित अंतर विधि द्वारा सत्यापित किया गया है। दूसरी बहुलता के सूत्रों की प्रायोगिक रूप से पुष्टि की जाती है। कीवर्ड: फोटोनिक क्रिस्टल, बैंड गैप, कटऑफ फ्रीक्वेंसी, मल्टीपल ऑप्टिकल लेंथ, ट्रांसमिशन मैट्रिक्स, मेटामेट्री।

परिचय

हाल के वर्षों में, असामान्य गुणों ("मेटामैटेरियल्स") के साथ कृत्रिम मीडिया के अध्ययन ने वैज्ञानिकों और इंजीनियरों के काफी बड़े सर्कल के हित को आकर्षित किया है, जो विकास में औद्योगिक और सैन्य उद्योगों में इन मीडिया के आशाजनक उपयोग के कारण है। नए प्रकार के फिल्टर, फेज शिफ्टर्स, सुपरलेंस, मास्किंग कोटिंग्स आदि। डी। . मेटा-मटेरियल के प्रकारों में से एक फोटोनिक क्रिस्टल है, जो आवधिक के साथ एक स्तरित संरचना है

स्की बदलते अपवर्तक सूचकांक। फोटोनिक क्रिस्टल (पीसी) लेजर प्रौद्योगिकियों में सक्रिय रूप से उपयोग किए जाते हैं, संचार के साधन, फ़िल्टरिंग, स्पेक्ट्रम में एक बैंड संरचना की उपस्थिति, सुपररिज़ॉल्यूशन, सुपरप्रिज्म प्रभाव इत्यादि जैसे अद्वितीय गुणों के कारण। . नए प्रकार की सामग्री और जैविक वस्तुओं के स्पेक्ट्रोस्कोपिक, टोमोग्राफिक अध्ययन के लिए टेराहर्ट्ज़ (THz) रेंज में फोटोनिक क्रिस्टल का अध्ययन विशेष रुचि है। शोधकर्ताओं ने THz फ्रीक्वेंसी रेंज के लिए पहले से ही द्वि-आयामी और त्रि-आयामी पीसी विकसित किए हैं और उनकी विशेषताओं का अध्ययन किया है, लेकिन, दुर्भाग्य से, इस समय फोटोनिक क्रिस्टल की बैंड संरचना की विशेषताओं की गणना के लिए कोई सटीक सूत्र नहीं हैं, जैसे कि बैंड गैप, बैंड गैप सेंटर, बैंड गैप सीमाएं। इस कार्य का उद्देश्य दो-परत पीसी सेल में पहली, दूसरी और तीसरी ऑप्टिकल लंबाई बहुलता के लिए एक आयामी फोटोनिक क्रिस्टल की विशेषताओं की गणना के लिए सूत्र प्राप्त करना और स्थानांतरण मैट्रिक्स का उपयोग करके संख्यात्मक सिमुलेशन का उपयोग करके इन सूत्रों को सत्यापित करना है। विधि और समय डोमेन में परिमित अंतर विधि, साथ ही साथ THz रेंज फ़्रीक्वेंसी में एक प्रयोग।

विश्लेषणात्मक और संख्यात्मक मॉडलिंग

आइए एक दो-परत सेल n1 और n2 में परतों के अपवर्तक सूचकांकों और परत की मोटाई क्रमशः d1 और d2 के साथ एक अनंत फोटोनिक क्रिस्टल पर विचार करें। यह संरचना एक रैखिक रूप से ध्रुवीकृत अनुप्रस्थ विद्युत तरंग (TE तरंग) से उत्साहित है। वेव वेक्टर k को PC लेयर्स (चित्र 1) के लंबवत निर्देशित किया गया है। इस तरह के एक पीसी के लिए फैलाव समीकरण, परत सीमा पर स्पर्शरेखा क्षेत्र घटकों के लिए फ़्लॉकेट प्रमेय और निरंतरता की स्थिति का उपयोग करके प्राप्त किया गया है, इसका निम्न रूप है:

C08 [kv (dx + d2)] = co8 [kg d ^] x co $ [k2 d2] -0.5)

एस बीटी [किलो ई 1] एक्स बीटी [किलो ई 2

जहाँ q बलोच तरंग संख्या है; के ^ =

चाहे अपवर्तन; d1, d2 - परत की मोटाई।

2 एल एक्स / एक्स पी 1

; / - आवृत्ति; पीजी, पी 2 - संकेतक

चावल। 1. स्तरित-आवधिक संरचना विचाराधीन

एल और एल 1! मैं एक्स। ] एल!/ एल पील! एल "

और "और | Г ¡4 1 ! 1) 1 1 एन वी और | 1 У" 11

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6

आवृत्ति / THz

चावल। 2. जटिल बलोच वेवनंबर की आवृत्ति फैलाव

समीकरण (1) का उपयोग करके प्राप्त जटिल बलोच तरंग संख्या का फैलाव चित्र में दिखाया गया है। 2. जैसा कि अंजीर से देखा जा सकता है। 2, बैंड गैप की सीमाओं पर, कोज्या q(d1 + d2) का तर्क या तो 0 या n मान लेगा। इसलिए, इस स्थिति के आधार पर, हम गणना कर सकते हैं

फोटोनिक क्रिस्टल के कटऑफ फ्रीक्वेंसी, बैंड गैप और बैंड गैप सेंटर के मूल्यों को निर्धारित करने के लिए। हालांकि, एक दो-परत सेल के अंदर परतों की गैर-एकाधिक ऑप्टिकल लंबाई वाले फोटोनिक क्रिस्टल के लिए, ये सूत्र केवल एक निहित रूप में प्राप्त किए जा सकते हैं। स्पष्ट सूत्र प्राप्त करने के लिए, एकाधिक ऑप्टिकल लंबाई का उपयोग किया जाना चाहिए: nxx = n2e2; प्योह = 2хп2ё2; प्योह = 3xn2ё2... . काम ने पहली, दूसरी और तीसरी बहुलता के लिए सूत्रों पर विचार किया।

पहली बहुलता (nxx = n2d2) के एक फोटोनिक क्रिस्टल के लिए, सीमा आवृत्तियों, चौड़ाई के सूत्र

बैंडगैप और बैंडगैप के केंद्र के निम्नलिखित रूप हैं:

(/एन 1 एल (/एन "और 1 एल

0.256-1.5। "arcso81---I + 2lt

ए/ = /1 -/2; /33 = /+/2-; /पीजेड =

/ 2ए; /2 = मैं (टी +1)

0.256-1.5। „, 1H -arsco81 ----- | + 2एन (टी +1)

जहाँ /1 और /2 - क्रमशः वर्जित क्षेत्र की निम्न-आवृत्ति और उच्च-आवृत्ति सीमाएँ; ए/- बैंड गैप; /33 वर्जित क्षेत्र का केंद्र है; सी प्रकाश की गति है; / - अनुमत केंद्र

ओ एन एन 2 जोन 6 = - + -;

परत पैरामीटर वाले PC के लिए nx = 2.9; एन2 = 1.445; पूर्व = 540 µm; 0.1-1 THz की सीमा में दूसरे बैंड गैप के लिए e2 = 1084 माइक्रोन, बैंड संरचना के निम्नलिखित पैरामीटर होते हैं: /1 = 0.1332 THz; /2 = 0.1541 THz; ए/ = 0.0209 टीएचजेड; /zz = 0.1437 THz।

एक पीसी के लिए, जिसकी परतों की ऑप्टिकल लंबाई समानता nxx = 2n2d2 से संबंधित है, बैंड संरचना के मापदंडों के लिए निम्नलिखित सूत्र प्राप्त होते हैं:

4 + वी + यू v2-4 6 + 3v-4v2 -4

4 + वी-वी v2 - 4 6 + 3v + ^v2 - 4

2 + इन -V in2 - 4

2yt x एस आर्कबो

बी-#^4 2 + सी + 4 सी2 - 4

वी-#^4 2 + वी + एल/वी2 - 4

4 + वी-वीवी2 -4 6 + 3वी + 4वी2 - 4

4 + वी + यूवी2 - 4 6 + 3वी-4वी2 -4

जहां (/1 और /11), (/2 और /21), (/3 और /31), (/4 और /41) - कम आवृत्ति और उच्च आवृत्ति सीमाएं निषिद्ध हैं

संख्याओं के साथ ny क्षेत्र (4t + 1), (4t + 2), (4t + 3), (4t + 4), क्रमशः; सी प्रकाश की गति है; पी = - + -;

m = 0.1.2,.... बैंड गैप की गणना A/ = /-/x के रूप में की जाती है; बैंडगैप केंद्र

, / + /x. डी / एसजेड = ^; / pz - अनुमत क्षेत्र का केंद्र।

पैरामीटर nx = 2.9 के साथ एफसी के लिए; एन2 = 1.445; पूर्व = 540 µm; 0.1-1 THz रेंज में दूसरे बैंड गैप के लिए e2 = 541.87 माइक्रोन, हमारे पास है

/2 = 0.116 THz; /2x = 0.14 THz; ए/ = 0.024 THz; /zz = 0.128 THz।

एक फोटोनिक क्रिस्टल के लिए जिसकी ऑप्टिकल लंबाई समानता nxx = 3n2d2 से संबंधित है, बैंड संरचना के मापदंडों के लिए निम्नलिखित सूत्र प्राप्त होते हैं:

1 -0.5ß + ^/2.25ß2 -ß-7 3 + 2.5ß-^/ 2.25ß2-ß-7

1 -0.5ß-^2.25ß2 -ß-7 3 + 2.5ß + वी 2.25ß2-ß-7

1 -0.5ß-J2.25ß2 -ß-7 3 + 2.5ß + yl2.25ß2 - ß - 7

1 - 0.5ß + 72.25ß2 - ß - 7 3 + 2.5ß-sj2.25ß2 -ß-7

जहां (/1 और /11), (/2 और /2), (/3 और /) कम आवृत्ति और उच्च आवृत्ति बैंड अंतराल हैं

संख्याएँ (3m+1), (3m+2), (3m+3), क्रमशः; सी प्रकाश की गति है; पी = - + -; टी = 0,1,2,....चौड़ाई

बैंड गैप की गणना D/ = / - /1 के रूप में की जाती है; बैंडगैप केंद्र / zz =

अनुमत क्षेत्र।

पैरामीटर n1 = 2.9 वाले PC के लिए; एन2 = 1.445; = 540 µm; d2 = 361.24 μm दूसरे बैंड गैप के लिए 0.1-1 THz रेंज में, हमारे पास है

/2 = 0.1283 THz; = 0.1591 THz; डी/ = 0.0308 THz; /zz = 0.1437 THz।

परिमित लंबाई के एक पीसी का अनुकरण करने के लिए, ट्रांसफर मेट्रिसेस की विधि का उपयोग करना आवश्यक है, जो आपको दूसरी परत के एक मनमाने बिंदु पर फोटोनिक क्रिस्टल से गुजरने वाली तरंग के विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र के मूल्य की गणना करने की अनुमति देता है। एक परत के लिए ट्रांसफर मैट्रिक्स इस प्रकार है:

cos(k0 x n x p x पाप (k0

: z x cos 0) x n x z x cos 0)

(-आई / पी) एक्स पाप (के0 एक्स एन एक्स जेड एक्स कॉस 0)

जहाँ k0 = -; पी = - कॉस 0; एन =; z - ओज़ अक्ष पर समन्वय करें; 0 - पहली परत पर तरंग का आपतन कोण।

ट्रांसफर मेट्रिसेस की विधि का उपयोग करते हुए, गणितीय पैकेज MATLAB में, पहली, दूसरी और तीसरी बहुलता की दो-परत सेल में परतों की ऑप्टिकल लंबाई के लिए एक फोटोनिक क्रिस्टल की बैंड संरचना का निर्माण किया गया था), THz फ़्रीक्वेंसी रेंज में (0 = 0 के लिए) ऊपर बताए गए परत मापदंडों के साथ 10 इकाई कोशिकाओं के साथ (चित्र 3)।

जैसे कि चित्र से देखा जा सकता है। 3, पहली, दूसरी और तीसरी बहुलता के पीसी के ट्रांसमिशन स्पेक्ट्रम में, बैंड गैप हैं जो क्रमशः दो, तीन और चार के गुणक हैं, पीसी की बैंड संरचना की तुलना में गैर-एकाधिक ऑप्टिकल लंबाई के साथ यूनिट सेल के अंदर परतें। बहुलता के सभी तीन मामलों के लिए, अंतिम पीसी के बैंड संरचना के मापदंडों की गणना में सापेक्ष त्रुटि अनंत पीसी के सूत्रों की तुलना में 1% से अधिक नहीं होती है (बैंड गैप की गणना संप्रेषण के 0.5 के स्तर पर की गई थी) अंतिम पीसी)।

इसके अलावा, सीएसटी माइक्रोवेव स्टूडियो त्रि-आयामी मॉडलिंग सॉफ्टवेयर पैकेज (चित्र 4) का उपयोग करके समय डोमेन में परिमित अंतर विधि द्वारा एक-आयामी पीसी की संरचना की गणना की गई थी। ट्रांसफर मैट्रिक्स विधि द्वारा प्राप्त ट्रांसमिशन स्पेक्ट्रा के लिए अंतिम पीसी की बैंड संरचना के समान व्यवहार को देख सकते हैं। इस सिमुलेशन पैकेज में एक परिमित पीसी की बैंड संरचना के मापदंडों की गणना में सापेक्ष त्रुटि अनंत पीसी के लिए सूत्रों की तुलना में 3% से अधिक नहीं है।

Tszh.M।

pShshShSh) sschm

pxx=3n2ё2 आवृत्ति / THz

चावल। अंजीर। 3. तीन गुणकों के लिए एक फोटोनिक क्रिस्टल की बैंड संरचना, THz फ़्रीक्वेंसी रेंज में दो-परत सेल में परतों की ऑप्टिकल लंबाई (संख्याएं बैंड गैप संख्या दर्शाती हैं, तीर ड्रॉप-डाउन इंगित करते हैं

निषिद्ध क्षेत्र)

आई-ए-ए टी ओ

प्योह \u003d 2p2ё2 -YES / ut1

pxx=3n2ё2 आवृत्ति, THz

चावल। अंजीर। 4. एमए (ए) में पीसी का त्रि-आयामी मॉडल और तीन बहुलता (बी) के लिए पीसी का संप्रेषण

प्रायोगिक भाग

0.1-1 THz की सीमा में निरंतर THz स्पेक्ट्रोस्कोपी की विधि द्वारा दूसरी बहुलता के मामले को प्रयोगात्मक रूप से सत्यापित किया गया था। THz विकिरण उत्पन्न करने के लिए एक फोटोकंडक्टिव (FC) एंटीना पर अवरक्त विकिरण की आवृत्तियों को मिलाने की विधि का उपयोग किया गया था। दूसरा एफपी एंटीना एक रिसीवर के रूप में इस्तेमाल किया गया था। ट्रांसमिटिंग और प्राप्त करने वाले पीसी एंटेना (चित्र 5) के बीच एक इकट्ठे पीसी स्थापित किया गया था।

जांच किए गए फोटोनिक क्रिस्टल में निम्नलिखित पैरामीटर हैं: बिलीयर कोशिकाओं की संख्या -3; परतों के अपवर्तनांक - nx = 2.9 और n2 = 1.445; परत की मोटाई - ех = 540 μm और е2 = 520 μm (е2 आदर्श 2 बहुलता के मामले की तुलना में 21 μm कम है)। अंजीर पर। 5 4 और 5 बैंड अंतराल के लिए प्रयोगात्मक और सैद्धांतिक स्पेक्ट्रा की तुलना दिखाता है। जैसा कि प्रयोगात्मक ग्राफ से देखा जा सकता है, साथ ही सिमुलेशन के लिए, यूनिट सेल के अंदर परतों की गैर-एकाधिक ऑप्टिकल लंबाई वाले पीसी की बैंड संरचना की तुलना में एक बैंड गैप जो तीन में से एक है, मनाया जाता है। प्रयोगात्मक और सैद्धांतिक में वर्जित क्षेत्रों के केंद्रों की स्थिति के बीच मामूली विसंगति

टिक स्पेक्ट्रम आदर्श दूसरी बहुलता से प्रयोग में टेफ्लॉन परतों की मोटाई में अंतर के कारण है।

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 आवृत्ति, THz

प्रयोग

मोडलिंग

चावल। अंजीर। 5. सेटअप की तस्वीर, फोटोनिक क्रिस्टल मॉडल (ए) की तस्वीर और तीन प्राथमिक के साथ एक फोटोनिक क्रिस्टल के प्रयोगात्मक और सैद्धांतिक संप्रेषण का एक तुलनात्मक ग्राफ

कोशिकाएं (बी)

निष्कर्ष

इस प्रकार, एक टीई तरंग के मामले में दो-परत इकाई सेल के अंदर कई ऑप्टिकल परत लंबाई वाले एक-आयामी फोटोनिक क्रिस्टल के बैंड संरचना मापदंडों (बैंड गैप, बैंड गैप बाउंड्री और बैंड गैप सेंटर) की गणना के लिए सटीक सूत्र प्राप्त किए गए थे। फोटोनिक परतों के विमानों के लंबवत एक तरंग वेक्टर के साथ।क्रिस्टल। परतों की गैर-एकाधिक ऑप्टिकल लंबाई के साथ फोटोनिक क्रिस्टल की बैंड संरचना की तुलना में क्रमशः बैंड अंतराल के गायब होने, क्रमशः दो, तीन, चार के गुणक के पहले, दूसरे और तीसरे गुणा के एक फोटोनिक क्रिस्टल के लिए इसका प्रदर्शन किया गया था। यूनिट सेल के अंदर। टाइम डोमेन में ट्रांसफर मैट्रिक्स विधि और 3डी परिमित अंतर संख्यात्मक सिमुलेशन का उपयोग करके पहली, दूसरी और तीसरी बहुलता के सूत्रों का परीक्षण किया गया। दूसरी बहुलता के मामले को THz फ़्रीक्वेंसी रेंज में 0.1 से 1 THz तक प्रायोगिक रूप से सत्यापित किया गया था। प्राप्त सूत्रों का उपयोग विभिन्न गणितीय पैकेजों में फोटोनिक क्रिस्टल की बैंड संरचना को मॉडल करने की आवश्यकता के बिना औद्योगिक, सैन्य और चिकित्सा अनुप्रयोगों के लिए फोटोनिक क्रिस्टल पर आधारित ब्रॉडबैंड फिल्टर विकसित करने के लिए किया जा सकता है।

2009-2013 के लिए संघीय लक्ष्य कार्यक्रम "वैज्ञानिक और वैज्ञानिक-शैक्षिक कार्मिक अभिनव रूस" के ढांचे के भीतर काम को आंशिक रूप से अनुदान संख्या 14.132.21.1421 द्वारा समर्थित किया गया था।

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डेनिसुल्तानोव अलाउदी ख़ोजबाउडिविच

खोदज़िट्स्की मिखाइल कोन्स्टेंटिनोविच

सूचना प्रौद्योगिकी, यांत्रिकी और प्रकाशिकी के सेंट पीटर्सबर्ग राष्ट्रीय अनुसंधान विश्वविद्यालय, छात्र, [ईमेल संरक्षित]

सूचना प्रौद्योगिकी, यांत्रिकी और प्रकाशिकी के सेंट पीटर्सबर्ग राष्ट्रीय अनुसंधान विश्वविद्यालय, भौतिक-गणित के उम्मीदवार। विज्ञान, सहायक, [ईमेल संरक्षित]

) — एक सामग्री जिसकी संरचना 1, 2 या 3 स्थानिक दिशाओं में अपवर्तक सूचकांक में आवधिक परिवर्तन की विशेषता है।

विवरण

फोटोनिक क्रिस्टल (पीसी) की एक विशिष्ट विशेषता अपवर्तक सूचकांक में स्थानिक आवधिक परिवर्तन की उपस्थिति है। स्थानिक दिशाओं की संख्या के आधार पर, जिसके साथ अपवर्तक सूचकांक समय-समय पर बदलता रहता है, फोटोनिक क्रिस्टल को एक-आयामी, द्वि-आयामी और त्रि-आयामी कहा जाता है, या 1D PC, 2D PC और 3D PC (D - अंग्रेजी आयाम से) के रूप में संक्षिप्त किया जाता है। , क्रमश। परंपरागत रूप से, 2D PC और 3D PC की संरचना को अंजीर में दिखाया गया है।

फोटोनिक क्रिस्टल की सबसे महत्वपूर्ण विशेषता एक 3डी पीसी में अस्तित्व है, जिसमें कुछ वर्णक्रमीय क्षेत्रों के घटकों के अपवर्तक सूचकांकों में पर्याप्त रूप से बड़े विपरीत होते हैं, जिन्हें कुल फोटोनिक बैंड अंतराल (पीबीजी) कहा जाता है: फोटॉन ऊर्जा से संबंधित विकिरण का अस्तित्व ऐसे क्रिस्टल में पीबीजी असंभव है। विशेष रूप से, विकिरण जिसका स्पेक्ट्रम पीबीजी से संबंधित है, बाहर से पीसी में प्रवेश नहीं करता है, उसमें मौजूद नहीं हो सकता है, और पूरी तरह से सीमा से परिलक्षित होता है। निषेध का उल्लंघन तभी किया जाता है जब संरचनात्मक दोष हों या यदि पीसी का आकार सीमित हो। इस मामले में, उद्देश्यपूर्ण रूप से निर्मित रैखिक दोष छोटे झुकने वाले नुकसान (वक्रता के माइक्रोन त्रिज्या तक) के साथ होते हैं, बिंदु दोष लघु अनुनादक होते हैं। प्रकाश (फोटॉन) बीम की विशेषताओं को नियंत्रित करने की व्यापक संभावनाओं के आधार पर 3डी पीसी की संभावित संभावनाओं का व्यावहारिक कार्यान्वयन अभी शुरू हो रहा है। यह उच्च-गुणवत्ता वाले 3डी पीसी बनाने के लिए प्रभावी तरीकों की कमी, स्थानीय असमानताओं के लक्षित गठन के तरीकों, रैखिक और बिंदु दोषों के साथ-साथ अन्य फोटोनिक और इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के साथ इंटरफेस करने के तरीकों की कमी से बाधित है।

2डी पीसी के व्यावहारिक अनुप्रयोग की दिशा में काफी प्रगति हुई है, जो एक नियम के रूप में, प्लानर (फिल्म) फोटोनिक क्रिस्टल या (पीसीएफ) के रूप में उपयोग किया जाता है (संबंधित लेखों में विवरण देखें)।

PCF एक द्वि-आयामी संरचना है जिसमें मध्य भाग में एक दोष होता है, जो लंबवत दिशा में लम्बा होता है। मौलिक रूप से नए प्रकार के ऑप्टिकल फाइबर होने के नाते, पीसीएफ प्रकाश तरंगों के परिवहन और प्रकाश संकेतों को नियंत्रित करने के अवसर प्रदान करते हैं जो अन्य प्रकारों के लिए दुर्गम हैं।

एक-आयामी पीसी (1डी पीसी) विभिन्न अपवर्तक सूचकांकों के साथ वैकल्पिक परतों की एक बहुपरत संरचना है। शास्त्रीय प्रकाशिकी में, "फोटोनिक क्रिस्टल" शब्द की उपस्थिति से बहुत पहले, यह सर्वविदित था कि ऐसी आवधिक संरचनाओं में हस्तक्षेप और विवर्तन की घटनाओं के कारण प्रकाश तरंगों के प्रसार की प्रकृति में काफी परिवर्तन होता है। उदाहरण के लिए, बहुपरत चिंतनशील कोटिंग्स लंबे समय से दर्पण और फिल्म हस्तक्षेप फिल्टर के निर्माण के लिए व्यापक रूप से उपयोग की जाती हैं, और वर्णक्रमीय चयनकर्ता और फिल्टर के रूप में वॉल्यूमेट्रिक ब्रैग झंझरी। पीसी शब्द के व्यापक रूप से उपयोग किए जाने के बाद, ऐसे स्तरित मीडिया, जिसमें अपवर्तक सूचकांक समय-समय पर एक दिशा में बदलता रहता है, को एक-आयामी फोटोनिक क्रिस्टल के वर्ग के लिए जिम्मेदार ठहराया जाने लगा। लंबवत प्रकाश घटना के साथ, बहुपरत कोटिंग्स से प्रतिबिंब गुणांक की वर्णक्रमीय निर्भरता तथाकथित "ब्रैग टेबल" है - कुछ तरंग दैर्ध्य पर, प्रतिबिंब गुणांक तेजी से परतों की संख्या में वृद्धि के साथ एकता तक पहुंचता है। अंजीर में दिखाई गई वर्णक्रमीय श्रेणी में प्रकाश तरंगें गिरती हैं। बी तीर, लगभग पूरी तरह से आवधिक संरचना से परिलक्षित होते हैं। एफके की शब्दावली के अनुसार, तरंग दैर्ध्य की यह सीमा और फोटॉन ऊर्जा (या ऊर्जा बैंड) की इसी श्रेणी को प्रकाश तरंगों के लिए परतों के लंबवत प्रसार के लिए मना किया जाता है।

फोटॉनों को नियंत्रित करने की अनूठी संभावनाओं के कारण पीसी के व्यावहारिक अनुप्रयोगों की संभावना बहुत अधिक है और अभी तक पूरी तरह से इसका पता नहीं लगाया गया है। इसमें कोई संदेह नहीं है कि आने वाले वर्षों में नए उपकरणों और संरचनात्मक तत्वों का प्रस्ताव किया जाएगा, संभवतः उन लोगों से मौलिक रूप से भिन्न होंगे जो आज उपयोग किए जाते हैं या विकसित किए गए हैं।

ई. याब्लोनोविच के एक लेख के प्रकाशन के बाद फोटोनिक्स में पीसी के उपयोग की बड़ी संभावनाएं महसूस की गईं, जिसमें सहज उत्सर्जन स्पेक्ट्रम को नियंत्रित करने के लिए पूर्ण पीबीजी के साथ पीसी का उपयोग करने का प्रस्ताव किया गया था।

निकट भविष्य में जिन फोटोनिक उपकरणों की उम्मीद की जा सकती है उनमें निम्नलिखित हैं:

अल्ट्रा-छोटे लो-थ्रेशोल्ड एफके लेजर;
सुपरब्राइट पीसी एक नियंत्रित उत्सर्जन स्पेक्ट्रम के साथ;
माइक्रोन बेंडिंग रेडियस के साथ सबमिनीचर एफके वेवगाइड्स;
प्लानर पीसी के आधार पर उच्च स्तर के एकीकरण के साथ फोटोनिक एकीकृत सर्किट;
लघु FK स्पेक्ट्रल फिल्टर, ट्यून करने योग्य सहित;
रैंडम एक्सेस ऑप्टिकल मेमोरी के FK डिवाइस;
FK ऑप्टिकल सिग्नल प्रोसेसिंग डिवाइस;
एक खोखले कोर के साथ पीसीएफ पर आधारित उच्च शक्ति वाले लेजर विकिरण देने के लिए इसका मतलब है।

सूचना प्रसंस्करण के लिए फोटोनिक और इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के सुपर-बड़े वॉल्यूमेट्रिक रूप से एकीकृत परिसरों का निर्माण सबसे आकर्षक, लेकिन त्रि-आयामी पीसी के अनुप्रयोग को लागू करने में सबसे कठिन है।

3डी फोटोनिक क्रिस्टल के लिए अन्य संभावित उपयोगों में कृत्रिम ओपल-आधारित गहनों का निर्माण शामिल है।

प्रकृति में फोटोनिक क्रिस्टल भी पाए जाते हैं, जो हमारे चारों ओर की दुनिया को अतिरिक्त रंग प्रदान करते हैं। इस प्रकार, मोलस्क के गोले की मदर-ऑफ-पर्ल कोटिंग, जैसे कि हेलियोटिस, में 1D FC संरचना होती है, एक समुद्री माउस के एंटीना और एक पॉलीचेट वर्म के ब्रिसल्स 2D FC होते हैं, और प्राकृतिक अर्ध कीमती ओपल और अफ्रीकी स्वेलटेल के पंख होते हैं। तितलियाँ (Papilio ulysses) प्राकृतिक त्रि-आयामी फोटोनिक क्रिस्टल हैं।

रेखांकन

एक- द्वि-आयामी (शीर्ष) और त्रि-आयामी (नीचे) पीसी की संरचना;

बीक्वार्टर-वेवलेंथ GaAs/AlxOy लेयर्स द्वारा गठित एक-आयामी पीसी का बैंड गैप है (बैंड गैप एक तीर द्वारा दिखाया गया है);

मेंएफएनएम मॉस्को स्टेट यूनिवर्सिटी के कर्मचारियों द्वारा प्राप्त उलटा निकल एफसी है। एम.वी. लोमोनोसोवा एन.ए. सपोलोटोवा, के.एस. नेपोलस्की और ए.ए. एलीसेव

परिचय प्राचीन काल से, एक व्यक्ति जिसने एक फोटोनिक क्रिस्टल पाया है, उसमें प्रकाश की एक विशेष इंद्रधनुषी क्रीड़ा से मोहित हो गया है। यह पाया गया कि विभिन्न जानवरों और कीड़ों के तराजू और पंखों के इंद्रधनुषी अतिप्रवाह उन पर सुपरस्ट्रक्चर के अस्तित्व के कारण हैं, जिन्हें उनके परावर्तक गुणों के लिए फोटोनिक क्रिस्टल नाम मिला है। फोटोनिक क्रिस्टल प्रकृति में / पर पाए जाते हैं: खनिज (कैल्साइट, लैब्राडोराइट, ओपल); तितलियों के पंखों पर; बीटल गोले; कुछ कीड़ों की आंखें; शैवाल; मछली के तराजू; मोर पंख. 3

फोटोनिक क्रिस्टल यह एक ऐसी सामग्री है जिसकी संरचना स्थानिक दिशाओं में अपवर्तक सूचकांक में आवधिक परिवर्तन की विशेषता है, फोटोनिक क्रिस्टल एल्यूमीनियम ऑक्साइड पर आधारित है। एम. ड्यूबेल, जी.वी. फ्रीमैन, मार्टिन वेगेनर, सुरेश परेरा, कर्ट बुश और कोस्टास एम. सौकौलिस "दूरसंचार के लिए त्रि-आयामी फोटोनिक-क्रिस्टल टेम्पलेट्स का प्रत्यक्ष लेजर लेखन" // प्रकृति सामग्री वॉल्यूम। 3, पी

थोड़ा सा इतिहास... 1887 रेले ने पहली बार आवधिक संरचनाओं में विद्युत चुम्बकीय तरंगों के प्रसार की जांच की थी, जो एक-आयामी फोटोनिक क्रिस्टल फोटोनिक क्रिस्टल के अनुरूप है - यह शब्द 1980 के दशक के अंत में पेश किया गया था। सेमीकंडक्टर्स के ऑप्टिकल एनालॉग को निरूपित करने के लिए। ये पारभासी ढांकता हुआ से बने कृत्रिम क्रिस्टल होते हैं जिनमें व्यवस्थित तरीके से वायु "छेद" बनाए जाते हैं। 5

फोटोनिक क्रिस्टल - विश्व ऊर्जा का भविष्य उच्च तापमान वाले फोटोनिक क्रिस्टल न केवल ऊर्जा के स्रोत के रूप में कार्य कर सकते हैं, बल्कि अत्यंत उच्च गुणवत्ता वाले डिटेक्टर (ऊर्जा, रसायन) और सेंसर के रूप में भी कार्य कर सकते हैं। मैसाचुसेट्स के वैज्ञानिकों द्वारा बनाए गए फोटोनिक क्रिस्टल टंगस्टन और टैंटलम पर आधारित हैं। यह यौगिक बहुत अधिक तापमान पर संतोषजनक ढंग से काम करने में सक्षम है। ˚С तक। फोटोनिक क्रिस्टल के लिए एक प्रकार की ऊर्जा को दूसरे में परिवर्तित करना शुरू करने के लिए, उपयोग के लिए सुविधाजनक, कोई भी स्रोत (थर्मल, रेडियो उत्सर्जन, कठोर विकिरण, सूर्य का प्रकाश, आदि) करेगा। 6

एक फोटोनिक क्रिस्टल (विस्तारित क्षेत्रों का आरेख) में विद्युत चुम्बकीय तरंगों का फैलाव कानून। दाहिनी ओर क्रिस्टल में दी गई दिशा के लिए आवृत्ति के बीच संबंध दर्शाता है? और ReQ (सॉलिड कर्व्स) और ImQ (स्टॉप ज़ोन ओमेगा में धराशायी कर्व) के मान -

फोटोनिक गैप थ्योरी यह 1987 तक नहीं था जब बेल कम्युनिकेशंस रिसर्च (अब यूसीएलए में एक प्रोफेसर) के एली याब्लोनोविच ने इलेक्ट्रोमैग्नेटिक बैंड गैप की धारणा पेश की थी। क्षितिज का विस्तार करने के लिए: एली याब्लोनोविच याब्लोनोविच-यूसी-बर्कले द्वारा व्याख्यान/जॉन पेंड्री जॉन-पेंड्री-इंपीरियल-कॉलेज द्वारा व्याख्यान देखें/9 देखें

प्रकृति में, फोटोनिक क्रिस्टल भी पाए जाते हैं: अफ्रीकी स्वालोटेल तितलियों के पंखों पर, मोलस्क के गोले की मदर-ऑफ-पर्ल कोटिंग, जैसे कि गैलियोटिस, समुद्री माउस के बार्नाकल और पॉलीचेट वर्म के ब्रिसल्स। एक ओपल कंगन का फोटो। ओपल एक प्राकृतिक फोटोनिक क्रिस्टल है। इसे "भ्रामक आशाओं का पत्थर" कहा जाता है 10

वर्णक कोटिंग का कोई ताप और प्रकाश रासायनिक विनाश नहीं" शीर्षक="(!LANG: जीवित जीवों के लिए अवशोषण तंत्र (अवशोषित तंत्र) पर FA-आधारित फिल्टर के लाभ: हस्तक्षेप रंग को प्रकाश ऊर्जा के अवशोषण और अपव्यय की आवश्यकता नहीं होती है, => वर्णक कोटिंग का कोई ताप और फोटोकैमिकल विनाश नहीं" class="link_thumb"> 12 !}जीवित जीवों के लिए अवशोषण तंत्र (अवशोषित तंत्र) पर एफए-आधारित फिल्टर के लाभ: हस्तक्षेप रंग को प्रकाश ऊर्जा के अवशोषण और अपव्यय की आवश्यकता नहीं होती है, => वर्णक कोटिंग का कोई ताप और फोटोकैमिकल विनाश नहीं होता है। गर्म जलवायु में रहने वाली तितलियों में एक इंद्रधनुषी पंख पैटर्न होता है, और सतह पर फोटोनिक क्रिस्टल की संरचना प्रकाश के अवशोषण को कम करने के लिए पाई गई है और इसलिए, पंखों का ताप। समुद्री चूहा लंबे समय से फोटोनिक क्रिस्टल का उपयोग कर रहा है। 12 वर्णक कोटिंग का कोई ताप और प्रकाश रासायनिक विनाश नहीं "> वर्णक कोटिंग का कोई ताप और फोटोकैमिकल विनाश नहीं। गर्म जलवायु में रहने वाली तितलियों में एक इंद्रधनुषी पंख पैटर्न होता है, और सतह पर फोटोनिक क्रिस्टल की संरचना, जैसा कि यह निकला, कम कर देता है प्रकाश का अवशोषण और, फलस्वरूप, पंखों का ताप। समुद्री चूहा पहले से ही लंबे समय से अभ्यास में फोटोनिक क्रिस्टल का उपयोग कर रहा है। => वर्णक का कोई ताप और प्रकाश रासायनिक विनाश नहीं"> title="जीवित जीवों के लिए अवशोषण तंत्र (अवशोषित तंत्र) पर एफए-आधारित फिल्टर के लाभ: हस्तक्षेप रंग में प्रकाश ऊर्जा के अवशोषण और अपव्यय की आवश्यकता नहीं होती है, => वर्णक कोटिंग का कोई ताप और प्रकाश रासायनिक विनाश नहीं होता है"> !}

विवर्तनिक जैविक माइक्रोस्ट्रक्चर के उदाहरण के रूप में मॉर्फो डिडियस इंद्रधनुषी तितली और इसके पंख का माइक्रोग्राफ। इंद्रधनुषी प्राकृतिक ओपल (अर्ध-कीमती पत्थर) और इसकी सूक्ष्म संरचना की छवि, जिसमें सिलिकॉन डाइऑक्साइड के करीब-पैक वाले गोले शामिल हैं। 13

फोटोनिक क्रिस्टल का वर्गीकरण 1. एक आयामी। जिसमें अपवर्तक सूचकांक समय-समय पर एक स्थानिक दिशा में बदलता रहता है जैसा कि चित्र में दिखाया गया है। इस आंकड़े में, प्रतीक Λ अपवर्तक सूचकांक के परिवर्तन की अवधि को दर्शाता है, और दो सामग्रियों के अपवर्तक सूचकांक (लेकिन सामान्य रूप से किसी भी संख्या में सामग्री मौजूद हो सकती है)। इस तरह के फोटोनिक क्रिस्टल में अलग-अलग अपवर्तक सूचकांकों के साथ एक दूसरे के समानांतर विभिन्न सामग्रियों की परतें होती हैं और परतों के लंबवत एक स्थानिक दिशा में उनके गुण प्रदर्शित कर सकते हैं। चौदह

2. द्वि-आयामी। जिसमें अपवर्तक सूचकांक समय-समय पर दो स्थानिक दिशाओं में बदलता रहता है जैसा कि चित्र में दिखाया गया है। इस चित्र में, n1 के अपवर्तक सूचकांक वाले आयताकार क्षेत्रों द्वारा एक फोटोनिक क्रिस्टल बनाया जाता है, जो n2 के अपवर्तक सूचकांक वाले माध्यम में होते हैं। इस मामले में, अपवर्तक सूचकांक एन 1 वाले क्षेत्रों को द्वि-आयामी घन जाली में आदेश दिया जाता है। इस तरह के फोटोनिक क्रिस्टल अपने गुणों को दो स्थानिक दिशाओं में प्रदर्शित कर सकते हैं, और एक अपवर्तक सूचकांक n1 वाले क्षेत्रों का आकार आयतों तक सीमित नहीं है, जैसा कि चित्र में है, लेकिन कोई भी (वृत्त, दीर्घवृत्त, मनमाना, आदि) हो सकता है। क्रिस्टल जाली जिसमें इन क्षेत्रों का आदेश दिया गया है, वह भी भिन्न हो सकता है, न कि केवल घन, जैसा कि चित्र में है। पंद्रह

3. त्रि-आयामी। जिसमें अपवर्तक सूचकांक समय-समय पर तीन स्थानिक दिशाओं में बदलता रहता है। इस तरह के फोटोनिक क्रिस्टल अपने गुणों को तीन स्थानिक दिशाओं में प्रदर्शित कर सकते हैं, और उन्हें त्रि-आयामी क्रिस्टल जाली में आदेशित वॉल्यूमेट्रिक क्षेत्रों (गोले, क्यूब्स, आदि) की एक सरणी के रूप में प्रदर्शित किया जा सकता है। 16

फोटोनिक क्रिस्टल के अनुप्रयोग पहला आवेदन वर्णक्रमीय चैनल पृथक्करण है। कई मामलों में, एक नहीं, बल्कि कई प्रकाश संकेत एक ऑप्टिकल फाइबर के साथ यात्रा करते हैं। उन्हें कभी-कभी क्रमबद्ध करने की आवश्यकता होती है - प्रत्येक को एक अलग रास्ते पर भेजने के लिए। उदाहरण के लिए - एक ऑप्टिकल टेलीफोन केबल, जिसके माध्यम से एक ही समय में विभिन्न तरंग दैर्ध्य पर कई वार्तालाप होते हैं। एक फोटोनिक क्रिस्टल धारा से वांछित तरंग दैर्ध्य "नक्काशी" के लिए एक आदर्श उपकरण है और इसे जहां आवश्यक हो वहां निर्देशित करता है। दूसरा प्रकाश प्रवाह के लिए एक क्रॉस है। ऐसा उपकरण, जो प्रकाश चैनलों को शारीरिक रूप से पार करने पर आपसी प्रभाव से बचाता है, एक हल्का कंप्यूटर और हल्का कंप्यूटर चिप्स बनाते समय नितांत आवश्यक है। 17

दूरसंचार में फोटोनिक क्रिस्टल पहले विकास की शुरुआत के इतने साल नहीं हुए हैं, क्योंकि यह निवेशकों के लिए स्पष्ट हो गया है कि फोटोनिक क्रिस्टल मौलिक रूप से नए प्रकार की ऑप्टिकल सामग्री हैं और उनका भविष्य उज्ज्वल है। वाणिज्यिक अनुप्रयोग के स्तर तक ऑप्टिकल रेंज के फोटोनिक क्रिस्टल के विकास का उत्पादन, सबसे अधिक संभावना दूरसंचार के क्षेत्र में होगा। अठारह

एफसी प्लस प्राप्त करने के लिए लिथोग्राफिक और होलोग्राफिक विधियों के फायदे और नुकसान: गठित संरचना की उच्च गुणवत्ता। तेजी से उत्पादन की गति बड़े पैमाने पर उत्पादन में आसानी नुकसान महंगे उपकरण की आवश्यकता किनारे की तीक्ष्णता की संभावित गिरावट सेटअप बनाने में कठिनाई 22

तल पर एक क्लोज-अप 10 एनएम के क्रम की शेष खुरदरापन दिखाता है। होलोग्राफिक लिथोग्राफी द्वारा बनाए गए हमारे SU-8 टेम्प्लेट पर वही खुरदरापन दिखाई देता है। यह स्पष्ट रूप से दर्शाता है कि यह खुरदरापन निर्माण प्रक्रिया से संबंधित नहीं है, बल्कि फोटोरेसिस्ट के अंतिम संकल्प से संबंधित है। 24

दूरसंचार मोड में 1.5 माइक्रोन और 1.3 माइक्रोन से मौलिक पीबीजी तरंग दैर्ध्य को स्थानांतरित करने के लिए, छड़ के विमान में 1 माइक्रोन या उससे कम के क्रम की दूरी होना आवश्यक है। गढ़े हुए नमूनों में एक समस्या है: छड़ें एक-दूसरे के संपर्क में आने लगती हैं, जिससे अंश का अवांछनीय बड़ा भरना होता है। समाधान: छड़ के व्यास को कम करना, इसलिए अंश को भरना, ऑक्सीजन प्लाज्मा में नक़्क़ाशी करके 26

एक पीसी के ऑप्टिकल गुण माध्यम की आवधिकता के कारण, एक फोटोनिक क्रिस्टल के अंदर विकिरण का प्रसार आवधिक क्षमता की क्रिया के तहत एक साधारण क्रिस्टल के अंदर एक इलेक्ट्रॉन के संचलन के समान हो जाता है। कुछ शर्तों के तहत, एक पीसी की बैंड संरचना में अंतराल बनते हैं, इसी तरह प्राकृतिक क्रिस्टल में निषिद्ध इलेक्ट्रॉनिक बैंड होते हैं। 27

एक सिलिकॉन डाइऑक्साइड सब्सट्रेट पर स्क्वायर-नेस्ट तरीके से लगाए गए लंबवत ढांकता हुआ छड़ की आवधिक संरचना बनाकर एक द्वि-आयामी आवधिक फोटोनिक क्रिस्टल प्राप्त किया जाता है। एक फोटोनिक क्रिस्टल में "दोष" रखकर, वेवगाइड्स बनाना संभव है, जो किसी भी कोण पर मुड़ा हुआ है, एक बैंडगैप के साथ 100% संचरण द्वि-आयामी फोटोनिक संरचनाएं देता है 28

ध्रुवीकरण-संवेदनशील फोटोनिक बैंड गैप के साथ एक संरचना प्राप्त करने के लिए एक नई विधि अन्य ऑप्टिकल और ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के साथ फोटोनिक बैंड गैप की संरचना के संयोजन के लिए एक दृष्टिकोण का विकास शॉर्ट और लॉन्ग-वेव बैंड सीमाओं का अवलोकन। अनुभव लक्ष्य है: 29

फोटोनिक बैंड गैप (PBG) संरचना के गुणों को निर्धारित करने वाले मुख्य कारक अपवर्तक कंट्रास्ट, जाली में उच्च और निम्न सामग्री सूचकांकों का अनुपात और जाली तत्वों की व्यवस्था है। उपयोग किए गए वेवगाइड के विन्यास की तुलना सेमीकंडक्टर लेजर से की जा सकती है। सरणी बहुत छोटी है (व्यास में 100 एनएम) छेद वेवगाइड के मूल पर उकेरे गए थे, जिससे एक हेक्सागोनल झंझरी 30 बनती है

Fig.2a जालक और ब्रिलौइन क्षेत्र का रेखाचित्र क्षैतिज निविड संकुलित जालक में सममिति की दिशाओं को दर्शाता है। बी, सी 19-एनएम फोटोनिक झंझरी पर संचरण विशेषताओं का मापन। सममित दिशाओं के साथ 31 ब्रिलौइन जोन

Fig.4 टीएम ध्रुवीकरण के लिए के बिंदु के पास बैंड 1 (ए) और बैंड 2 (बी) के अनुरूप यात्रा तरंगों के प्रोफाइल के विद्युत क्षेत्र की तस्वीरें। ए में, क्षेत्र में विमान तरंग के रूप में वाईजेड विमान के बारे में एक ही परावर्तक समरूपता है, इसलिए इसे आने वाली विमान लहर के साथ आसानी से बातचीत करनी चाहिए। इसके विपरीत, बी में क्षेत्र असममित है, जो इस बातचीत को होने की अनुमति नहीं देता है। 33

निष्कर्ष: सेमीकंडक्टर लेज़रों में उत्सर्जन के सीधे नियंत्रण के लिए पीबीजी संरचनाओं का उपयोग दर्पण और तत्वों के रूप में किया जा सकता है। वेवगाइड ज्यामिति में पीबीजी अवधारणाओं का प्रदर्शन बहुत कॉम्पैक्ट ऑप्टिकल तत्वों की प्राप्ति की अनुमति देगा। गैर-रेखीय प्रभावों का उपयोग करना संभव होगा 34

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।

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