Kas yra fotoninis kristalas. Fotoninių kristalų gamybos būdai
Ilja Poliščiukas, fizinių ir matematikos mokslų daktaras, Maskvos fizikos ir technologijos instituto profesorius, Nacionalinio tyrimų centro „Kurchatovo institutas“ vadovaujantis mokslo darbuotojas
Mikroelektronikos panaudojimas informacijos apdorojimo ir ryšių sistemose iš esmės pakeitė pasaulį. Neabejotina, kad fotoninių kristalų ir jais paremtų prietaisų fizikos mokslinių tyrimų bumo pasekmės savo svarba prilygs integruotos mikroelektronikos kūrimui prieš daugiau nei pusę amžiaus. Naujo tipo medžiagos leis sukurti optines mikroschemas pagal puslaidininkių elektronikos elementų „vaizdą ir panašumą“, o savo ruožtu bus rasti iš esmės nauji informacijos perdavimo, saugojimo ir apdorojimo metodai, kurie šiandien kuriami ant fotoninių kristalų. pritaikymas ateities puslaidininkių elektronikoje. Nenuostabu, kad ši tyrimų sritis yra viena karščiausių didžiausiuose pasaulio mokslo centruose, aukštųjų technologijų įmonėse ir karinio-pramoninio komplekso įmonėse. Rusija, žinoma, nėra išimtis. Be to, fotoniniai kristalai yra veiksmingo tarptautinio bendradarbiavimo objektas. Kaip pavyzdį galime paminėti daugiau nei dešimties metų bendradarbiavimą tarp Rusijos Kintech Lab LLC ir gerai žinomos Amerikos bendrovės „General Electric“.
Fotoninių kristalų istorija
Istoriškai fotonų sklaidos ant trimačių gardelių teorija pradėjo intensyviai vystytis nuo bangos ilgio srities ~ 0,01-1 nm, kuri yra rentgeno spindulių diapazone, kur fotoninio kristalo mazgai yra patys atomai. 1986 m. Eli Yablonovich iš Kalifornijos universiteto Los Andžele pasiūlė sukurti trimatę dielektrinę struktūrą, panašią į paprastus kristalus, kuriose negalėtų sklisti tam tikros spektrinės juostos elektromagnetinės bangos. Tokios struktūros vadinamos fotoninėmis juostos struktūromis arba fotoniniais kristalais. Po 5 metų toks fotoninis kristalas buvo pagamintas išgręžiant milimetrines skyles aukšto lūžio rodiklio medžiagoje. Toks dirbtinis kristalas, vėliau vadinamas jablonovitu, neperdavė milimetrinės bangos spinduliuotės ir realiai realizavo fotoninę struktūrą su juostos tarpu (beje, fazinės antenos matricos taip pat gali būti priskirtos tai pačiai fizinių objektų klasei).
Fotoninės struktūros, kuriose elektromagnetinių (ypač optinių) bangų sklidimas tam tikroje dažnių juostoje viena, dviem ar trimis kryptimis yra draudžiamas, gali būti naudojamos kuriant optinius integruotus įtaisus šioms bangoms valdyti. Šiuo metu fotoninių struktūrų ideologija remiasi ne slenkstinių puslaidininkinių lazerių, retųjų žemių jonų pagrindu veikiančių lazerių, didelio Q rezonatorių, optinių bangolaidžių, spektrinių filtrų ir poliarizatorių kūrimu. Šiuo metu fotoninių kristalų tyrimai atliekami daugiau nei dviejose dešimtyse šalių, įskaitant Rusiją, o publikacijų šioje srityje skaičius, taip pat simpoziumų ir mokslinių konferencijų bei mokyklų skaičius auga eksponentiškai.
Norint suprasti fotoniniame kristale vykstančius procesus, jį galima palyginti su puslaidininkiniu kristalu, o fotonų sklidimą judant krūvininkų – elektronų ir skylių. Pavyzdžiui, idealiame silicyje atomai išsidėstę į deimantą panašioje kristalinėje struktūroje, o pagal kietosios būsenos juostos teoriją įkrauti nešikliai, sklindantys per kristalą, sąveikauja su periodiniu atomo branduolių lauko potencialu. Tai yra leistinų ir draudžiamų juostų susidarymo priežastis – kvantinė mechanika draudžia egzistuoti elektronams, kurių energija atitinka energijos diapazoną, vadinamą juostos tarpu. Panašiai kaip ir įprasti kristalai, fotoniniai kristalai turi labai simetrišką vieneto ląstelių struktūrą. Be to, jei paprasto kristalo struktūrą lemia atomų padėtis kristalinėje gardelėje, tai fotoninio kristalo struktūrą lemia periodinis terpės dielektrinės konstantos erdvinis moduliavimas (moduliacijos skalė yra panaši į sąveikaujančios spinduliuotės bangos ilgis).
Fotoniniai laidininkai, izoliatoriai, puslaidininkiai ir superlaidininkai
Tęsiant analogiją, fotoninius kristalus galima suskirstyti į laidininkus, izoliatorius, puslaidininkius ir superlaidininkus.
Fotoniniai laidininkai turi plačias leistinas juostas. Tai skaidrūs kūnai, kuriuose šviesa sklinda ilgą atstumą praktiškai nesugerdama. Kita fotoninių kristalų klasė – fotoniniai izoliatoriai – turi plačius juostų tarpus. Šią sąlygą tenkina, pavyzdžiui, plataus diapazono daugiasluoksniai dielektriniai veidrodžiai. Skirtingai nuo įprastų nepermatomų terpių, kuriose šviesa greitai suyra į šilumą, fotoniniai izoliatoriai nesugeria šviesos. Kalbant apie fotoninius puslaidininkius, jie turi siauresnius juostos tarpus, palyginti su izoliatoriais.
Fotoninių kristalų pagrindu pagaminti bangolaidžiai naudojami fotoninei tekstilei gaminti (nuotraukoje). Tokia tekstilė ką tik pasirodė, o net jos taikymo sritis dar nėra iki galo suvokta. Iš jo galite pasidaryti, pavyzdžiui, interaktyvius drabužius arba pasigaminti minkštą ekraną
Nuotrauka: emt-photoniccrystal.blogspot.com
Nepaisant to, kad fotoninių juostų ir fotoninių kristalų idėja optikoje įsitvirtino tik per pastaruosius kelerius metus, struktūrų su sluoksniuotu lūžio rodiklio pokyčiu savybės fizikai jau seniai žinomos. Vienas iš pirmųjų praktiškai svarbių tokių konstrukcijų pritaikymo būdų buvo unikalių optinių charakteristikų dangų, naudojamų sukurti labai efektyvius spektrinius filtrus ir sumažinti nepageidaujamus optinių elementų atspindžius (tokia optika vadinama padengta), ir dielektrinių veidrodžių, kurių atspindžio koeficientas artimas 100, gamyba. %. Kaip kitą gerai žinomą 1D fotoninių struktūrų pavyzdį galima paminėti puslaidininkinius lazerius su paskirstytu grįžtamuoju ryšiu, taip pat optinius bangolaidžius su periodine išilgine fizikinių parametrų (profilio arba lūžio rodiklio) moduliacija.
Kalbant apie paprastus kristalus, gamta mums juos dovanoja labai dosniai. Fotoniniai kristalai gamtoje yra retenybė. Todėl, jei norime išnaudoti unikalias fotoninių kristalų savybes, esame priversti kurti įvairius jų auginimo būdus.
Kaip užauginti fotoninį kristalą
Trimačio fotoninio kristalo sukūrimas matomų bangų ilgių diapazone per pastaruosius dešimt metų buvo vienas iš svarbiausių medžiagų mokslo prioritetų, dėl kurių dauguma tyrinėtojų sutelkė dėmesį į du iš esmės skirtingus požiūrius. Viename iš jų naudojamas sėklos šablono metodas (šablonas) – šablono metodas. Šis metodas sukuria prielaidas susintetintų nanosistemų savaiminiam organizavimui. Antrasis metodas yra nanolitografija.
Tarp pirmosios grupės metodų labiausiai paplitę yra tie, kurie naudoja monodispersines koloidines sferas kaip šablonus kuriant kietas medžiagas su periodine porų sistema. Šie metodai leidžia gauti fotoninius kristalus, kurių pagrindą sudaro metalai, nemetalai, oksidai, puslaidininkiai, polimerai ir kt. Pirmajame etape panašaus dydžio koloidinės sferos yra tolygiai „supakuotos“ į trimačius (kartais dvimačius) karkasus, kurie vėliau veikia kaip šablonai kaip natūralaus opalo analogas. Antrame etape šablono struktūros tuštumos impregnuojamos skysčiu, kuris vėliau, veikiant įvairiems fiziniams ir cheminiams poveikiams, virsta kietu rėmu. Kiti šablono tuštumų užpildymo medžiaga metodai yra elektrocheminiai metodai arba CVD (cheminis nusodinimas iš garų) metodas.
Paskutiniame etape šablonas (koloidinės sferos) pašalinamas naudojant, priklausomai nuo jo pobūdžio, tirpimo arba terminio skilimo procesus. Gautos struktūros dažnai vadinamos atvirkštinėmis originalių koloidinių kristalų kopijomis arba „atvirkštiniais opalais“.
Praktiniam naudojimui fotoninio kristalo be defektų sritys neturėtų viršyti 1000 µm2. Todėl kvarco ir polimero sferinių dalelių sutvarkymo problema yra viena iš svarbiausių kuriant fotoninius kristalus.
Antroje metodų grupėje vieno fotono fotolitografija ir dviejų fotonų fotolitografija leidžia sukurti trimačius fotoninius kristalus, kurių skiriamoji geba yra 200 nm, ir panaudoti kai kurių medžiagų, tokių kaip polimerai, savybes, kurios yra jautrios vieno ir dviejų fotonų apšvitinimas ir šios spinduliuotės įtakoje gali pakeisti jų savybes. Elektronų pluošto litografija yra brangi, bet labai tiksli dvimačių fotoninių kristalų gamybos technika. Taikant šį metodą, fotorezistas, kuris keičia savo savybes veikiant elektronų pluoštui, yra apšvitinamas pluoštu tam tikrose vietose, kad susidarytų erdvinė kaukė. Po apšvitinimo dalis fotorezisto nuplaunama, o likusi dalis naudojama kaip ėsdinimo kaukė tolesniame technologiniame cikle. Didžiausia šio metodo skiriamoji geba yra 10 nm. Jonų pluošto litografija iš esmės panaši, tik vietoj elektronų pluošto naudojamas jonų pluoštas. Jonų pluošto litografijos pranašumai, palyginti su elektronų pluošto litografija, yra tai, kad fotorezistas yra jautresnis jonų pluoštui nei elektronų pluoštas ir nėra „artumo efekto“, kuris riboja mažiausią įmanomą ploto dydį elektronų pluošto litografijoje.
Paminėsime ir kai kuriuos kitus fotoninių kristalų auginimo būdus. Tai apima savaiminio fotoninių kristalų susidarymo metodus, ėsdinimo metodus ir holografinius metodus.
Fotonų ateitis
Prognozės yra tiek pavojingos, kiek viliojančios. Tačiau prognozės apie fotoninių kristalų prietaisų ateitį yra labai optimistinės. Fotoninių kristalų panaudojimo sritis praktiškai neišsemiama. Šiuo metu pasaulinėje rinkoje jau pasirodė (arba artimiausiu metu pasirodys) prietaisai ar medžiagos, naudojantys unikalias fotoninių kristalų savybes. Tai lazeriai su fotoniniais kristalais (žemo slenksčio ir neslenksčio lazeriai); bangolaidžiai fotoninių kristalų pagrindu (jie yra kompaktiškesni ir turi mažesnius nuostolius, palyginti su įprastiniais pluoštais); medžiagos, turinčios neigiamą lūžio rodiklį, leidžiančios sufokusuoti šviesą į mažesnį nei bangos ilgį tašką; fizikų svajonė – superprizmės; optinės atminties ir loginiai įrenginiai; ekranai, pagrįsti fotoniniais kristalais. Fotoniniai kristalai taip pat atliks manipuliavimą spalvomis. Jau buvo sukurtas lankstomas didelio formato ekranas ant fotoninių kristalų, turinčių didelį spektrinį diapazoną – nuo infraraudonosios spinduliuotės iki ultravioletinės spinduliuotės, kuriame kiekvienas pikselis yra fotoninis kristalas – griežtai apibrėžtu būdu erdvėje išsidėsčiusių silicio mikrosferų masyvas. Sukuriami fotoniniai superlaidininkai. Tokie superlaidininkai gali būti naudojami kuriant optinius temperatūros jutiklius, kurie savo ruožtu veiks aukštu dažniu ir yra suderinami su fotoniniais izoliatoriais ir puslaidininkiais.
Žmogus tik planuoja technologinį fotoninių kristalų panaudojimą, o jūrų pelė (Aphrodite aculeata) jau seniai juos taiko praktikoje. Šio kirmėlio kailis turi tokį ryškų vaivorykštės reiškinį, kad jis gali selektyviai atspindėti šviesą, kurio efektyvumas yra artimas 100% visame matomoje spektro srityje - nuo raudonos iki žalios ir mėlynos. Toks specializuotas „borto“ optinis kompiuteris padeda šiam kirminui išgyventi iki 500 m gylyje.Tikrai galima teigti, kad žmogaus intelektas naudosis unikaliomis fotoninių kristalų savybėmis.
Fotoniniai kristalai (PC) yra struktūros, kurioms būdingas periodiškas skvarbos erdvėje pokytis. Kompiuterių optinės savybės labai skiriasi nuo nuolatinių laikmenų optinių savybių. Spinduliuotės sklidimas fotoninio kristalo viduje dėl terpės periodiškumo tampa panašus į elektrono judėjimą įprasto kristalo viduje, veikiant periodiniam potencialui. Dėl to fotoninių kristalų elektromagnetinės bangos turi juostų spektrą ir priklausomybę nuo koordinačių, panašius į paprastų kristalų elektronų Blocho bangas. Tam tikromis sąlygomis kompiuterio juostų struktūroje susidaro tarpai, panašiai kaip draudžiamos elektroninės juostos natūraliuose kristaluose. Priklausomai nuo konkrečių savybių (elementų medžiagos, jų dydžio ir gardelės periodo), PC spektras gali sudaryti ir visiškai uždraustas dažnio zonas, kurioms spinduliuotės sklidimas neįmanomas nepriklausomai nuo jos poliarizacijos ir krypties, ir iš dalies uždraustas ( sustojimo zonos), kuriose gali plisti tik pasirinktomis kryptimis.
Fotoniniai kristalai yra įdomūs tiek iš esmės, tiek daugeliu atvejų. Remiantis fotoniniais kristalais, optiniais filtrais, bangolaidžiais (ypač šviesolaidinio ryšio linijose), kuriami ir tobulinami įrenginiai, leidžiantys valdyti šiluminę spinduliuotę, buvo pasiūlytos lazerinės konstrukcijos su žemesniu siurblio slenksčiu, pagrįstos fotoniniais kristalais.
Be to, kad keičiasi atspindžio, perdavimo ir sugerties spektrai, metalo dielektriniai fotoniniai kristalai turi specifinį fotoninių būsenų tankį. Pasikeitęs būsenų tankis gali reikšmingai paveikti fotoninio kristalo viduje esančio atomo ar molekulės sužadintos būsenos trukmę ir atitinkamai pakeisti liuminescencijos pobūdį. Pavyzdžiui, jei perėjimo dažnis indikatoriaus molekulėje, esančioje fotoniniame kristale, patenka į juostos tarpą, tada liuminescencija tokiu dažniu bus slopinama.
FC skirstomi į tris tipus: vienmačius, dvimačius ir trimačius.
Vienos, dviejų ir trijų dimensijų fotoniniai kristalai. Skirtingos spalvos atitinka medžiagas su skirtingomis dielektrinėmis konstantomis.
Vienmatis yra kompiuteriai su kintamaisiais sluoksniais, pagaminti iš skirtingų medžiagų.
Vienmačio kompiuterio elektroninis vaizdas, naudojamas lazeryje kaip Bragg daugiasluoksnis veidrodis.
Dvimatės FK gali turėti įvairesnių geometrijų. Tai apima, pavyzdžiui, begalinio ilgio cilindrų matricas (jų skersinis dydis yra daug mažesnis nei išilginis) arba periodines cilindrinių skylių sistemas.
Elektroniniai vaizdai, dvimatis į priekį ir atgal FK su trikampe grotele.
Trimačių kompiuterių struktūros yra labai įvairios. Labiausiai paplitę šioje kategorijoje yra dirbtiniai opalai – sutvarkytos sferinių difuzorių sistemos. Yra du pagrindiniai opalų tipai: tiesūs ir atvirkštiniai (atvirkštiniai) opalai. Perėjimas nuo tiesioginio opalo prie atvirkštinio opalo atliekamas visus sferinius elementus pakeičiant ertmėmis (dažniausiai oru), o tarpas tarp šių ertmių užpildomas tam tikra medžiaga.
Žemiau yra kompiuterio paviršius, kuris yra tiesus opalas su kubinėmis grotelėmis, kurių pagrindą sudaro savaime organizuotos sferinės polistireno mikrodalelės.
Kompiuterio vidinis paviršius su kubinėmis grotelėmis, pagrįsta savaime susiorganizavusiomis sferinėmis polistireno mikrodalelėmis.
Kita struktūra yra atvirkštinis opalas, susintetintas kelių etapų cheminio proceso metu: polimero sferinių dalelių savaiminis surinkimas, susidariusios medžiagos tuštumų impregnavimas medžiaga ir polimerinės matricos pašalinimas cheminiu ėsdinimo būdu.
Kvarcinio atvirkštinio opalo paviršius. Nuotrauka buvo gauta naudojant skenuojančią elektroninę mikroskopiją.
Kitas trimačių FC tipas yra „medienos krūvos“ tipo konstrukcijos (rąstų poliai), sudarytos iš stačiakampių gretasienių, susikertančių, kaip taisyklė, stačiu kampu.
Elektroninė kompiuterio nuotrauka iš metalinių gretasienių.
Gamybos metodai
FC naudojimą praktiškai riboja universalių ir paprastų jų gamybos metodų trūkumas. Mūsų laikais buvo įgyvendinti keli FK kūrimo būdai. Toliau aprašomi du pagrindiniai metodai.
Pirmasis iš jų yra vadinamasis saviorganizacijos arba savęs surinkimo metodas. Savarankiškai surenkant fotoninį kristalą, naudojamos koloidinės dalelės (dažniausiai yra monodispersinės silicio arba polistireno dalelės), kurios yra skystyje ir, skysčiui išgaruojant, nusėda tūryje. Kai jie „nusėda“ vienas ant kito, jie sudaro trimatį kompiuterį ir, priklausomai nuo sąlygų, suskirstomi į kubinę veidą arba šešiakampę kristalinę gardelę. Šis metodas yra gana lėtas, FC susidarymas gali užtrukti kelias savaites. Be to, jo trūkumai apima blogai kontroliuojamą nusodinimo proceso defektų procentą.
Viena iš savaiminio surinkimo metodo atmainų yra vadinamasis korio metodas. Šis metodas apima skysčio, kuriame yra dalelės, filtravimą per mažas poras ir leidžia susidaryti FC greičiu, kurį lemia skysčio tekėjimo per šias poras greitis. Palyginti su įprastu nusodinimo metodu, šis metodas yra daug greitesnis, tačiau jo naudojimo defektų procentas yra didesnis.
Apibūdintų metodų pranašumai apima tai, kad jie leidžia formuoti didelių dydžių kompiuterių pavyzdžius (kurių plotas iki kelių kvadratinių centimetrų).
Antras populiariausias FC gamybos būdas yra ėsdinimo metodas. 2D kompiuteriams gaminti paprastai naudojami įvairūs ėsdinimo metodai. Šie metodai yra pagrįsti fotorezisto kauke (kuri apibrėžia, pavyzdžiui, pusrutulių masyvą), suformuotą ant dielektriko arba metalo paviršiaus ir apibrėžiančią išgraviruotos srities geometriją. Šią kaukę galima gauti naudojant standartinį fotolitografijos metodą, po kurio tiesiogiai cheminis ėsdinimas mėginio paviršiuje su fotorezistu. Šiuo atveju atitinkamai tose vietose, kur yra fotorezistas, išgraviruojamas fotorezisto paviršius, o vietose, kuriose nėra fotorezisto, išgraviruojamas dielektrikas arba metalas. Procesas tęsiamas tol, kol pasiekiamas norimas ėsdinimo gylis, po to fotorezistas nuplaunamas.
Šio metodo trūkumas yra fotolitografijos proceso naudojimas, kurio geriausia erdvinė skiriamoji geba nustatoma pagal Rayleigh kriterijų. Todėl šis metodas tinka sukurti kompiuteriui su juostos tarpu, kuris, kaip taisyklė, yra artimoje infraraudonųjų spindulių spektro srityje. Dažniausiai norimai raiškai pasiekti naudojamas fotolitografijos derinys su elektronų pluošto litografija. Šis metodas yra brangus, bet labai tikslus beveik dvimačių kompiuterių gamybos metodas. Taikant šį metodą, fotorezistas, kuris keičia savo savybes veikiant elektronų pluoštui, yra apšvitinamas tam tikrose vietose, kad susidarytų erdvinė kaukė. Po apšvitinimo dalis fotorezisto nuplaunama, o likusi dalis naudojama kaip ėsdinimo kaukė tolesniame technologiniame cikle. Didžiausia šio metodo skiriamoji geba yra apie 10 nm.
Elektrodinamikos ir kvantinės mechanikos paralelės
Bet koks Maksvelo lygčių sprendimas tiesinės terpės atveju ir nesant laisvųjų krūvių bei srovės šaltinių gali būti pavaizduotas kaip harmoninių laike funkcijų superpozicija su sudėtingomis amplitudėmis, priklausomai nuo dažnio: , kur yra arba , arba .
Kadangi laukai yra realūs, tada , ir gali būti parašyti kaip funkcijų, harmoningų laike su teigiamu dažniu, superpozicija: ,
Atsižvelgdami į harmonines funkcijas, galime pereiti prie Maksvelo lygčių dažnio formos, kurioje nėra laiko išvestinių: ,
kur šiose lygtyse dalyvaujančių laukų priklausomybė nuo laiko pavaizduota kaip , . Darome prielaidą, kad terpės yra izotropinės, o magnetinis pralaidumas yra .
Aiškiai išreiškę lauką, paėmę garbaną iš abiejų lygčių pusių ir antrąją lygtį pakeitę pirmąja, gauname:
kur yra šviesos greitis vakuume.
Kitaip tariant, turime savosios reikšmės problemą:
operatoriui
kur priklausomybę lemia nagrinėjama struktūra.
Gauto operatoriaus savosios funkcijos (režimai) turi tenkinti sąlygą
Įsikūręs kaip
Šiuo atveju sąlyga įvykdoma automatiškai, nes rotoriaus nuokrypis visada yra lygus nuliui.
Operatorius yra tiesinis, o tai reiškia, kad bet koks linijinis savosios reikšmės uždavinio sprendimų derinys su tuo pačiu dažniu taip pat bus sprendimas. Galima parodyti, kad tuo atveju šis operatorius yra hermitiškas, t.y., bet kokioms vektorinėms funkcijoms
kur taško sandauga apibrėžiama kaip
Kadangi operatorius yra hermitiškas, tai reiškia, kad jo savosios reikšmės yra tikros. Taip pat galima parodyti, kad esant 0" align="absmiddle">, savosios reikšmės yra neneigiamos, taigi ir dažniai yra realūs.
Skirtingus dažnius atitinkančių savųjų funkcijų skaliarinė sandauga visada lygi nuliui. Esant vienodiems dažniams, nebūtinai taip yra, bet visada galima dirbti tik su viena kitai stačiomis tiesinėmis tokių savųjų funkcijų kombinacijomis. Be to, visada galima sudaryti pagrindą iš abipusiai ortogonalių hermito operatoriaus savųjų funkcijų.
Jei, priešingai, lauką išreiškiame terminais , gauname apibendrintą savosios reikšmės problemą:
kurioje operatoriai jau yra abiejose lygties pusėse (šiuo atveju, padalijus operatoriumi kairėje lygties pusėje, ji tampa neermitiška). Kai kuriais atvejais ši formuluotė yra patogesnė.
Atkreipkite dėmesį, kad pakeitus lygtį savosiomis reikšmėmis, dažnis atitiks naują sprendimą. Šis faktas vadinamas mastelio keitimu ir turi didelę praktinę reikšmę. Gaminti fotoninius kristalus, kurių matmenys yra mikronų dydžio, yra techniškai sudėtinga. Tačiau testavimo tikslais galima padaryti fotoninio kristalo modelį su periodu ir centimetro dydžio elementu, kuris veiktų centimetro režimu (šiuo atveju reikėtų naudoti medžiagas, kurios turėtų maždaug toks pat pralaidumas centimetrų dažnių diapazone kaip ir imituojamos medžiagos).
Nubrėžkime aukščiau aprašytos teorijos analogiją su kvantine mechanika. Kvantinėje mechanikoje laikoma skaliarinės bangos funkcija, kuri įgauna sudėtingas reikšmes. Elektrodinamikoje tai yra vektorius, o kompleksinė priklausomybė įvedama tik dėl patogumo. Visų pirma, šio fakto pasekmė yra ta, kad fotoninių kristalų fotonų juostos struktūros skirsis skirtingos poliarizacijos bangoms, priešingai nei elektronų juostos struktūros.
Tiek kvantinėje mechanikoje, tiek elektrodinamikoje problema išspręsta dėl Hermito operatoriaus savųjų verčių. Kvantinėje mechanikoje Hermito operatoriai atitinka stebimus.
Ir galiausiai, kvantinėje mechanikoje, jei operatorius pavaizduotas kaip suma , savosios reikšmės lygties sprendimas gali būti parašytas kaip , tai yra, uždavinys yra padalintas į tris vienmačius. Elektrodinamikoje tai neįmanoma, nes operatorius „susieja“ visas tris koordinates, net jei jos yra atskirtos. Dėl šios priežasties tik labai ribotas skaičius elektrodinamikos problemų turi analitinius sprendimus. Visų pirma, tikslūs analitiniai kompiuterio juostos spektro sprendimai daugiausia randami vienmačiams asmeniniams kompiuteriams. Štai kodėl skaitmeninis modeliavimas vaidina svarbų vaidmenį apskaičiuojant fotoninių kristalų savybes.
Juostos struktūra
Fotoniniam kristalui būdingas funkcijos periodiškumas:
Savavališkas vertimo vektorius, pavaizduotas kaip
kur yra primityvūs vertimo vektoriai ir sveikieji skaičiai.
Pagal Blocho teoremą operatoriaus savąsias funkcijas galima pasirinkti taip, kad jos būtų plokštumos bangos formos, padaugintos iš funkcijos, kurios periodiškumas toks pat kaip ir FK:
kur yra periodinė funkcija. Tokiu atveju vertes galima pasirinkti taip, kad jos priklausytų pirmajai Brillouin zonai.
Pakeitę šią išraišką į suformuluotą savosios reikšmės uždavinį, gauname savosios reikšmės lygtį
Savosios funkcijos turi būti periodinės ir atitikti sąlygą .
Galima parodyti, kad kiekviena vektoriaus reikšmė atitinka begalinį režimų rinkinį su diskrečiu dažnių rinkiniu, kurį sunumeruosime didėjančia tvarka su indeksu. Kadangi operatorius nuolat priklauso nuo , dažnis esant fiksuotam indeksui taip pat nuolat priklauso. Ištisinių funkcijų rinkinys sudaro FK juostos struktūrą. Fotoninio kristalo juostos struktūros tyrimas leidžia gauti informacijos apie jo optines savybes. Bet kokios papildomos simetrijos buvimas FK leidžia apsiriboti tam tikru Brillouin zonos subdomeniu, kuris vadinamas neredukuojamu. Šiai neredukuojamai zonai priklausantys sprendimai atkuria visos Brillouin zonos sprendimus.
Kairėje: 2D fotoninis kristalas, sudarytas iš cilindrų, supakuotų į kvadratinę gardelę. Dešinėje: pirmoji Brillouin zona, atitinkanti kvadratinę gardelę. Mėlynas trikampis atitinka nesumažinamą Brillouin zoną. G, M ir X- didelės simetrijos taškai kvadratinei gardelei.
Dažnio intervalai, neatitinkantys jokių realių bangų vektoriaus verčių režimų, vadinami juostos tarpais. Tokių zonų plotis didėja didėjant pralaidumo kontrastui PC (fotoninio kristalo sudedamųjų elementų pralaidumo santykiui). Jeigu tokio fotoninio kristalo viduje sukuriama draudžiamos juostos ribos dažnio spinduliuotė, ji negali jame sklisti (atitinka kompleksinę bangos vektoriaus reikšmę). Tokios bangos amplitudė kristalo viduje eksponentiškai mažės (išnykstanti banga). Viena iš fotoninio kristalo savybių yra pagrįsta tuo: galimybe kontroliuoti spontanišką emisiją (ypač jos slopinimą). Jei tokia spinduliuotė patenka į kompiuterį iš išorės, ji visiškai atsispindi nuo fotoninio kristalo. Šis efektas yra pagrindas naudoti kompiuterį atspindintiems filtrams, taip pat rezonatoriams ir bangolaidžiams su labai atspindinčiomis sienelėmis.
Paprastai žemo dažnio režimai daugiausia koncentruojami sluoksniuose su didele dielektrine konstanta, o aukšto dažnio režimai dažniausiai koncentruojami sluoksniuose, kurių dielektrinė konstanta yra mažesnė. Todėl pirmoji zona dažnai vadinama dielektrine zona, o po jos esanti – oro zona.
Vienmačio kompiuterio juostos struktūra, atitinkanti bangos sklidimą statmenai sluoksniams. Visais trimis atvejais kiekvieno sluoksnio storis yra 0,5 a, kur a- FC laikotarpis. Kairėn: kiekvienas sluoksnis turi tą patį skvarbą ε
= 13. Centras: kintamų sluoksnių skvarbumas turi vertes ε
= 12 ir ε
= 13. Dešinėje: ε
= 1 ir ε
= 13.
Kompiuterio, kurio matmenys mažesni nei trys, nėra visiškų juostų tarpų visomis kryptimis, o tai yra vienos ar dviejų krypčių, kuriomis kompiuteris yra vienalytis, pasekmė. Intuityviai tai galima paaiškinti tuo, kad banga nepatiria daugybinių atspindžių šiomis kryptimis, o tai reikalinga juostų tarpams susidaryti.
Nepaisant to, galima sukurti vienmačius asmeninius kompiuterius, kurie bet kokiu kampu atspindėtų į kompiuterį krentančias bangas.
Vienmačio kompiuterio juostos struktūra su tašku a, kuriame besikeičiančių sluoksnių storiai yra 0,2 a ir 0,8 a, ir jų leistinumas - ε
= 13 ir ε
= 1, atitinkamai. Kairioji paveikslo dalis atitinka bangos sklidimo kryptį statmenai sluoksniams (0, 0, k z), o dešinysis - kryptimi išilgai sluoksnių (0, k y , 0). Juostos tarpas egzistuoja tik sluoksniams statmenai krypčiai. Atkreipkite dėmesį, kad kai k y > 0, degeneracija pašalinama esant dviem skirtingoms poliarizacijai.
Kompiuterio su opaline geometrija juostos struktūra pateikta žemiau. Galima pastebėti, kad šio kompiuterio bendras juostos tarpas, kai bangos ilgis yra apie 1,5 µm, ir viena sustojimo juosta, o atspindžio maksimumas yra 2,5 µm bangos ilgio. Keičiant silicio matricos ėsdinimo laiką viename iš atvirkštinio opalo gamybos etapų ir taip keičiant sferų skersmenį, juostos tarpą galima lokalizuoti tam tikrame bangos ilgio diapazone. Autoriai pažymi, kad panašių charakteristikų struktūra gali būti naudojama telekomunikacijų technologijose. Spinduliuotė juostos tarpo dažniu gali būti lokalizuota kompiuterio tūrio viduje, o suteikus reikiamą kanalą gali sklisti praktiškai be nuostolių. Tokį kanalą galima suformuoti, pavyzdžiui, išilgai tam tikros linijos pašalinant fotoninius kristalų elementus. Kai kanalas yra sulenktas, elektromagnetinė banga taip pat keis kryptį, kartodama kanalo formą. Taigi toks kompiuteris turėtų būti naudojamas kaip perdavimo įrenginys tarp skleidžiančio įrenginio ir optinės mikroschemos, kuri apdoroja signalą.
Eksperimentiniu būdu išmatuoto atspindžio spektro GL kryptimi palyginimas su juostos struktūra, apskaičiuota plokštumos bangos plėtimosi metodu atvirkštinio silicio (Si) opalui su į veidą orientuota kubine gardele (įdėkle pavaizduota pirmoji Brillouin zona). Silicio tūrinė dalis yra 22%. Grotelių laikotarpis 1,23 µm
Vienmačių kompiuterių atveju net mažiausio pralaidumo kontrasto pakanka, kad susidarytų juostos tarpas. Atrodytų, kad trimačiams dielektriniams asmeniniams kompiuteriams galima padaryti panašią išvadą: daryti prielaidą, kad esant bet kokiam nedideliam dielektrinio pralaidumo kontrastui yra visiškas juostos tarpas, jei ties Brillouin zonos riba vektorius turi vienodi moduliai visomis kryptimis (tai atitinka sferinę Brillouin zoną). Tačiau trimačių kristalų su sferine Brillouin zona gamtoje nėra. Paprastai jis turi gana sudėtingą daugiakampę formą. Taigi paaiškėja, kad juostos tarpai skirtingomis kryptimis egzistuoja skirtingais dažniais. Tik jei dielektrinis kontrastas yra pakankamai didelis, stabdymo juostos skirtingomis kryptimis gali persidengti ir sudaryti visišką juostos tarpą visomis kryptimis. Arčiausiai sferinės (taigi labiausiai nepriklausoma nuo Blocho vektoriaus krypties) yra pirmoji į veidą orientuotų kubinių (fcc) ir deimantinių gardelių Brillouino zona, todėl tokios struktūros 3D kompiuteriai labiausiai tinka bendram juostos tarpui formuoti. spektras. Tuo pačiu metu, kad tokių kompiuterių spektruose atsirastų bendri juostų tarpai, reikalingas didelis dielektrinės konstantos kontrastas. Jei santykinį plyšio plotį žymėsime kaip , tai norint pasiekti 5\%" align="absmiddle"> reikšmes, reikia atitinkamai kontrastuoti deimantines ir fcc groteles. , turint omenyje, kad visi kompiuteriai, gauti eksperimentai nėra idealūs, o konstrukcijos defektai gali žymiai sumažinti juostos tarpą.
Pirmoji Brilouino zona kubinėje į veidą orientuotos grotelės ir didelės simetrijos taškai.
Apibendrinant, dar kartą pažymime asmeninių kompiuterių optinių savybių panašumą su elektronų savybėmis kvantinėje mechanikoje, kai atsižvelgiama į kietojo kūno juostos struktūrą. Tačiau yra didelis skirtumas tarp fotonų ir elektronų: elektronai tarpusavyje stipriai sąveikauja. Todėl „elektroninėms“ problemoms, kaip taisyklė, reikia atsižvelgti į daugelio elektronų efektus, kurie labai padidina problemos matmenį, o tai dažnai verčia naudoti nepakankamai tikslius aproksimacijas, o asmeniniame kompiuteryje, sudarytame iš elementų, kurių netiesinė reikšmė yra nereikšminga. optinio atsako, šio sunkumo nėra.
Perspektyvi šiuolaikinės optikos sritis yra spinduliuotės valdymas fotoninių kristalų pagalba. Visų pirma, Sandia laboratorijoje buvo tiriami rąstų polių kompiuteriai, siekiant pasiekti aukštą metalo fotoninių kristalų emisijos selektyvumą artimojo infraraudonųjų spindulių diapazone, kartu su stipriu spinduliuotės slopinimu vidutiniame IR diapazone (<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.
Pagal Kirchhoffo dėsnį dėl spinduliuotės šiluminėje pusiausvyroje, pilko kūno (arba paviršiaus) spinduliuotė yra proporcinga jo sugerčiai. Todėl norint gauti informacijos apie metalinių kompiuterių spinduliavimo gebą, galima ištirti jų sugerties spektrus. Norint pasiekti aukštą skleidžiančios struktūros selektyvumą matomame diapazone (nm), kuriame yra PC, reikia pasirinkti tokias sąlygas, kuriomis absorbcija matomame diapazone būtų didelė, o IR slopinama.
Savo darbuose http išsamiai išanalizavome fotoninio kristalo, turinčio volframo elementus, ir opalo geometrijos sugerties spektro pokytį, pasikeitus visiems jo geometriniams parametrams: gardelės periodui, volframo elementų dydžiui ir skaičiui. sluoksnių kompiuterio pavyzdyje. Taip pat atlikta kompiuterio gamybos metu atsiradusių defektų įtakos sugerties spektrui analizė.
Nano dydžio struktūrų ir fotoninių kristalų fotonikos idėja gimė analizuojant galimybę sukurti optinės juostos struktūrą. Daryta prielaida, kad optinės juostos struktūroje, kaip ir puslaidininkių juostų struktūroje, turėtų egzistuoti leistinos ir uždraustos būsenos skirtingos energijos fotonams. Teoriškai buvo pasiūlytas terpės modelis, kuriame kaip periodinis gardelės potencialas buvo naudojami periodiniai terpės skvarbumo arba lūžio rodiklio pokyčiai. Taigi „fotoniniame kristale“ buvo įvesta „fotoninės juostos tarpo“ sąvoka.
Fotoninis kristalas yra supergardelė, kurioje dirbtinai sukurtas laukas, o jo periodas yra eilėmis didesnis nei pagrindinės gardelės periodas. Fotoninis kristalas yra pusiau skaidrus dielektrikas, turintis tam tikrą periodinę struktūrą ir unikalias optines savybes.
Periodinė struktūra susidaro iš mažiausių skylučių, kurios periodiškai keičia dielektrinę konstantą r. Šių skylių skersmuo yra toks, kad pro jas prasiskverbia griežtai apibrėžto ilgio šviesos bangos. Visos kitos bangos sugeriamos arba atsispindi.
Susidaro fotoninės juostos, kuriose šviesos sklidimo fazinis greitis priklauso nuo e.Kristale šviesa sklinda koherentiškai ir atsiranda draudžiami dažniai, priklausomai nuo sklidimo krypties. Braggo difrakcija fotoniniams kristalams vyksta optinių bangų ilgių diapazone.
Tokie kristalai vadinami fotoninėmis juostos medžiagomis (PBG). Kvantinės elektronikos požiūriu Einšteino stimuliuojamos emisijos dėsnis negalioja tokioje aktyvioje terpėje. Pagal šį dėsnį indukuotos emisijos ir sugerties koeficientai yra vienodi, o sužadinimo suma N 2 ir nesusijaudinęs
atomai JV yra A, + N. = N. Tada arba 50 proc.
Fotoniniuose kristaluose galima 100% populiacijos inversija. Tai leidžia sumažinti siurblio galią ir sumažinti nereikalingą kristalo kaitinimą.
Jei kristalą veikia garso bangos, tai gali keistis šviesos bangos ilgis ir kristalui būdinga šviesos bangos judėjimo kryptis. Išskirtinė fotoninių kristalų savybė yra atspindžio koeficiento proporcingumas Ršviesa ilgosios bangos ilgio spektro dalyje iki jos dažnio kvadrato co 2, o ne kaip Rayleigh sklaida R~ nuo 4 . Optinio spektro trumpųjų bangų komponentas apibūdinamas geometrinės optikos dėsniais.
Pramoniniame fotoninių kristalų kūrime būtina rasti trimačių supergardelių kūrimo technologiją. Tai labai sudėtinga užduotis, nes standartiniai replikacijos metodai, naudojant litografijos metodus, yra nepriimtini kuriant 3D nanostruktūras.
Tyrėjų dėmesį patraukė taurusis opalas (2.23 pav.). Ar tai mineralas Si() 2? P 1.0 hidroksido poklasis. Natūraliuose opaluose rutuliukų tuštumos užpildytos silicio dioksidu ir molekuliniu vandeniu. Nanoelektronikos požiūriu opalai yra glaudžiai supakuotos (daugiausia pagal kubinį dėsnį) silicio dioksido nanosferos (globulės). Paprastai nanosferų skersmuo yra 200–600 nm. Silicio dioksido rutuliukų pakuotė sudaro trimatę gardelę. Tokiose supergardelėse yra 140–400 nm dydžio struktūrinių tuštumų, kurias galima užpildyti puslaidininkinėmis, optiškai aktyviomis ir magnetinėmis medžiagomis. Opalą primenančioje struktūroje galima sukurti trimatę gardelę su nanoskalės struktūra. Optinės opalinės matricos struktūra gali būti naudojama kaip 3E fotoninis kristalas.
Sukurta oksiduoto makroporingo silicio technologija. Remiantis šiuo technologiniu procesu, buvo sukurtos trimatės silicio dioksido kaiščių formos struktūros (2.24 pav.).
Šiose struktūrose buvo aptikti fotoninių juostų tarpai. Juostos tarpo parametrus galima keisti litografinių procesų stadijoje arba užpildant kaiščio struktūrą kitomis medžiagomis.
Fotoninių kristalų pagrindu buvo sukurti įvairių konstrukcijų lazeriai. Kita optinių elementų klasė, pagrįsta fotoniniais kristalais, yra fotoninių kristalų pluoštai(FKV). Jie turi
Ryžiai. 2.23. Sintetinio opalo struktūra a) ir natūralūs opalai (b)"
" Šaltinis: Gudilinas E. A.[ir kt.]. Nano pasaulio turtai. Foto rašinys iš materijos gelmių; red. Yu. D. Tretjakova. M.: BINOM. Žinių laboratorija, 2010 m.
Ryžiai. 2.24.
juostos tarpas tam tikrame bangos ilgio diapazone. Skirtingai nuo įprastų optinių skaidulų, fotoninės juostos skaidulos turi galimybę perkelti nulinės dispersijos bangos ilgį į matomą spektro sritį. Šiuo atveju pateikiamos sąlygos solitoniniams matomos šviesos sklidimo režimams.
Keičiant oro vamzdelių dydį ir atitinkamai šerdies dydį, galima padidinti šviesos spinduliuotės galios koncentraciją, netiesines skaidulų savybes. Keičiant pluošto ir apvalkalo geometriją, galima gauti optimalų stipraus netiesiškumo ir mažos dispersijos derinį norimame bangos ilgio diapazone.
Ant pav. 2.25 pateikiami FCF. Jie skirstomi į du tipus. Pirmasis tipas vadinamas FKV su ištisine šviesą nukreipiančia šerdimi. Struktūriškai toks pluoštas yra pagamintas iš kvarcinio stiklo šerdies fotoninio kristalo apvalkale. Tokių skaidulų bangines savybes užtikrina tiek viso vidinio atspindžio efektas, tiek fotoninio kristalo juostos savybės. Todėl žemos eilės režimai tokiose skaidulose sklinda plačiame spektro diapazone. Aukštos eilės režimai perkeliami į apvalkalą ir ten suyra. Šiuo atveju nulinės eilės režimų kristalo bangolaidžio savybes lemia viso vidinio atspindžio poveikis. Fotoninio kristalo juostos struktūra pasireiškia tik netiesiogiai.
Antrojo tipo FKV turi tuščiavidurę šviesą nukreipiančią šerdį. Šviesa gali sklisti tiek per pluošto šerdį, tiek per apvalkalą. Pagrinde
Ryžiai. 2.25.
a - sekcija su ištisine šviesą nukreipiančia šerdimi;
6 - sekcija su tuščiaviduriu šviesą vedančiu gyvenamuoju plotu, lūžio rodiklis yra mažesnis už vidutinį apvalkalo lūžio rodiklį. Tai leidžia žymiai padidinti pernešamos spinduliuotės galią. Šiuo metu yra sukurti pluoštai, kurių bangos ilgio nuostoliai yra 0,58 dB / km X= 1,55 µm, o tai artima standartinio vienmodio pluošto nuostoliams (0,2 dB/km).
Be kitų fotoninių kristalų pluoštų pranašumų, atkreipiame dėmesį į šiuos dalykus:
- vieno režimo režimas visiems apskaičiuotiems bangos ilgiams;
- platus pagrindinių mados dėmių keitimo asortimentas;
- pastovi ir didelė dispersijos koeficiento reikšmė 1,3-1,5 μm bangos ilgiams ir nulinė dispersija bangų ilgiams matomame spektre;
- valdomos poliarizacijos reikšmės, grupės greičio dispersijos, perdavimo spektras.
Skaidulos su fotoniniu kristalų apvalkalu plačiai naudojamos optikos, lazerių fizikos ir ypač telekomunikacijų sistemų problemoms spręsti. Pastaruoju metu susidomėjimą sulaukia įvairūs fotoniniuose kristaluose kylantys rezonansai. Poliaritoniniai efektai fotoniniuose kristaluose vyksta elektronų ir fotonų rezonansų sąveikos metu. Kuriant metalo-dielektrines nanostruktūras, kurių periodas daug mažesnis už optinės bangos ilgį, galima realizuoti situaciją, kurioje sąlygos r
Labai reikšmingas fotonikos plėtros produktas yra telekomunikacinės šviesolaidinės sistemos. Jų veikimas pagrįstas informacinio signalo elektrooptinio konvertavimo, moduliuoto optinio signalo perdavimo į šviesolaidinį šviesos kreiptuvą ir atvirkštinės optoelektroninės konversijos procesais.
Per pastarąjį dešimtmetį mikroelektronikos raida sulėtėjo, nes standartinių puslaidininkinių įtaisų greičio ribos jau praktiškai pasiektos. Vis daugiau tyrimų skiriama puslaidininkinei elektronikai alternatyvių sričių plėtrai – tai spintronika, mikroelektronika su superlaidžiais elementais, fotonika ir kai kurios kitos.
Naujas informacijos perdavimo ir apdorojimo principas naudojant šviesos signalą, o ne elektrinį signalą, gali paspartinti naujo informacijos amžiaus etapo pradžią.
Nuo paprastų kristalų iki fotoninių
Ateities elektroninių prietaisų pagrindas gali būti fotoniniai kristalai – tai sintetinės sutvarkytos medžiagos, kurių dielektrinė konstanta periodiškai keičiasi konstrukcijos viduje. Tradicinio puslaidininkio kristalinėje gardelėje atomų išsidėstymo dėsningumas, periodiškumas lemia vadinamosios juostos energijos struktūros susidarymą – su leistinomis ir draudžiamomis zonomis. Elektronas, kurio energija patenka į leistiną juostą, gali judėti per kristalą, o elektronas, kurio energija yra juostos tarpelyje, yra „užrakintas“.
Pagal analogiją su paprastu kristalu kilo fotoninio kristalo idėja. Jame laidumo periodiškumas sukelia fotoninių zonų atsiradimą, ypač draudžiamą zoną, kurioje slopinamas tam tikro bangos ilgio šviesos sklidimas. Tai yra, būdami skaidrūs plačiam elektromagnetinės spinduliuotės spektrui, fotoniniai kristalai nepraleidžia šviesos pasirinktu bangos ilgiu (lygiu dvigubam struktūros periodui išilgai optinio kelio).
Fotoniniai kristalai gali būti skirtingų matmenų. Vienmačiai (1D) kristalai yra daugiasluoksnė struktūra, susidedanti iš kintamų sluoksnių su skirtingais lūžio rodikliais. Dvimačiai fotoniniai kristalai (2D) gali būti pavaizduoti kaip periodinė strypų struktūra su skirtingu pralaidumu. Pirmieji sintetiniai fotoninių kristalų prototipai buvo trimačiai ir buvo sukurti 1990-ųjų pradžioje tyrimų centro darbuotojų. „Bell Labs“.(JAV). Norėdami gauti periodinę gardelę dielektrikoje, amerikiečių mokslininkai išgręžė cilindrines skyles taip, kad gautų trimatį tuštumų tinklą. Kad medžiaga taptų fotoniniu kristalu, jo laidumas buvo moduliuojamas 1 centimetro periodu visuose trijuose matmenyse.
Natūralūs fotoninių kristalų analogai yra perlamutrinės kriauklių dangos (1D), jūrinės pelės antenos, daugiašakės kirminas (2D), afrikinio burlaivio drugelio sparnai ir pusbrangiai akmenys, tokie kaip opalas (3D).
Tačiau net ir šiandien, net pasitelkus moderniausius ir brangiausius elektroninės litografijos ir anizotropinio jonų ėsdinimo metodus, sunku pagaminti be defektų trimačius fotoninius kristalus, kurių storis didesnis nei 10 struktūrinių elementų.
Fotoniniai kristalai turėtų būti plačiai pritaikyti fotoninėse integruotose technologijose, kurios ateityje pakeis elektrines integrines grandines kompiuteriuose. Kai informacija perduodama naudojant fotonus, o ne elektronus, smarkiai sumažės energijos suvartojimas, padidės laikrodžio dažniai ir informacijos perdavimo spartos.
Titano oksido fotoninis kristalas
Titano oksidas TiO 2 pasižymi unikaliomis savybėmis, tokiomis kaip didelis lūžio rodiklis, cheminis stabilumas ir mažas toksiškumas, todėl tai yra pati perspektyviausia medžiaga kuriant vienmačius fotoninius kristalus. Jei svarstysime fotoninius kristalus saulės elementams, tai titano oksidas čia laimi dėl savo puslaidininkinių savybių. Anksčiau buvo įrodytas saulės elementų efektyvumo padidėjimas naudojant puslaidininkinį sluoksnį su periodine fotoninių kristalų struktūra, įskaitant titano oksido fotoninius kristalus.
Tačiau iki šiol titano dioksido pagrindu pagamintų fotoninių kristalų naudojimą riboja atkuriamos ir nebrangios jų kūrimo technologijos trūkumas.
Maskvos valstybinio universiteto Chemijos fakulteto ir Medžiagų mokslų fakulteto nariai Nina Sapoletova, Sergejus Kušniras ir Kirilas Napolskis pagerino vienmačių fotoninių kristalų sintezę, pagrįstą akytomis titano oksido plėvelėmis.
„Voztuvų metalų, įskaitant aliuminį ir titaną, anodavimas (elektrocheminis oksidavimas) yra efektyvus būdas gauti akytas oksido plėveles su nanometro dydžio kanalais“, – paaiškino Kirilas Napolskis, elektrocheminės nanostruktūrizavimo grupės vadovas, chemijos mokslų kandidatas.
Anodavimas paprastai atliekamas dviejų elektrodų elektrocheminėje kameroje. Į elektrolito tirpalą nuleidžiamos dvi metalinės plokštės – katodas ir anodas, įjungiama elektros įtampa. Ant katodo išsiskiria vandenilis, o anode vyksta elektrocheminė metalo oksidacija. Jei elementui taikoma įtampa periodiškai keičiama, ant anodo susidaro porėta plėvelė, kurios akytumas nurodytas storyje.
Efektyvus lūžio rodiklis bus moduliuojamas, jei porų skersmuo periodiškai keičiasi struktūroje. Anksčiau sukurti titano anodavimo metodai neleido gauti medžiagų, turinčių didelį struktūros periodiškumą. Maskvos valstybinio universiteto chemikai sukūrė naują metalo anodavimo metodą su įtampos moduliavimu priklausomai nuo anodavimo krūvio, leidžiantį labai tiksliai sukurti porėtus anodinius metalų oksidus. Naujos technikos galimybes chemikai pademonstravo kaip pavyzdį naudodami vienmačius fotoninius kristalus iš anodinio titano oksido.
Keičiant anodavimo įtampą pagal sinusoidinį dėsnį 40–60 voltų diapazone, mokslininkai gavo anodinio titano oksido nanovamzdelius su pastoviu išoriniu skersmeniu ir periodiškai besikeičiančiu vidiniu skersmeniu (žr. pav.).
„Anksčiau naudoti anodavimo metodai neleido gauti medžiagų su dideliu struktūros periodiškumu. Sukūrėme naują metodiką, kurios pagrindinis komponentas yra savo vietoje(iš karto sintezės metu) anoduojamojo krūvio matavimas, leidžiantis labai tiksliai kontroliuoti skirtingo poringumo sluoksnių storį susidariusioje oksido plėvelėje“, – aiškino vienas iš darbo autorių, chemijos mokslų kandidatas Sergejus Kušniras.
Sukurta technika supaprastins naujų medžiagų, turinčių moduliuotą struktūrą, pagrįstą anodiniais metalų oksidais, kūrimą. „Jei fotoninių kristalų iš anodinio titano oksido panaudojimą saulės elementuose laikysime praktiniu šios technikos pritaikymu, belieka sistemingai tirti tokių fotoninių kristalų struktūrinių parametrų įtaką šviesos konversijos efektyvumui saulės elementuose. būti atliktas“, – patikslino Sergejus Kušniras.
Neįprastos fotoninių kristalų savybės buvo daugybė darbų, o pastaruoju metu ir monografijų. Prisiminkime, kad fotoniniai kristalai yra tokios dirbtinės terpės, kuriose dėl periodinio dielektrinių parametrų (tai reiškia lūžio rodiklio) kitimo sklindančių elektromagnetinių bangų (šviesos) savybės tampa panašios į tikruose kristaluose sklindančių elektronų savybes. Atitinkamai, terminas „fotoninis kristalas“ pabrėžia fotonų ir elektronų panašumą. Fotonų savybių kvantavimas lemia, kad fotoniniame kristale sklindančios elektromagnetinės bangos spektre gali atsirasti draudžiamų juostų, kuriose fotonų būsenų tankis lygus nuliui.
Trimatis fotoninis kristalas su absoliučia juosta pirmą kartą buvo realizuotas elektromagnetinėms bangoms mikrobangų diapazone. Absoliučios juostos tarpo buvimas reiškia, kad elektromagnetinės bangos tam tikroje dažnių juostoje negali sklisti tam tikrame kristale jokia kryptimi, nes fotonų, kurių energija atitinka šią dažnių juostą, būsenos tankis yra lygus nuliui bet kuriame kristalo taške. . Kaip ir tikri kristalai, fotoniniai kristalai gali būti laidininkai, puslaidininkiai, izoliatoriai ir superlaidininkai, atsižvelgiant į juostos tarpo buvimą ir savybes. Jei fotoninio kristalo juostoje yra "defektų", fotono "pagaudymas" "defektu" yra įmanomas, panašiai kaip elektroną ar skylę užfiksuoja atitinkama priemaiša, esanti juostos tarpelyje. puslaidininkio.
Tokios sklindančios bangos, kurių energija yra juostos tarpo viduje, vadinamos defektų režimais.
fotoninių kristalų metamedžiagų refrakcija
Kaip jau minėta, neįprastos fotoninio kristalo savybės pastebimos, kai kristalo vienetinės ląstelės matmenys yra jame sklindančios bangos ilgio eilės tvarka. Akivaizdu, kad idealūs fotoniniai kristalai matomoje šviesos diapazone gali būti pagaminti tik naudojant submikronines technologijas. Šiuolaikinio mokslo ir technologijų lygis leidžia sukurti tokius trimačius kristalus.
Fotoninių kristalų panaudojimo galimybės yra gana įvairios – optiniai skyrikliai, optiniai skyrikliai, jungikliai, tankintuvai ir kt. Praktiniu požiūriu viena iš itin svarbių struktūrų yra fotoniniai-kristaliniai optiniai pluoštai. Pirmiausia jie buvo pagaminti iš stiklo kapiliarų rinkinio, surinktų į tankų pakuotę, kuri vėliau buvo įprastai piešiama. Rezultatas buvo optinis pluoštas, kuriame buvo reguliariai išdėstytos skylės, kurių būdingas dydis yra apie 1 μm. Vėliau buvo gauti įvairių konfigūracijų ir įvairių savybių optiniai fotoniniai-kristaliniai pluoštai (9 pav.).
Radijo inžinerijos ir elektronikos institute bei Rusijos mokslų akademijos Skaidulinės optikos tyrimų centre buvo sukurtas naujas gręžimo metodas fotoniniams-kristaliniams šviesos kreiptuvams sukurti. Pirmiausia storame kvarciniame ruošinyje buvo išgręžtos mechaninės skylės su bet kokia matrica, o tada ruošinys buvo nubraižytas. Dėl to buvo gautas aukštos kokybės fotoninis kristalų pluoštas. Tokiose skaidulose nesunku sukurti įvairių formų ir dydžių defektus, kad juose vienu metu būtų galima sužadinti kelis šviesos režimus, kurių dažniai slypi fotoninio kristalo juostoje. Visų pirma defektai gali būti tuščiavidurio kanalo formos, todėl šviesa sklis ne kvarcu, o oru, o tai gali žymiai sumažinti nuostolius ilgose fotoninių kristalų skaidulų dalyse. Matomos ir infraraudonosios spinduliuotės plitimą fotoninių kristalų pluoštuose lydi įvairūs fizikiniai reiškiniai: Ramano sklaida, harmonikų maišymasis, harmonikų generavimas, kuris galiausiai sukelia superkontinuumo susidarymą.
Ne mažiau įdomūs fizinių efektų ir galimų pritaikymų tyrimo požiūriu yra vienmačiai ir dvimačiai fotoniniai kristalai. Griežtai tariant, šios struktūros nėra fotoniniai kristalai, tačiau jas galima laikyti tokiais, kai elektromagnetinės bangos sklinda tam tikromis kryptimis. Tipiškas vienmatis fotoninis kristalas yra daugiasluoksnė periodinė struktūra, susidedanti iš mažiausiai dviejų medžiagų sluoksnių su labai skirtingais lūžio rodikliais. Jei elektromagnetinė banga sklinda palei normalią, tokioje struktūroje tam tikriems dažniams atsiranda draudžiama juosta. Jei vienas iš struktūros sluoksnių bus pakeistas medžiaga su skirtingu lūžio rodikliu arba pakeistas vieno sluoksnio storis, tai toks sluoksnis bus defektas, galintis užfiksuoti bangą, kurios dažnis yra juostos tarpoje.
Magnetinio defekto sluoksnio buvimas dielektrinėje nemagnetinėje struktūroje sukelia daugkartinį bangos Faradėjaus sukimosi padidėjimą sklindant tokioje struktūroje ir padidina terpės optinį skaidrumą.
Paprastai tariant, magnetinių sluoksnių buvimas fotoniniuose kristaluose gali žymiai pakeisti jų savybes, pirmiausia mikrobangų diapazone. Faktas yra tas, kad mikrobangų diapazone feromagnetų magnetinis pralaidumas tam tikroje dažnių juostoje yra neigiamas, o tai palengvina jų naudojimą kuriant metamedžiagas. Konjuguojant tokias medžiagas su metaliniais nemagnetiniais sluoksniais arba konstrukcijomis, susidedančiomis iš atskirų laidininkų arba periodinių laidininkų struktūrų, galima pagaminti konstrukcijas su neigiamomis magnetinio ir dielektrinio laidumo vertėmis. Pavyzdys – Rusijos mokslų akademijos Radijo inžinerijos ir elektronikos institute sukurtos struktūros, skirtos aptikti „neigiamą“ magnetostatinių sukimosi bangų atspindį ir lūžį. Tokia konstrukcija yra itrio geležies granato plėvelė, kurios paviršiuje yra metaliniai laidininkai. Magnetostatinių sukimosi bangų, sklindančių plonose feromagnetinėse plėvelėse, savybės labai priklauso nuo išorinio magnetinio lauko. Bendruoju atveju vienas iš tokių bangų tipų yra atgalinė banga, todėl bangos vektoriaus ir Poyntingo vektoriaus skaliarinė sandauga šiam bangų tipui yra neigiama.
Atbulinių bangų egzistavimą fotoniniuose kristaluose lemia ir paties kristalo savybių periodiškumas. Visų pirma bangoms, kurių bangų vektoriai yra pirmoje Brillouin zonoje, sklidimo sąlyga gali būti įvykdyta kaip ir tiesioginėms bangoms, o toms pačioms bangoms antroje Brillouin zonoje, kaip ir atgal. Kaip ir metamedžiagos, fotoniniai kristalai taip pat gali turėti neįprastų sklindančių bangų savybių, tokių kaip „neigiama“ refrakcija.
Tačiau fotoniniai kristalai gali būti metamedžiaga, kuriai „neigiamos“ refrakcijos reiškinys galimas ne tik mikrobangų, bet ir optinių dažnių diapazone. Eksperimentai patvirtina, kad fotoniniuose kristaluose egzistuoja „neigiama“ refrakcija bangoms, kurių dažniai yra didesni už pirmosios draudžiamos zonos dažnį šalia Brillouin zonos centro. Taip yra dėl neigiamo grupės greičio poveikio ir dėl to neigiamo bangos lūžio rodiklio. Tiesą sakant, šiame dažnių diapazone bangos tampa atgal.
