Fotoninis kristalas. Fotoninių kristalų elektrochemija nuo paprastų kristalų iki fotoninių kristalų
Fotoninių kristalų gamybos metodų klasifikacija. Fotoniniai kristalai gamtoje yra retenybė. Jie išsiskiria ypatingu vaivorykštės šviesos žaismu – optiniu reiškiniu, vadinamu irizacija (išvertus iš graikų kalbos – vaivorykštė). Šie mineralai yra kalcitas, labradoritas ir opalas SiO 2 × n∙H 2 O su įvairiais intarpais. Garsiausias iš jų yra opalas – pusbrangis mineralas, kuris yra koloidinis kristalas, susidedantis iš monodispersinių sferinių silicio oksido rutuliukų. Iš šviesos žaismo pastarajame atsiranda terminas opalescencija, reiškiantis ypatingą spinduliuotės sklaidos tipą, būdingą tik šiam kristalui.
Pagrindiniai fotoninių kristalų gamybos būdai apima metodus, kuriuos galima suskirstyti į tris grupes:
1. Savaiminio fotoninių kristalų susidarymo metodai. Šioje metodų grupėje naudojamos koloidinės dalelės, tokios kaip monodispersinės silikono ar polistireno dalelės, taip pat kitos medžiagos. Tokios dalelės, garavimo metu būdamos skystuose garuose, nusėda tam tikru tūriu. Kai dalelės nusėda viena ant kitos, jos sudaro trimačius fotoninius kristalus ir yra išdėstyti daugiausia į veidą arba šešiakampę kristalų gardelę. Galimas ir korio metodas, pagrįstas skysčio, kuriame yra dalelės, filtravimu per mažas sporas. Nors korio metodas leidžia suformuoti kristalą gana dideliu greičiu, kurį lemia skysčio tekėjimo per poras greitis, tačiau džiovinant tokiuose kristaluose susidaro defektai. Yra ir kitų būdų, kuriuose naudojamas savaiminis fotoninių kristalų susidarymas, tačiau kiekvienas metodas turi savų privalumų ir trūkumų. Dažniausiai šie metodai naudojami sferinėms koloidinėms silikono dalelėms nusodinti, tačiau gaunamas lūžio rodiklio kontrastas yra palyginti mažas.
2. Objektų ėsdinimo metodai. Šioje metodų grupėje naudojama fotorezisto kaukė, suformuota ant puslaidininkio paviršiaus, kuri apibrėžia ėsdinimo srities geometriją. Naudojant tokią kaukę, išgraviruojant fotorezistu nepadengtą puslaidininkio paviršių susidaro paprasčiausias fotoninis kristalas. Šio metodo trūkumas yra poreikis naudoti fotolitografiją su didele skiriamąja geba dešimčių ir šimtų nanometrų lygiu. Taip pat fokusuotų jonų pluoštai, tokie kaip Ga, naudojami fotoniniams kristalams gaminti ėsdinant. Tokie jonų pluoštai leidžia pašalinti dalį medžiagos nenaudojant fotolitografijos ir papildomo ėsdinimo. Norint padidinti ėsdinimo greitį ir pagerinti jo kokybę, taip pat nusodinti medžiagas išgraviruotų vietų viduje, naudojamas papildomas apdorojimas reikalingomis dujomis.
3. Holografiniai metodai. Tokie metodai yra pagrįsti holografijos principų taikymu. Holografijos pagalba formuojami periodiniai lūžio rodiklio pokyčiai erdvinėmis kryptimis. Norėdami tai padaryti, naudokite dviejų ar daugiau koherentinių bangų trukdžius, kurie sukuria periodinį elektromagnetinės spinduliuotės intensyvumo pasiskirstymą. Vienmačiai fotoniniai kristalai susidaro veikiant dviem bangoms. Dvimačiai ir trimačiai fotoniniai kristalai susidaro veikiant trims ar daugiau bangų.
Konkretaus fotoninių kristalų gamybos būdo pasirinkimą daugiausia lemia aplinkybė, kokio matmens konstrukciją reikia pagaminti – vienmatę, dvimatę ar trimatę.
Vienmatės periodinės struktūros. Paprasčiausias ir labiausiai paplitęs būdas gauti vienmates periodines struktūras yra vakuuminis sluoksnis po sluoksnio polikristalinių plėvelių nusodinimas iš dielektrinių ar puslaidininkinių medžiagų. Šis metodas tapo plačiai paplitęs dėl periodinių struktūrų naudojimo lazerinių veidrodžių ir trukdžių filtrų gamyboje. Tokiose struktūrose naudojant medžiagas, kurių lūžio rodikliai skiriasi maždaug 2 kartus (pavyzdžiui, ZnSe ir Na 3 AlF 6), galima sukurti iki 300 nm pločio spektrinio atspindžio juostas (fotoninių juostų tarpus), apimančias beveik visą matomą spektro sritį.
Puslaidininkinių heterostruktūrų sintezės pažanga pastaraisiais dešimtmečiais leidžia sukurti visiškai vieno kristalo struktūras, periodiškai keičiant lūžio rodiklį išilgai augimo krypties, naudojant molekulinio pluošto epitaksiją arba garų nusodinimą naudojant organinius metalinius junginius. Šiuo metu tokios konstrukcijos yra puslaidininkinių lazerių su vertikaliomis ertmėmis dalis. Didžiausias šiuo metu pasiekiamas medžiagų lūžio rodiklių santykis, matyt, atitinka GaAs/Al 2 O 3 porą ir yra apie 2. Pažymėtina aukštas tokių veidrodžių kristalinės struktūros tobulumas ir jų formavimo tikslumas. sluoksnio storis vieno gardelės periodo lygyje (apie 0,5 nm).
Pastaruoju metu buvo pademonstruota galimybė sukurti periodines vienmates puslaidininkines struktūras naudojant fotolitografinę kaukę ir selektyvų ėsdinimą. Išgraviruojant silicį, galima sukurti struktūras, kurių periodas yra 1 μm ar daugiau, o silicio ir oro lūžio rodiklių santykis artimoje infraraudonųjų spindulių srityje yra 3,4, o tai yra precedento neturinti vertė, nepasiekiama kitais sintezės metodais. . Panašios struktūros pavyzdys, gautas Fizikos-techniniame institute. A. F. Ioffe RAS (Sankt Peterburgas), parodyta fig. 3.96.
Ryžiai. 3.96. Periodinė silicio-oro struktūra, gauta anizotropiniu ėsdinimu naudojant fotolitografinę kaukę (struktūros periodas 8 µm)
Dvimatės periodinės struktūros. Dvimatės periodinės struktūros gali būti pagamintos naudojant selektyvų puslaidininkių, metalų ir dielektrikų ėsdinimą. Dėl plataus šių medžiagų naudojimo mikroelektronikoje siliciui ir aliuminiui buvo sukurta selektyvaus ėsdinimo technologija. Pavyzdžiui, akytasis silicis laikomas perspektyvia optine medžiaga, kuri leis sukurti integruotas optoelektronines sistemas su dideliu integracijos laipsniu. Sujungus pažangias silicio technologijas su kvantinio dydžio efektais ir fotoninių juostų tarpų formavimo principais, buvo sukurta nauja kryptis – silicio fotonika.
Submikroninės litografijos naudojimas kaukėms formuoti leidžia sukurti silicio struktūras, kurių periodas yra 300 nm ar mažesnis. Dėl stiprios matomos spinduliuotės sugerties silicio fotoniniai kristalai gali būti naudojami tik artimosiose ir vidutinėse infraraudonųjų spindulių spektro srityse. ėsdinimo ir oksidacijos derinys iš esmės leidžia pereiti prie periodinių silicio oksido-oro struktūrų, tačiau tuo pat metu mažas lūžio rodiklio santykis (komponentas 1,45) neleidžia susidaryti pilnaverčio juostos tarpo. dviem matmenimis.
Daug žadančios atrodo dvimatės periodinės A 3 B 5 puslaidininkinių junginių struktūros, kurios taip pat gaunamos selektyvaus ėsdinimo būdu naudojant litografines kaukes ar šablonus. A 3 B 5 junginiai yra pagrindinės šiuolaikinės optoelektronikos medžiagos. InP ir GaAs junginiai turi didesnį juostos tarpą nei silicio ir tokias pačias aukštas lūžio rodiklio vertes kaip silicio, lygias atitinkamai 3,55 ir 3,6.
Labai įdomios periodinės struktūros aliuminio oksido pagrindu (3.97a pav.). Jie gaunami elektrocheminiu metalinio aliuminio ėsdinimo būdu, kurio paviršiuje litografijos būdu suformuojama kaukė. Naudojant elektroninius litografinius šablonus, buvo gautos tobulos dvimatės periodinės struktūros, panašios į korius, kurių porų skersmuo mažesnis nei 100 nm. Pažymėtina, kad selektyvus aliuminio ėsdinimas tam tikru ėsdinimo sąlygų deriniu leidžia gauti taisyklingas struktūras net nenaudojant jokių kaukių ar šablonų (3.97b pav.). Šiuo atveju porų skersmuo gali būti vos keli nanometrai, o tai nepasiekiama šiuolaikiniais litografijos metodais. Porų periodiškumas yra susijęs su aliuminio oksidacijos proceso savireguliacija elektrocheminės reakcijos metu. Pradinė laidžioji medžiaga (aliuminis) reakcijos metu oksiduojasi iki Al 2 O 3. Aliuminio oksido plėvelė, kuri yra dielektrikas, sumažina srovę ir sulėtina reakciją. Šių procesų derinys leidžia pasiekti savaime išsilaikantį reakcijos režimą, kuriame nuolatinis ėsdinimas yra įmanomas dėl srovės pratekėjimo per poras, o reakcijos produktas sudaro taisyklingą korio struktūrą. Tam tikras porų nelygumas (3.97b pav.) atsiranda dėl originalios polikristalinės aliuminio plėvelės granuliuotos struktūros.
Ryžiai. 3.97. Dvimatis Al 2 O 3 fotoninis kristalas: a) pagamintas naudojant litografinę kaukę; b) pagamintas oksidacijos proceso savireguliacijos pagalba
Nanoporinio aliuminio oksido optinių savybių tyrimas parodė neįprastai didelį šios medžiagos skaidrumą porų kryptimi. Dėl Frenelio atspindžio nebuvimo, kuris neišvengiamai egzistuoja dviejų nuolatinių terpių sąsajoje, pralaidumo vertės pasiekia 98%. Poroms statmenomis kryptimis stebimas didelis atspindys, kurio atspindžio koeficientas priklauso nuo kritimo kampo.
Santykinai mažos aliuminio oksido skvarbos vertės, priešingai nei silicio, galio arsenido ir indžio fosfido, neleidžia susidaryti pilnaverčio juostos tarpo dviem matmenimis. Tačiau nepaisant to, akytojo aliuminio oksido optinės savybės yra gana įdomios. Pavyzdžiui, jis turi ryškų anizotropinį šviesos sklaidą, taip pat dvigubą laužimą, kuris leidžia jį naudoti poliarizacijos plokštumai pasukti. Taikant įvairius cheminius metodus, galima užpildyti poras įvairiais oksidais, taip pat optiškai aktyviomis medžiagomis, tokiomis kaip netiesinės optinės terpės, organiniai ir neorganiniai liuminoforai, elektroliuminescenciniai junginiai.
Trimatės periodinės struktūros. Trimatės periodinės struktūros yra objektai, kurie turi didžiausių technologinių sunkumų eksperimentiniam įgyvendinimui. Istoriškai pirmuoju būdu sukurti trimatį fotoninį kristalą laikomas E. Yablonovičiaus pasiūlytas metodas, pagrįstas mechaniniu cilindrinių skylių gręžimu medžiagos tūryje. Tokios trimatės periodinės struktūros gamyba yra gana daug pastangų reikalaujanti užduotis, todėl daugelis tyrinėtojų bandė sukurti fotoninį kristalą kitais metodais. Taigi, taikant Lin-Fleming metodą, ant silicio pagrindo uždedamas silicio dioksido sluoksnis, kuriame vėliau susidaro lygiagrečios juostelės, užpildytos polikristaliniu siliciu. Toliau silicio dioksido uždėjimo procesas kartojamas, tačiau juostelės formuojamos statmena kryptimi. Sukūrus reikiamą skaičių sluoksnių silicio oksidas pašalinamas ėsdinant. Dėl to susidaro polisilicio strypų „medienos krūva“ (3.98 pav.). Pažymėtina, kad šiuolaikinių submikroninių elektronų litografijos ir anizotropinių jonų ėsdinimo metodų naudojimas leidžia gauti fotoninius kristalus, kurių storis mažesnis nei 10 struktūrinių elementų.
Ryžiai. 3.98. 3D fotoninė struktūra iš polisilicio strypų
Plačiai paplito matomo diapazono fotoninių kristalų kūrimo metodai, pagrįsti savaime besitvarkančių struktūrų naudojimu. Pati idėja „surinkti“ fotoninius kristalus iš rutuliukų (rutuliukų) yra pasiskolinta iš gamtos. Pavyzdžiui, žinoma, kad natūralūs opalai turi fotoninių kristalų savybių. Pagal savo cheminę sudėtį natūralus mineralinis opalas yra silicio dioksido hidrogelis SiO 2 × H 2 O su kintamu vandens kiekiu: SiO 2 - 65 - 90 masės. %; H 2 O - 4,5-20%; Al 2 O 3 - iki 9%; Fe 2 O 3 - iki 3%; TiO 2 - iki 5%. Naudojant elektroninę mikroskopiją, nustatyta, kad natūralius opalus sudaro glaudžiai supakuotos sferinės α-SiO 2 dalelės, vienodo dydžio, 150–450 nm skersmens. Kiekviena dalelė susideda iš mažesnių rutulinių darinių, kurių skersmuo 5–50 nm. Rutuliukų sandarinimo tuštumos užpildytos amorfiniu silicio oksidu. Išsklaidytos šviesos intensyvumą įtakoja du veiksniai: pirmasis yra „idealus“ tankus rutuliukų paketas, antrasis – amorfinio ir kristalinio oksido SiO 2 lūžio rodiklių skirtumas. Puikūs juodi opalai turi geriausią šviesos žaismą (jiems lūžio rodiklio reikšmių skirtumas yra ~ 0,02).
Rutulinius fotoninius kristalus iš koloidinių dalelių galima sukurti įvairiais būdais: natūralia sedimentacija (disperguotos fazės nusodinimas skystyje ar dujose veikiant gravitaciniam laukui ar išcentrinėms jėgoms), centrifuguojant, filtruojant naudojant membranas, elektroforeze ir kt. Sferinės dalelės veikia kaip koloidinės dalelės polistirenas, polimetilmetakrilatas, silicio dioksido α-SiO 2 dalelės.
Natūralus kritulių metodas yra labai lėtas procesas, reikalaujantis kelių savaičių ar net mėnesių. Centrifugavimas didžiąja dalimi pagreitina koloidinių kristalų susidarymo procesą, tačiau tokiu būdu gautos medžiagos yra mažiau tvarkingos, nes esant dideliam nusodinimo greičiui, dalelių atskyrimas pagal dydį nespėja įvykti. Sedimentacijos procesui paspartinti naudojama elektroforezė: sukuriamas vertikalus elektrinis laukas, kuris „pakeičia“ dalelių gravitaciją priklausomai nuo jų dydžio. Taip pat naudojami metodai, pagrįsti kapiliarinių jėgų panaudojimu. Pagrindinė idėja yra ta, kad, veikiant kapiliarinėms jėgoms, ties menisko riba tarp vertikalaus pagrindo ir suspensijos vyksta kristalizacija, o tirpikliui išgaruojant susidaro smulki tvarkinga struktūra. Papildomai naudojamas vertikalus temperatūros gradientas, kuris leidžia geriau optimizuoti proceso greitį ir sukuriamo kristalo kokybę dėl konvekcinių srovių. Apskritai technikos pasirinkimą lemia gaunamų kristalų kokybės reikalavimai ir laikas, sugaištas jų gamybai.
Sintetinių opalų auginimo natūralios sedimentacijos būdu technologinį procesą galima suskirstyti į kelis etapus. Iš pradžių ruošiama monodispersinė (~5 % skersmens nuokrypis) sferinių silicio oksido rutuliukų suspensija. Vidutinis dalelių skersmuo gali skirtis plačiame diapazone: nuo 200 iki 1000 nm. Labiausiai žinomas monodispersinių koloidinių silicio dioksido mikrodalelių gavimo būdas yra pagrįstas tetraetoksisilano Si(C 2 H 4 OH) 4 hidrolize vandens-alkoholio terpėje, kai katalizatorius yra amonio hidroksidas. Šis metodas gali būti naudojamas norint gauti beveik idealios sferinės formos lygaus paviršiaus daleles su dideliu monodispersiškumo laipsniu (mažiau nei 3% skersmens nuokrypis), taip pat sukurti daleles, kurių dydis yra mažesnis nei 200 nm ir siauras dydžio pasiskirstymas. . Vidinė tokių dalelių struktūra yra fraktalinė: dalelės susideda iš glaudžiai susiglaudusių mažesnių sferų (kelių dešimčių nanometrų skersmens), o kiekvieną tokią sferą sudaro silicio polihidrokso kompleksai, susidedantys iš 10–100 atomų.
Kitas etapas – dalelių nusodinimas (3.99 pav.). Tai gali trukti kelis mėnesius. Baigus nusodinimo etapą, susidaro sandari periodinė struktūra. Tada nuosėdos džiovinamos ir atkaitinamos maždaug 600 ºС temperatūroje. Atkaitinimo metu sferos suminkštėja ir deformuojasi sąlyčio vietose. Dėl to sintetinių opalų poringumas yra mažesnis nei idealios tankios sferinės pakuotės. Statmenai fotoninių kristalų augimo ašies krypčiai, rutuliukai sudaro labai tvarkingus šešiakampius sandarius sluoksnius.
Ryžiai. 3.99. Sintetinių opalų auginimo etapai: a) dalelių nusėdimas;
b) nuosėdų džiovinimas; c) mėginio atkaitinimas
Ant pav. 3.100a parodyta sintetinio opalo mikrografija, gauta skenuojančia elektronine mikroskopija. Sferų matmenys yra 855 nm. Atviras poringumas sintetiniuose opaluose leidžia užpildyti tuštumas įvairiomis medžiagomis. Opalinės matricos yra trimatės tarpusavyje sujungtų nanodydžių porų subgardelės. Porų dydžiai yra šimtai nanometrų, o kanalų, jungiančių poras, dydžiai siekia dešimtis nanometrų. Tokiu būdu gaunami nanokompozitai fotoninių kristalų pagrindu. Pagrindinis reikalavimas, keliamas kuriant aukštos kokybės nanokompozitus, yra nanoporinės erdvės užpildymas. Užpildymas atliekamas įvairiais būdais: įvedimas iš tirpalo lydalo; impregnavimas koncentruotais tirpalais ir po to tirpiklio išgarinimas; elektrocheminiai metodai, cheminis nusodinimas garais ir kt.
Ryžiai. 3.100. Fotoninių kristalų mikrofotografijos: a) iš sintetinio opalo;
b) iš polistireno mikrosferų
Dėl selektyvaus tokių kompozitų ėsdinimo silicio oksido susidaro erdviškai sutvarkytos didelio poringumo nanostruktūros (daugiau nei 74 % tūrio), vadinamos atvirkštiniais arba apverstais opalais. Šis fotoninių kristalų gavimo būdas vadinamas šabloniniu. Kaip tvarkingos monodispersinės koloidinės dalelės, sudarančios fotoninį kristalą, gali veikti ne tik silicio oksido dalelės, bet ir, pavyzdžiui, polimerinės. Fotoninio kristalo, pagrįsto polistireno mikrosferomis, pavyzdys parodytas fig. 3.100b
Buvo įrodyta, kad priklausomai nuo fotodiodų įtraukimo į rezonatorių poliškumo, didėjant apšvietimui, reakcijos dažnis keičiasi aukštyn arba žemyn. Tirtų rezonatorių jautrumui apšvietimo vertei padidinti siūloma panaudoti susietųjų žiedinių rezonatorių sistemą. Parodyta, kad esant fiksuotam atstumui tarp sujungtų rezonatorių, šviesos pagalba vyksta sistemos atsako dažnio padalijimas į lyginį (ryškų) ir nelyginį (tamsų) režimus. Esame įsitikinę, kad siūlomas derinamų žiedinių rezonatorių kūrimo metodas leis sukurti naują šviesa valdomų metamedžiagų klasę.
Šį darbą rėmė Rusijos Federacijos švietimo ministerija (sutartys Nr. 14.V37.21.1176 ir Nr. 14.V37.21.1283), „Dinastijos fondas“, fondas „RFBR“ (projekto Nr. 13-02-00411), ir Rusijos Federacijos prezidento stipendija jauniesiems mokslininkams ir magistrantams 2012 m.
Literatūra
1. Linden S., Enkrich C., Wegener M., Zhou J., Koschny T., Soukoulis C.M. Magnetinis metamedžiagų atsakas esant 100 terahercų // Mokslas. - 2004. - V. 306. - P. 1351-1353.
2. Shelby R., Smith D.R. ir Schultz S. Eksperimentinis neigiamo lūžio rodiklio patikrinimas // Mokslas. - 2001. - V. 292. - P. 77-79.
3. Gansel J.K., Thiel M., Rill M.S., Decker M., Bade K., Saile V., von Freymann G., Linden S., Wegener M. Gold Helix Photonic Metamaterial as Broadband Circular Polarizer // Science. - 2009. - V. 325. - P. 15131515.
4. Belovas P.A., Hao Y. Subbangos ilgio vaizdavimas optiniais dažniais, naudojant perdavimo įrenginį, kurį sudaro periodiškai sluoksniuota metalo-dielektrinė struktūra, veikianti kanalizacijos režimu // Fizinė apžvalga B. - 2006. - V. 73. - P. 113110.
5. Leonhardti U. Optinis konforminis kartografavimas // Mokslas. - 2006. - V. 312. - P. 1777-1780.
6. Kivshar Yu.S., Orlov A.A. Derinamos ir netiesinės metamedžiagos // Informacinių technologijų, mechanikos ir optikos mokslo ir technikos biuletenis. - 2012. - Nr.3 (79). - C. 1-10.
7. Šadrivovas I.V., Morrisonas S.K. ir Kivshar Yu.S. Derinami suskaidytų žiedų rezonatoriai netiesinėms neigiamo indekso metamedžiagoms // Opt. išreikšti. - 2006. - V. 14. - P. 9344-9349.
8. Kapitanova P.V., Maslovski S.I., Šadrivovas I.V., Vorošilovas P.M., Filonovas D.S., Belovas P.A. ir Kivshar Y.S. Padalytų žiedų rezonatorių valdymas šviesa // Applied Physics Letters. - V. 99. - P. 251914 (1-3).
9. Marques R., Martin F. ir Sorolla M. Metamedžiagos su neigiamais parametrais: teorija, dizainas ir mikrobangų taikymas. - NJ: Wiley & Sons, Inc., Hoboken, 2008. - 315 p.
Kapitonova Polina Vyacheslavovna - Sankt Peterburgo nacionalinis tyrimų universitetas
Informacinės technologijos, mechanika ir optika, technikos mokslų kandidatas, mokslo darbuotojas, [apsaugotas el. paštas], [apsaugotas el. paštas]
Belovas Pavelas Aleksandrovičius - Sankt Peterburgo nacionalinis tyrimų universitetas
Informacinės technologijos, mechanika ir optika, fizikos-matematikos mokslų daktaras. Mokslas, vyriausiasis mokslo darbuotojas, [apsaugotas el. paštas]
FOTONINIO KRISTALO JUOSTOS STRUKTŪROS ANALIZĖ SU KELIAIS OPTINIAIS ILGIAIS TERAHERCŲ DIAPAZONU
OI. Denisultanovas, M.K. Chodzitskis
Iš begalinio fotoninio kristalo dispersijos lygties gaunamos formulės, leidžiančios tiksliai apskaičiuoti juostos tarpo ribas, juostos tarpo plotį ir tikslią juostos tarpo centrų padėtį fotoninių kristalų, turinčių kelis optinio sluoksnio ilgius dviejuose sluoksniuose. ląstelė terahercų dažnių diapazonui nuo 0,1 iki 1 THz. Formulės buvo patikrintos atliekant skaitinį fotoninių kristalų modeliavimą perdavimo matricos metodu ir laiko srities baigtinio skirtumo metodu pirmajam, antrajam ir trečiajam optinio ilgio daugiamumui fotoninio kristalo dviejų sluoksnių ląstelėje. Antrojo dauginio formulės patvirtinamos eksperimentiškai. Raktiniai žodžiai: fotoninis kristalas, juostos tarpas, ribiniai dažniai, daugybiniai optiniai ilgiai, perdavimo matrica, metamedžiaga.
Įvadas
Pastaraisiais metais neįprastų savybių turinčių dirbtinių terpių („metamedžiagų“) tyrimai sulaukė gana didelio mokslininkų ir inžinierių rato susidomėjimo, o tai lemia perspektyvus šių laikmenų panaudojimas pramonės ir karinėje pramonėje plėtojant. naujų tipų filtrų, fazių keitiklių, superlęšių, maskuojančių dangų ir kt. .d. . Viena iš metamedžiagų rūšių yra fotoninis kristalas, kuris yra sluoksniuota struktūra su periodiškumu
slidžių keitimo lūžio rodiklis. Fotoniniai kristalai (PC) aktyviai naudojami lazerinėse technologijose, ryšio priemonėse, filtravimuose dėl tokių unikalių savybių kaip juostos struktūros buvimas spektre, superraiška, superprizmės efektas ir kt. . Ypač įdomus yra fotoninių kristalų terahercų (THz) diapazone tyrimas, skirtas naujų tipų medžiagų ir biologinių objektų spektroskopiniams, tomografiniams tyrimams. Tyrėjai jau sukūrė dvimačius ir trimačius asmeninius kompiuterius THz dažnių diapazonui ir ištyrė jų charakteristikas, tačiau, deja, šiuo metu nėra tikslių formulių, kaip apskaičiuoti fotoninio kristalo juostos struktūros charakteristikas, pvz. juostos tarpas, juostos tarpo centras, juostos tarpo ribos. Šio darbo tikslas – gauti formules vienmačio fotoninio kristalo charakteristikoms apskaičiuoti pirmojo, antrojo ir trečiojo optinio ilgio dauginamumui dvisluoksnėje PC elemente ir patikrinti šias formules skaitiniu modeliavimu naudojant perdavimo matricą. metodas ir baigtinio skirtumo metodas laiko srityje, taip pat eksperimentas THz diapazono dažniuose.
Analitinis ir skaitmeninis modeliavimas
Panagrinėkime begalinį fotoninį kristalą su sluoksnių lūžio rodikliais dvisluoksnėje ląstelėje n1 ir n2 ir sluoksnių storiais atitinkamai d1 ir d2. Šią struktūrą sužadina tiesiškai poliarizuota skersinė elektrinė banga (TE banga). Bangos vektorius k nukreiptas statmenai PC sluoksniams (1 pav.). Tokio kompiuterio dispersijos lygtis, gauta naudojant Floquet teoremą ir tangentinio lauko komponentų tęstinumo sąlygą ties sluoksnio riba, yra tokia:
C08 [kv (dx + d2)] = co8 [kg d ^] x co $ [k2 d2] -0,5)
s bt [kg e1] x bt [kg e2
kur q yra Blocho bangos skaičius; k^ =
ar refrakcija; d1, d2 - sluoksnių storiai.
2 l x / x p1
; / - dažnis; pg, p2 - indikatorius
Ryžiai. 1. Nagrinėjama sluoksninė-periodinė struktūra
L. ir L 1! aš x. ] l / l Nulupkite! l"
ir " ir | Г ¡4 1 ! 1) 1 1 N V ir | 1 У " 11
0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6
Dažnis / THz
Ryžiai. 2. Kompleksinio Blocho bangos skaičiaus dažninė dispersija
Kompleksinio Blocho bangos skaičiaus dispersija, gauta naudojant (1) lygtį, parodyta pav. 2. Kaip matyti iš pav. 2, juostos tarpų ribose kosinuso q(d1 + d2) argumentas įgis 0 arba n reikšmes. Todėl pagal šią sąlygą galime apskaičiuoti
nustatyti fotoninio kristalo ribinių dažnių, juostų tarpų ir juostų tarpų centrų reikšmes. Tačiau fotoniniam kristalui, kurio sluoksnių ilgis nėra daug optinių dviejų sluoksnių elemente, šias formules galima gauti tik numanoma forma. Norint gauti aiškias formules, turi būti naudojami keli optiniai ilgiai: nxx = n2e2; pyoh = 2хп2ё2; pyoh = 3xn2ё2... . Darbe buvo nagrinėjamos 1-ojo, 2-ojo ir 3-iojo dauginio formulės.
Pirmojo dauginio (nxx = n2d2) fotoniniam kristalui ribinių dažnių, pločių formulės
juostos tarpas ir juostos centras turi tokią formą:
(/n 1 L (/n "ir 1 L
0,256-1,5. „arcso81---I + 2lt
a/ = /1 -/2; /33 = /+/2-; /pz =
/ 2a; /2 = i(t +1)
0,256-1,5. „, 1H -arsco81 ----- | + 2n(t +1)
kur /1 ir /2 - atitinkamai žemo dažnio ir aukšto dažnio draudžiamos zonos ribos; A/ - juostos tarpas; /33 yra draudžiamos zonos centras; c yra šviesos greitis; / - leidžiamas centras
o n n2 zona 6 = - + -;
Kompiuteriniam kompiuteriui su sluoksnio parametrais nx = 2,9; n2 = 1,445; ex = 540 µm; e2 = 1084 μm antrajam juostos tarpui 0,1-1 THz diapazone, vyksta šie juostos struktūros parametrai: /1 = 0,1332 THz; /2 = 0,1541 THz; A/ = 0,0209 THz; /zz = 0,1437 THz.
Kompiuteriniam kompiuteriui, kurio sluoksnių optiniai ilgiai yra susieti lygybe nxx = 2n2d2, gaunamos šios juostos struktūros parametrų formulės:
4 + v + U v2-4 6 + 3v-4v2 -4
4 + v-V v2 - 4 6 + 3v + ^v2 - 4
2 + į -V į 2 - 4
2yt x s arcbo
B-#^4 2 + c + 4 c2 - 4
V-#^4 2 + v + l/v2 - 4
4 + v-Vv2 -4 6 + 3v + 4v2 - 4
4 + v + UV2 - 4 6 + 3v-4v2 -4
kur (/1 ir /11), (/2 ir /21), (/3 ir /31), (/4 ir /41) – žemo dažnio ir aukšto dažnio ribos draudžiamos
ny zonos su skaičiais (4t + 1), (4t + 2), (4t + 3), (4t + 4); c yra šviesos greitis; P= - + -;
m = 0,1,2,.... Juostos tarpas apskaičiuojamas kaip A/ = /-/x; bandgap centras
, / + /x. d /sz = ^ ; /pz – leistinos zonos centras.
FC su parametrais nx = 2,9; n2 = 1,445; ex = 540 µm; e2 = 541,87 μm antrajam juostos tarpui 0,1–1 THz diapazone, turime
/2 = 0,116 THz; /2x = 0,14 THz; A/ = 0,024 THz; /zz = 0,128 THz.
Fotoniniam kristalui, kurio optiniai ilgiai yra susieti lygybe nxx = 3n2d2, gaunamos šios juostos struktūros parametrų formulės:
1-0,5ß + ^/2,25ß2 -ß-7 3 + 2,5ß-^/ 2,25ß2-ß-7
1 -0,5ß-^2,25ß2 -ß-7 3 + 2,5ß + V 2,25ß2-ß-7
1 -0,5ß-J2,25ß2 -ß-7 3 + 2,5ß + il2,25ß2 - ß - 7
1 - 0,5ß + 72,25ß2 - ß - 7 3 + 2,5ß-sj2,25ß2 -ß-7
kur (/1 ir /11), (/2 ir /2), (/3 ir /) yra žemo ir aukšto dažnio juostų tarpai su
atitinkamai skaičiai (3m+1), (3m+2), (3m+3); c yra šviesos greitis; p = - + -; t = 0,1,2,... Plotis
juostos tarpas apskaičiuojamas kaip D/ = / - /1; juostos tarpo centras /zz =
leistina zona.
Kompiuteriui, kurio parametrai n1 = 2,9; n2 = 1,445; = 540 µm; d2 = 361,24 μm antrajam juostos tarpui 0,1–1 THz diapazone, turime
/2 = 0,1283 THz; = 0,1591 THz; D/ = 0,0308 THz; /zz = 0,1437 THz.
Norint imituoti baigtinio ilgio asmeninį kompiuterį, būtina naudoti perdavimo matricų metodą, leidžiantį apskaičiuoti bangos, einančios per fotoninį kristalą savavališkame 2-ojo sluoksnio taške, elektromagnetinio lauko vertę. Vieno sluoksnio perdavimo matrica yra tokia:
cos(k0 x n x p x sin(k0
: z x cos 0) x n x z x cos 0)
(-i / p) x sin(k0 x n x z x cos 0)
kur k0 = -; p = - cos 0; n = ; z - koordinatė Ozo ašyje; 0 - bangos kritimo kampas pirmame sluoksnyje.
Naudojant perdavimo matricų metodą, matematiniame pakete MATLAB fotoninio kristalo juostos struktūra buvo sukonstruota sluoksnių optiniams ilgiams 1-ojo, 2-ojo ir 3-iojo daugiasluoksnio ląstelėje), THz dažnių diapazone. (jeigu 0=0) su 10 vienetų langelių su aukščiau nurodytais sluoksnio parametrais (3 pav.).
Kaip matyti iš fig. 3, 1-ojo, 2-ojo ir 3-ojo dažnio asmeninių kompiuterių perdavimo spektre yra dažnių juostų tarpai, kurie yra atitinkamai dviejų, trijų ir keturių kartotiniai, palyginti su kompiuterių, kurių optiniai ilgiai nėra keli. sluoksniai vienetinės ląstelės viduje. Visais trimis daugybos atvejais santykinė paklaida apskaičiuojant galutinio kompiuterio juostos struktūros parametrus neviršija 1%, palyginti su begalinio kompiuterio formulėmis (juostos tarpas buvo apskaičiuotas 0,5 pralaidumo lygiu galutinis kompiuteris).
Taip pat vienmačio kompiuterio struktūra buvo apskaičiuota baigtinio skirtumo metodu laiko srityje, naudojant CST Microwave Studio trimačio modeliavimo programinės įrangos paketą (4 pav.). Galima matyti tą patį galutinio kompiuterio juostos struktūros elgesį, kaip ir perdavimo spektruose, gautuose perdavimo matricos metodu. Santykinė paklaida apskaičiuojant baigtinio kompiuterio juostos struktūros parametrus šiame modeliavimo pakete neviršija 3%, palyginti su begalinio kompiuterio formulėmis.
Tszh.M.
pShshShSh) sschm
pxx=3n2ё2 Dažnis / THz
Ryžiai. 3 pav. Fotoninio kristalo juostos struktūra trims dauginiams, optiniai sluoksnių ilgiai dviejų sluoksnių elemente THz dažnių diapazone (skaičiai rodo juostos tarpo skaičių, rodyklės rodo išskleidžiamąjį sąrašą
draudžiamose vietose)
I-e-e t o
pyoh \u003d 2p2ё2 -TAIP / ut1
pxx=3n2ё2 Dažnis, THz
Ryžiai. 4 pav. AK trimatis modelis MA (a) ir AK pralaidumas trims kartotiniams (b)
eksperimentinė dalis
2-ojo dauginio atvejis buvo eksperimentiškai patikrintas nuolatinės THz spektroskopijos metodu 0,1-1 THz diapazone. THz spinduliuotei generuoti buvo naudojamas infraraudonosios spinduliuotės dažnių maišymo ant fotolaidžios (FC) antenos metodas. Antroji FP antena buvo naudojama kaip imtuvas. Tarp siunčiančiojo ir priimančiojo kompiuterio antenų buvo sumontuotas surinktas kompiuteris (5 pav.).
Tiriamas fotoninis kristalas turi tokius parametrus: dvisluoksnių ląstelių skaičius -3; sluoksnių lūžio rodikliai - nx = 2,9 ir n2 = 1,445; sluoksnių storiai - ех = 540 μm ir е2 = 520 μm (е2 yra 21 μm mažiau nei idealaus 2-ojo dauginio atveju). Ant pav. 5 parodytas 4 ir 5 juostų tarpų eksperimentinio ir teorinio spektrų palyginimas. Kaip matyti iš eksperimentinio grafiko, taip pat modeliuojant, stebimas juostos tarpas, kuris yra kartotinis iš trijų, palyginti su kompiuterio juostos struktūra, kai vienetinio elemento viduje esantys sluoksniai yra ne keli optiniai ilgiai. Nedidelis neatitikimas tarp draudžiamų zonų centrų padėties eksperimentinėje ir teorinėje
tic spektras atsiranda dėl eksperimento teflono sluoksnių storio skirtumo nuo idealaus 2-ojo dauginio.
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 dažnis, THz
Eksperimentuokite
Modeliavimas
Ryžiai. 5 pav. Sąrankos nuotrauka, fotoninio kristalo modelio nuotrauka (a) ir eksperimentinio bei teorinio fotoninio kristalo pralaidumo lyginamoji grafika su trimis elementais
ląstelės (b)
Išvada
Taigi, buvo gautos tikslios formulės apskaičiuojant vienmačių fotoninių kristalų, turinčių kelis optinio sluoksnio ilgius, juostos struktūros parametrus (juostos tarpą, juostos tarpo ribas ir juostos tarpo centrą) dviejų sluoksnių vienetinės ląstelės viduje TE bangos atveju. su fotoninių sluoksnių plokštumoms statmenu bangos vektoriumi.kristalas. Įrodyta, kad 1-ojo, 2-ojo ir 3-ojo daugialypumo fotoniniam kristalui išnyksta juostų tarpai, atitinkamai dviejų, trijų, keturių kartotiniai, palyginti su fotoninių kristalų, kurių sluoksnių optiniai ilgiai nėra keli, juostos struktūra. vienetinės ląstelės viduje. 1-ojo, 2-ojo ir 3-iojo dauginio formulės buvo išbandytos naudojant perdavimo matricos metodą ir 3D baigtinių skirtumų skaitinius modeliavimus laiko srityje. 2-ojo daugialypumo atvejis buvo eksperimentiškai patikrintas THz dažnių diapazone nuo 0,1 iki 1 THz. Gautos formulės gali būti naudojamos kuriant plačiajuosčius filtrus fotoninių kristalų pagrindu, skirtus pramoniniams, kariniams ir medicinos tikslams, nereikia modeliuoti fotoninio kristalo juostos struktūros įvairiose matematinėse pakuotėse.
Darbas iš dalies paremtas dotacija Nr. 14.132.21.1421 pagal federalinę tikslinę programą „Inovatyvios Rusijos mokslinis ir mokslinis-pedagoginis personalas“ 2009-2013 m.
Literatūra
1. Vendik I.B., Vendik O.G. Metamedžiagos ir jų taikymas mikrobangų technologijoje (Apžvalga) // Techninės fizikos žurnalas. – Sankt Peterburgo elektrotechnikos universitetas „LETI“. - 2013. - T. 83. - Laida. 1. - S. 3-26.
2. Vozianova A.V., Khodzitsky M.K. Maskuojanti danga spiralinių rezonatorių pagrindu // Informacinių technologijų, mechanikos ir optikos mokslo ir technikos biuletenis. - 2012. - Nr.4 (80). -NUO. 28-34.
3. Terekhov Yu.E., Chodzitsky M.K., Belokopytov G.V. Metaplėvelių terahercų dažnių diapazonui su geometrinių parametrų mastelio keitimu charakteristikos // Informacinių technologijų, mechanikos ir optikos mokslo ir technikos biuletenis. - 2013. - Nr.1 (83). - S. 55-60.
4. Yablonovitch E. Spontaninės emisijos slopinimas kietojo kūno fizikoje ir elektronikoje // Fizinės apžvalgos laiškai. - 1987. - V. 58. - Nr. 20. - P. 2059-2062.
5. Figotin A., Kuchment P. Periodinių dielektrinių ir akustinių terpių spektrų juostos tarpo struktūra. II. Dviejų dimensijų fotoniniai kristalai // SIAM taikomosios matematikos žurnalas. - 1996. - V. 56. - Nr. 6. - P. 1561-1620.
6. Smolyaninovas Igoris I., Davis Christopher C. Didelės skiriamosios gebos optinė mikroskopija, pagrįsta fotoninių kristalų medžiagomis // Fizinė apžvalga B. - 2005. - V. 72. - P. 085442.
7. Kosaka Hideo, Kawashima Takayuki, Tomita Akihisa. Superprizmų reiškiniai fotoniniuose kristaluose // Fizinė apžvalga B. - 1998. - V. 58. - Nr. 16. - P. 10096-10099.
8. Kurt Hamza, Erm Muhammed Necip, Erim Nur. Įvairios fotoninių kristalų biojutiklio konfigūracijos, pagrįstos optinio paviršiaus režimais // Elektros ir elektronikos inžinerijos katedra. - 2012. - V. 165. - Nr. 1. - P. 68-75.
9. Ozbay E., Michel E., Tuttle G., Biswas R., Sigalas M. ir Ho K.M. Mikroapdirbti milimetrinių bangų fotoniniai juostos tarpo kristalai // Appl. Fizik. Lett. - 1994. - V. 64. - Nr. 16. - P. 2059-2061.
10. Jin C., Cheng B., Li Z., Zhang D., Li L.M., Zhang Z.Q. Dviejų dimensijų metalinis fotoninis kristalas THz diapazone // Opt. bendruomenė. - 1999. - V. 166. - Nr. 9. - P. 9-13.
11. Nusinsky Inna ir Hardy Amos A. Vienmačių fotoninių kristalų juostos tarpo analizė ir tarpo uždarymo sąlygos // Fizinė apžvalga B. - 2006. - V. 73. - P. 125104.
12. Bosas F.G., Bulgakovas A.A., Tetervovas A.P. Puslaidininkių su supergardelėmis aukšto dažnio savybės. - M.: Mokslas. Ch. red. Fiz.-matema. lit., 1989. - 288 p.
13. Gimė M., Vilkas E. Optikos pagrindai. - M.: Mokslas. Ch. red. Fiz.-matema. lit., 1973. - 733 p.
14. Gregory I.S., Tribe W.R., Baker C. Nepertraukiamų bangų terahercinė sistema su 60 dB dinaminiu diapazonu // Applied Phisics Letters. - 2005. - V. 86. - P. 204104.
Denisultanovas Alaudi Khozhbaudievich
Chodzickis Michailas Konstantinovičius
Sankt Peterburgo nacionalinis informacinių technologijų, mechanikos ir optikos tyrimų universitetas, studentas, [apsaugotas el. paštas]
Sankt Peterburgo nacionalinis informacinių technologijų, mechanikos ir optikos tyrimų universitetas, fizikos ir matematikos mokslų kandidatas. mokslai, asistentas, [apsaugotas el. paštas]
) — medžiaga, kurios struktūrai būdingas periodiškas lūžio rodiklio pokytis 1, 2 arba 3 erdvinėmis kryptimis.
apibūdinimas
Išskirtinis fotoninių kristalų (PC) bruožas yra erdvinis periodiškas lūžio rodiklio pokytis. Priklausomai nuo erdvinių krypčių, kuriomis periodiškai keičiasi lūžio rodiklis, skaičiaus, fotoniniai kristalai vadinami vienmačiais, dvimačiais ir trimačiais arba sutrumpintai 1D PC, 2D PC ir 3D PC (D – iš angliškos dimensijos). , atitinkamai. Paprastai 2D kompiuterio ir 3D kompiuterio struktūra parodyta fig.
Ryškiausias fotoninių kristalų bruožas yra buvimas 3D asmeniniame kompiuteryje su pakankamai dideliu tam tikrų spektrinių sričių komponentų lūžio rodiklių kontrastu, vadinamu visuminiais fotoninių juostų tarpais (PBG): spinduliuotės su fotonų energija, priklausančia PBG tokiuose kristaluose neįmanoma. Visų pirma, spinduliuotė, kurios spektras priklauso PBG, neprasiskverbia į kompiuterį iš išorės, negali egzistuoti jame ir visiškai atsispindi nuo ribos. Draudimas pažeidžiamas tik esant konstrukciniams defektams arba apribojus kompiuterio dydį. Šiuo atveju tikslingai sukurti tiesiniai defektai yra su mažais lenkimo nuostoliais (iki mikronų kreivio spindulių), taškiniai defektai yra miniatiūriniai rezonatoriai. 3D PC potencialių galimybių praktinis įgyvendinimas remiantis plačiomis šviesos (fotonų) pluoštų charakteristikų valdymo galimybėmis dar tik prasideda. Tai trukdo efektyvių kokybiškų 3D kompiuterių kūrimo metodų, lokalinių nehomogeniškumo, linijinių ir taškinių defektų juose formavimo metodų, taip pat sąsajų su kitais fotoniniais ir elektroniniais įrenginiais metodų trūkumas.
Žymiai didesnė pažanga padaryta praktiškai taikant 2D asmeninius kompiuterius, kurie, kaip taisyklė, naudojami plokštuminių (plėvelių) fotoninių kristalų arba (PCF) pavidalu (išsamiau žr. atitinkamuose straipsniuose).
PCF yra dvimatė struktūra su defektu centrinėje dalyje, pailginta statmena kryptimi. Būdami iš esmės naujo tipo optinių skaidulų, PCF suteikia galimybę perduoti šviesos bangas ir valdyti šviesos signalus, kurie yra neprieinami kitiems tipams.
Vienmačiai kompiuteriai (1D kompiuteriai) yra daugiasluoksnė struktūra, susidedanti iš kintamų sluoksnių su skirtingais lūžio rodikliais. Klasikinėje optikoje, dar gerokai prieš atsirandant terminui „fotoninis kristalas“, buvo gerai žinoma, kad tokiose periodinėse struktūrose šviesos bangų sklidimo pobūdis labai pasikeičia dėl trukdžių ir difrakcijos reiškinių. Pavyzdžiui, daugiasluoksnės atspindinčios dangos jau seniai plačiai naudojamos gaminant veidrodžius ir plėvelinius interferencinius filtrus, o tūrinės Bragg grotelės – kaip spektro selektoriai ir filtrai. Plačiai pradėjus vartoti terminą PC, tokios sluoksniuotos terpės, kuriose lūžio rodiklis periodiškai keičiasi viena kryptimi, pradėtos priskirti vienmačių fotoninių kristalų klasei. Esant statmenai šviesos kritimui, daugiasluoksnių dangų atspindžio koeficiento spektrinė priklausomybė yra vadinamoji „Bragg lentelė“ - tam tikruose bangos ilgiuose atspindžio koeficientas greitai artėja prie vienybės, didėjant sluoksnių skaičiui. Šviesos bangos, patenkančios į spektrinį diapazoną, parodytą fig. b rodyklė, beveik visiškai atsispindi periodinėje struktūroje. Pagal FK terminologiją šis bangų ilgių diapazonas ir atitinkamas fotonų energijų diapazonas (arba energijos juosta) yra draudžiami šviesos bangoms, sklindančioms statmenai sluoksniams.
Asmeninių kompiuterių praktinio pritaikymo galimybės yra didžiulės dėl unikalių fotonų valdymo galimybių ir dar nėra iki galo ištirtos. Neabejotina, kad ateinančiais metais bus pasiūlyta naujų prietaisų ir konstrukcinių elementų, kurie galbūt iš esmės skirsis nuo tų, kurie naudojami ar kuriami šiandien.
Didžiulės asmeninių kompiuterių panaudojimo fotonikoje perspektyvos buvo įgyvendintos paskelbus E. Yablonovich straipsnį, kuriame spontaniškos emisijos spektrui valdyti buvo pasiūlyta naudoti asmeninius kompiuterius su pilnais PBG.
Tarp fotoninių įrenginių, kurių galima tikėtis artimiausioje ateityje, yra šie:
- itin maži žemo slenksčio FK lazeriai;
- itin ryškūs kompiuteriai su kontroliuojamu emisijos spektru;
- subminiatiūriniai FK bangolaidžiai su mikronų lenkimo spinduliu;
- fotoniniai integriniai grandynai su aukštu integracijos laipsniu, pagrįsti plokščiaisiais asmeniniais kompiuteriais;
- Miniatiūriniai FK spektriniai filtrai, įskaitant derinamus;
- FK laisvosios prieigos optinės atminties įrenginiai;
- FK optinio signalo apdorojimo įrenginiai;
- didelės galios lazerinės spinduliuotės, pagrįstos PCF su tuščiaviduriu šerdimi, tiekimo priemonė.
Labiausiai viliojantis, bet ir sunkiausiai įgyvendinamas trimačių kompiuterių pritaikymas yra itin didelių tūrinių integruotų fotoninių ir elektroninių įrenginių kompleksų, skirtų informacijos apdorojimui, sukūrimas.
Kiti galimi 3D fotoninių kristalų panaudojimo būdai yra dirbtinių opalo pagrindu pagamintų papuošalų gamyba.
Fotoniniai kristalai randami ir gamtoje, suteikiantys mus supančiam pasauliui papildomų spalvų atspalvių. Taigi, moliuskų, tokių kaip haliotis, kriauklių perlamutrinė danga turi 1D FC struktūrą, jūrinės pelės antenos ir daugiasluoksnės kirmėlės šereliai yra 2D FC, o natūralūs pusbrangiai opalai ir afrikinės kregždutės sparnai drugeliai (Papilio ulysses) – natūralūs trimačiai fotoniniai kristalai.
Iliustracijos
|
a– dvimačio (viršuje) ir trimačio (apačios) PC struktūra; b yra vienmačio kompiuterio juostos tarpas, sudarytas iš ketvirčio bangos ilgio GaAs/AlxOy sluoksnių (juostos tarpas rodomas rodykle); in yra apverstas nikelis FC, kurį gavo FNM Maskvos valstybinio universiteto darbuotojai. M.V. Lomonosova N.A. Sapolotova, K.S. Napolskis ir A.A. Eliziejus |
2
Įvadas Nuo seniausių laikų žmogų, radusį fotoninį kristalą, jame žavi ypatingas vaivorykštinis šviesos žaismas. Nustatyta, kad įvairių gyvūnų ir vabzdžių žvynų ir plunksnų vaivorykštės perpildymas atsiranda dėl to, kad ant jų yra antstatų, kurie dėl savo atspindinčių savybių gavo fotoninių kristalų pavadinimą. Fotoniniai kristalai gamtoje randami/ant: mineraluose (kalcite, labradorite, opale); ant drugelių sparnų; vabalų kiautai; kai kurių vabzdžių akys; dumbliai; žuvų žvynai; povo plunksnos. 3
Fotoniniai kristalai Tai medžiaga, kurios struktūrai būdingas periodiškas lūžio rodiklio pasikeitimas erdvinėmis kryptimis Fotoniniai kristalai aliuminio oksido pagrindu. M. DEUBEL, G.V. FREYMANN, MARTIN WEGENER, SURESH PEREIRA, KURT BUSCH IR COSTAS M. SOUKOULIS „Tiesioginis lazerinis trimačių fotoninių-kristalinių šablonų rašymas telekomunikacijoms“// Gamtos medžiagos t. 3, P
Šiek tiek istorijos… 1887 m. Rayleigh'as pirmasis ištyrė elektromagnetinių bangų sklidimą periodinėse struktūrose, panašiai kaip vienmačiai fotoniniai kristalai Photonic Crystals – terminas buvo įvestas devintojo dešimtmečio pabaigoje. puslaidininkių optiniam analogui žymėti. Tai dirbtiniai kristalai, pagaminti iš permatomo dielektriko, kuriuose tvarkingai sukuriamos oro „skylės“. 5
Fotoniniai kristalai – pasaulio energetikos ateitis Aukštos temperatūros fotoniniai kristalai gali veikti ne tik kaip energijos šaltinis, bet ir kaip itin aukštos kokybės detektoriai (energijos, cheminiai) bei jutikliai. Masačusetso mokslininkų sukurti fotoniniai kristalai yra volframo ir tantalo pagrindu. Šis junginys gali patenkinamai veikti esant labai aukštai temperatūrai. Iki ˚С. Tam, kad fotoninis kristalas pradėtų konvertuoti vienos rūšies energiją į kitą, patogią naudoti, tiks bet koks šaltinis (šiluma, radijo spinduliuotė, kietoji spinduliuotė, saulės šviesa ir kt.). 6
7
Elektromagnetinių bangų sklaidos dėsnis fotoniniame kristale (išplėstų zonų diagrama). Dešinėje pusėje rodomas ryšys tarp dažnio tam tikrai kristalo krypčiai? ir ReQ (vientisos kreivės) ir ImQ (brūkšninės kreivės sustojimo zonoje omega) reikšmės -
Fotoninio tarpo teorija Tik 1987 m. Eli Yablonovitch iš Bell Communications Research (dabar UCLA profesorius) pristatė elektromagnetinės juostos tarpo sąvoką. Norėdami išplėsti akiratį: Eli Yablonovitch yablonovitch-uc-berkeley paskaita John Pendry paskaita john-pendry-imperial-college/view 9
Gamtoje taip pat aptinkami fotoniniai kristalai: ant afrikinių kregždžių drugių sparnų, moliuskų, tokių kaip galiotis, kriauklių perlamutrinė danga, jūrinės pelės vėgėlės ir daugiašakės kirmėlės šeriai. Opalo apyrankės nuotrauka. Opalas yra natūralus fotoninis kristalas. Jis vadinamas „apgaulingų vilčių akmeniu“ 10
11
Jokio pigmento dangos kaitinimo ir fotocheminio sunaikinimo" title="(!LANG: FA pagrindu pagamintų filtrų pranašumai prieš gyvų organizmų sugerties mechanizmą (absorbavimo mechanizmą): interferencinis dažymas nereikalauja šviesos energijos sugerties ir išsklaidymo, => nėra pigmentinės dangos kaitinimo ir fotocheminio sunaikinimo" class="link_thumb"> 12 !} FA pagrindu pagamintų filtrų pranašumai prieš sugerties mechanizmą (absorbavimo mechanizmą) gyviems organizmams: Interferencinis dažymas nereikalauja šviesos energijos sugerties ir išsklaidymo, => nėra pigmentinės dangos kaitinimo ir fotocheminio ardymo. Karštame klimate gyvenančių drugelių sparnų raštas yra vaivorykštis, o fotoninio kristalo struktūra ant paviršiaus sumažina šviesos sugertį, taigi ir sparnų įkaitimą. Jūros pelė jau seniai naudoja fotoninius kristalus. 12 nekaitimas ir fotocheminis pigmentinės dangos ardymas "> nekaitinimas ir fotocheminis pigmentinės dangos ardymas.Karšto klimato sąlygomis gyvenantys drugeliai turi vaivorykštinį sparnų raštą, o fotoninio kristalo struktūra paviršiuje, kaip paaiškėjo, sumažina. šviesos sugertis, taigi ir sparnų kaitinimas.Jūrinė pelė jau seniai praktikoje naudoja fotoninius kristalus."> title="FA pagrindu pagamintų filtrų pranašumai prieš gyvų organizmų sugerties mechanizmą (absorbavimo mechanizmą): Interferencinis dažymas nereikalauja šviesos energijos sugerties ir išsklaidymo, => pigmento dangos nekaitinimas ir fotocheminis ardymas"> !}
Morpho didius vaivorykštis drugelis ir jo sparno mikrografija kaip difrakcinės biologinės mikrostruktūros pavyzdys. Vaivorykštis natūralus opalas (pusbrangis akmuo) ir jo mikrostruktūros atvaizdas, sudarytas iš glaudžiai supakuotų silicio dioksido rutulių. 13
Fotoninių kristalų klasifikacija 1. Vienmatis. Kuriame lūžio rodiklis periodiškai keičiasi viena erdvine kryptimi, kaip parodyta paveikslėlyje. Šiame paveiksle simbolis Λ žymi lūžio rodiklio kitimo periodą ir abiejų medžiagų lūžio rodiklius (tačiau apskritai gali būti bet koks medžiagų skaičius). Tokie fotoniniai kristalai susideda iš skirtingų medžiagų sluoksnių, lygiagrečių vienas kitam su skirtingais lūžio rodikliais ir gali rodyti savo savybes viena erdvine kryptimi, statmena sluoksniams. keturiolika
2. Dvimatis. Kuriame lūžio rodiklis periodiškai kinta dviem erdvinėmis kryptimis, kaip parodyta paveikslėlyje. Šiame paveikslėlyje fotoninį kristalą sukuria stačiakampės sritys, kurių lūžio rodiklis yra n1, kurios yra terpėje, kurios lūžio rodiklis yra n2. Šiuo atveju sritys, kurių lūžio rodiklis n1, yra išdėstytos dvimatėje kubinėje gardelėje. Tokie fotoniniai kristalai gali parodyti savo savybes dviem erdvinėmis kryptimis, o sričių, kurių lūžio rodiklis n1, forma neapsiriboja stačiakampiais, kaip parodyta paveikslėlyje, bet gali būti bet kokia (apskritimai, elipsės, savavališki ir kt.). Kristalinė gardelė, kurioje išdėstyti šie regionai, taip pat gali būti skirtinga, o ne tik kubinė, kaip parodyta paveikslėlyje. penkiolika
3. Trimatis. Kuriame lūžio rodiklis periodiškai kinta trimis erdvinėmis kryptimis. Tokie fotoniniai kristalai gali parodyti savo savybes trimis erdvinėmis kryptimis ir gali būti pavaizduoti kaip tūrinių sričių (sferų, kubelių ir kt.) masyvas, išdėstytas trimatėje kristalinėje gardelėje. 16
Fotoninių kristalų taikymas Pirmasis pritaikymas yra spektrinis kanalų atskyrimas. Daugeliu atvejų optiniu pluoštu sklinda ne vienas, o keli šviesos signalai. Juos kartais reikia rūšiuoti – kiekvieną pasiųsti atskiru keliu. Pavyzdžiui – optinis telefono kabelis, per kurį vienu metu vyksta keli pokalbiai skirtingu bangos ilgiu. Fotoninis kristalas yra ideali priemonė norint „iškirpti“ iš srauto norimą bangos ilgį ir nukreipti jį ten, kur reikia. Antrasis yra kryžius šviesos srautams. Toks prietaisas, apsaugantis šviesos kanalus nuo abipusio poveikio jiems fiziškai susikertant, būtinai reikalingas kuriant lengvą kompiuterį ir lengvus kompiuterio lustus. 17
Fotoniniai kristalai telekomunikacijose Praėjo ne tiek daug metų nuo pirmųjų pokyčių pradžios, nes investuotojams tapo aišku, kad fotoniniai kristalai yra iš esmės naujo tipo optinės medžiagos ir jų laukia šviesi ateitis. Labiausiai tikėtina, kad optinio diapazono fotoniniai kristalai bus sukurti iki komercinio pritaikymo lygio telekomunikacijų srityje. aštuoniolika
21
Litografinių ir holografinių metodų privalumai ir trūkumai norint gauti FC pliusus: aukšta formuojamos struktūros kokybė. Greitas gamybos greitis Masinės gamybos paprastumas Trūkumai Reikalinga brangi įranga Galimas briaunų aštrumo pablogėjimas Sunkumai gaminant sąrankas 22
Iš arti apačioje matomas likęs 10 nm šiurkštumas. Toks pat šiurkštumas matomas ir mūsų holografinės litografijos būdu pagamintuose SU-8 šablonuose. Tai aiškiai rodo, kad šis šiurkštumas nėra susijęs su gamybos procesu, o su galutine fotorezisto skiriamąja geba. 24
Norint perkelti pagrindinius PBG bangos ilgius telekomunikacijų režimu nuo 1,5 µm ir 1,3 µm, reikia, kad atstumas strypų plokštumoje būtų 1 µm arba mažesnis. Pagaminti pavyzdžiai turi problemą: strypai pradeda liestis vienas su kitu, todėl nepageidautina didelis frakcijos užpildymas. Sprendimas: lazdelės skersmens sumažinimas, taigi frakcijos užpildymas, ėsdinant deguonies plazmoje 26
Kompiuterio optinės savybės Dėl terpės periodiškumo spinduliuotės sklidimas fotoninio kristalo viduje tampa panašus į elektrono judėjimą įprasto kristalo viduje, veikiant periodiniam potencialui. Tam tikromis sąlygomis kompiuterio juostų struktūroje susidaro tarpai, panašiai kaip draudžiamos elektroninės juostos natūraliuose kristaluose. 27
Dvimatis periodinis fotoninis kristalas gaunamas formuojant periodinę vertikalių dielektrinių strypų struktūrą, pasodintą kvadratiniu būdu ant silicio dioksido substrato. Įdėjus „defektus“ į fotoninį kristalą, galima sukurti bangolaidžius, kurie, sulenkti bet kokiu kampu, duoda 100% pralaidumą Dvimatės fotoninės struktūros su juostos tarpu 28
Naujas būdas gauti struktūrą su poliarizacijai jautriais fotoninių juostų tarpais Fotoninės juostos tarpo struktūros derinimo su kitais optiniais ir optoelektroniniais prietaisais metodo kūrimas Trumpųjų ir ilgųjų bangų juostų ribų stebėjimas. Patirties tikslas: 29
Pagrindiniai veiksniai, lemiantys fotoninės juostos tarpo (PBG) struktūros ypatybes, yra lūžio kontrastas, aukštų ir žemų medžiagų indeksų santykis gardelėje ir gardelės elementų išsidėstymas. Naudojamo bangolaidžio konfigūracija yra panaši į puslaidininkinio lazerio konfigūraciją. Masyvas yra labai mažas (100 nm skersmens), bangolaidžio šerdyje buvo išgraviruotos skylės, sudarančios šešiakampę grotelę 30
2a pav. Grotelės ir Brillouin zonos eskizas, iliustruojantis simetrijos kryptis horizontalioje sandarioje gardelėje. b, c Perdavimo charakteristikų matavimas ant 19 nm fotoninės gardelės. 31 Brillouin zona su simetrinėmis kryptimis
4 pav. Judančių bangų profilių elektrinio lauko nuotraukos, atitinkančios 1 (a) ir 2 (b) juostas, netoli K taško, skirto TM poliarizacijai. A, laukas turi tokią pačią atspindinčią simetriją apie y-z plokštumą kaip ir plokštumos banga, todėl jis turėtų lengvai sąveikauti su įeinančia plokštumos banga. Priešingai, b laukas yra asimetriškas, o tai neleidžia atsirasti šiai sąveikai. 33
Išvados: PBG konstrukcijos gali būti naudojamos kaip veidrodžiai ir elementai tiesioginiam emisijos valdymui puslaidininkiniuose lazeriuose PBG koncepcijų demonstravimas bangolaidžių geometrijoje leis realizuoti labai kompaktiškus optinius elementus. kad bus galima panaudoti nelinijinius efektus 34
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.
