Cristal fotonic. Electrochimia cristalelor fotonice de la cristale simple la cristale fotonice
Clasificarea metodelor de fabricare a cristalelor fotonice. Cristalele fotonice din natură sunt o raritate. Ele se disting printr-un joc special de lumină irizată - un fenomen optic numit irizare (tradus din greacă - curcubeu). Aceste minerale includ calcit, labradorit și opal SiO 2 × n∙ H 2 O cu diverse incluziuni. Cel mai faimos dintre ele este opalul - un mineral semiprețios, care este un cristal coloidal format din globule sferice monodisperse de oxid de siliciu. Din jocul luminii din acesta din urmă provine termenul de opalescență, denotă un tip special de împrăștiere a radiațiilor caracteristic doar pentru acest cristal.
Principalele metode de fabricare a cristalelor fotonice includ metode care pot fi împărțite în trei grupuri:
1. Metode folosind formarea spontană a cristalelor fotonice. Acest grup de metode utilizează particule coloidale, cum ar fi particulele de silicon monodispers sau de polistiren, precum și alte materiale. Astfel de particule, fiind în vapori de lichid în timpul evaporării, se depun într-un anumit volum. Pe măsură ce particulele se așează una peste alta, ele formează un cristal fotonic tridimensional și sunt ordonate predominant într-o rețea cristalină centrată pe față sau hexagonală. Este posibilă și o metodă de tip fagure, care se bazează pe filtrarea lichidului în care se află particulele prin spori mici. Deși metoda de tip fagure face posibilă formarea unui cristal la o viteză relativ mare, determinată de viteza de curgere a lichidului prin pori, totuși, se formează defecte în astfel de cristale la uscare. Există și alte metode care folosesc formarea spontană a cristalelor fotonice, dar fiecare metodă are propriile avantaje și dezavantaje. Cel mai adesea, aceste metode sunt folosite pentru a depune particule sferice de silicon coloidal, cu toate acestea, contrastul rezultat al indicelui de refracție este relativ mic.
2. Metode folosind gravarea obiectelor. Acest grup de metode folosește o mască fotorezistentă formată pe suprafața semiconductorului, care definește geometria regiunii de gravare. Folosind o astfel de mască, cel mai simplu cristal fotonic este format prin gravarea suprafeței unui semiconductor care nu este acoperit cu un fotorezist. Dezavantajul acestei metode este necesitatea folosirii fotolitografiei cu rezolutie mare la nivelul zecilor si sutelor de nanometri. De asemenea, fasciculele de ioni concentrați, cum ar fi Ga, sunt folosite pentru a face cristale fotonice prin gravare. Astfel de fascicule de ioni fac posibilă îndepărtarea unei părți a materialului fără utilizarea fotolitografiei și gravarea suplimentară. Pentru a crește rata de gravare și a îmbunătăți calitatea acesteia, precum și pentru a depune materiale în interiorul zonelor gravate, se utilizează un tratament suplimentar cu gazele necesare.
3. Metode holografice. Astfel de metode se bazează pe aplicarea principiilor holografiei. Cu ajutorul holografiei, se formează modificări periodice ale indicelui de refracție în direcții spațiale. Pentru a face acest lucru, utilizați interferența a două sau mai multe unde coerente, care creează o distribuție periodică a intensității radiației electromagnetice. Cristalele fotonice unidimensionale sunt create prin interferența a două unde. Cristalele fotonice bidimensionale și tridimensionale sunt create prin interferența a trei sau mai multe unde.
Alegerea unei metode specifice de fabricare a cristalelor fotonice este în mare măsură determinată de circumstanțele dimensiunii care trebuie fabricată structura - unidimensională, bidimensională sau tridimensională.
Structuri periodice unidimensionale. Cea mai simplă și comună modalitate de a obține structuri periodice unidimensionale este depunerea în vid strat cu strat a filmelor policristaline din materiale dielectrice sau semiconductoare. Această metodă a devenit larg răspândită în legătură cu utilizarea structurilor periodice în producția de oglinzi laser și filtre de interferență. În astfel de structuri, atunci când se utilizează materiale cu indici de refracție care diferă de aproximativ 2 ori (de exemplu, ZnSe și Na 3 AlF 6), este posibil să se creeze benzi de reflexie spectrală (gaps de benzi fotonice) de până la 300 nm lățime, acoperind aproape întreaga regiune vizibilă a spectrului.
Progresele în sinteza heterostructurilor semiconductoare din ultimele decenii fac posibilă crearea de structuri complet monocristaline, cu o schimbare periodică a indicelui de refracție de-a lungul direcției de creștere, folosind epitaxia fasciculului molecular sau depunerea de vapori folosind compuși organometalici. În prezent, astfel de structuri fac parte din laserele semiconductoare cu cavități verticale. Raportul maxim realizabil în prezent al indicilor de refracție ai materialelor corespunde, aparent, cu perechea GaAs/Al 2 O 3 și este de aproximativ 2. Trebuie remarcat perfecțiunea ridicată a structurii cristaline a unor astfel de oglinzi și acuratețea formării grosimea stratului la nivelul unei perioade de grătare (aproximativ 0,5 nm).
Recent, a fost demonstrată posibilitatea creării unor structuri semiconductoare periodice unidimensionale folosind o mască fotolitografică și gravare selectivă. La gravarea siliciului, este posibil să se creeze structuri cu o perioadă de ordinul a 1 μm sau mai mult, în timp ce raportul indicilor de refracție ai siliciului și a aerului este de 3,4 în regiunea infraroșu apropiat, o valoare fără precedent, de neatins prin alte metode de sinteză. . Un exemplu de structură similară obținut la Institutul Fizico-Tehnic. A. F. Ioffe RAS (Sankt Petersburg), este prezentată în fig. 3,96.
Orez. 3,96. Structură periodică siliciu-aer obținută prin gravare anizotropă folosind o mască fotolitografică (perioada structurii 8 µm)
Structuri periodice bidimensionale. Structurile periodice bidimensionale pot fi fabricate folosind gravarea selectivă a semiconductorilor, metalelor și dielectricilor. Tehnologia gravării selective a fost dezvoltată pentru siliciu și aluminiu datorită utilizării pe scară largă a acestor materiale în microelectronică. Siliciul poros, de exemplu, este considerat un material optic promițător, care va face posibilă crearea de sisteme optoelectronice integrate cu un grad ridicat de integrare. Combinația dintre tehnologiile avansate de siliciu cu efecte de dimensiune cuantică și principiile formării benzilor interzise fotonice a condus la dezvoltarea unei noi direcții - fotonica cu siliciu.
Utilizarea litografiei submicronice pentru formarea măștilor face posibilă crearea structurilor de siliciu cu o perioadă de 300 nm sau mai puțin. Datorită absorbției puternice a radiațiilor vizibile, cristalele fotonice de siliciu pot fi utilizate numai în regiunile infraroșu apropiat și mijlociu ale spectrului. Combinația de gravare și oxidare, în principiu, face posibilă trecerea la structuri periodice oxid de siliciu-aer, dar, în același timp, raportul scăzut al indicelui de refracție (componenta 1.45) nu permite formarea unei benzi interzise cu drepturi depline. în două dimensiuni.
Structurile periodice bidimensionale ale compușilor semiconductori A 3 B 5, care sunt obținute și prin gravare selectivă folosind măști sau șabloane litografice, par promițătoare. Compușii A 3 B 5 sunt principalele materiale ale optoelectronicii moderne. Compușii InP și GaAs au o bandă interzisă mai mare decât siliciul și aceleași valori ridicate ale indicelui de refracție ca siliciul, egale cu 3,55 și, respectiv, 3,6.
Foarte interesante sunt structurile periodice pe bază de oxid de aluminiu (Fig. 3.97a). Sunt obținute prin gravarea electrochimică a aluminiului metalic, pe suprafața căruia se formează o mască folosind litografie. Folosind șabloane litografice electronice, s-au obținut structuri periodice bidimensionale perfecte asemănătoare fagurilor cu un diametru al porilor mai mic de 100 nm. Trebuie remarcat faptul că gravarea selectivă a aluminiului într-o anumită combinație de condiții de gravare face posibilă obținerea de structuri regulate chiar și fără utilizarea oricăror măști sau șabloane (Fig. 3.97b). În acest caz, diametrul porilor poate fi de doar câțiva nanometri, ceea ce este de neatins pentru metodele litografice moderne. Periodicitatea porilor este asociată cu autoreglarea procesului de oxidare a aluminiului în timpul reacției electrochimice. Materialul conductor inițial (aluminiu) în timpul reacției este oxidat la Al2O3. Filmul de oxid de aluminiu, care este un dielectric, reduce curentul și încetinește reacția. Combinația acestor procese face posibilă realizarea unui mod de reacție auto-susținut, în care gravarea continuă este posibilă prin trecerea curentului prin pori, iar produsul de reacție formează o structură obișnuită de tip fagure. O anumită neregularitate a porilor (Fig. 3.97b) se datorează structurii granulare a filmului original de aluminiu policristalin.
Orez. 3,97. Cristal fotonic bidimensional de Al 2 O 3: a) realizat folosind o mască litografică; b) realizate cu ajutorul autoreglării procesului de oxidare
Un studiu al proprietăților optice ale aluminei nanoporoase a arătat o transparență neobișnuit de mare a acestui material de-a lungul direcției porilor. Absența reflexiei Fresnel, care există inevitabil la interfața dintre două medii continue, duce la valorile transmitanței care ajung la 98%. În direcții perpendiculare pe pori se observă o reflexie mare cu un coeficient de reflexie în funcție de unghiul de incidență.
Valorile relativ scăzute ale permitivității oxidului de aluminiu, spre deosebire de siliciu, arseniură de galiu și fosfură de indiu, nu permit formarea unui interval complet de bandă în două dimensiuni. Cu toate acestea, în ciuda acestui fapt, proprietățile optice ale aluminei poroase sunt destul de interesante. De exemplu, are o împrăștiere anizotropă pronunțată a luminii, precum și birefringență, ceea ce îi permite să fie folosit pentru a roti planul de polarizare. Folosind diferite metode chimice, este posibilă umplerea porilor cu diferiți oxizi, precum și cu materiale optic active, cum ar fi medii optice neliniare, luminofori organici și anorganici și compuși electroluminescenți.
Structuri periodice tridimensionale. Structurile periodice tridimensionale sunt obiecte care au cele mai mari dificultăți tehnologice pentru implementarea experimentală. Din punct de vedere istoric, prima modalitate de a crea un cristal fotonic tridimensional este considerată a fi metoda bazată pe găurirea mecanică a găurilor cilindrice în volumul materialului, propusă de E. Yablonovich. Fabricarea unei astfel de structuri periodice tridimensionale este o sarcină destul de laborioasă; prin urmare, mulți cercetători au încercat să creeze un cristal fotonic prin alte metode. Astfel, în metoda Lin-Fleming, pe un substrat de siliciu se aplică un strat de dioxid de siliciu, în care se formează apoi benzi paralele, umplute cu siliciu policristalin. În plus, procesul de aplicare a dioxidului de siliciu se repetă, dar benzile sunt formate într-o direcție perpendiculară. După crearea numărului necesar de straturi, oxidul de siliciu este îndepărtat prin gravare. Ca urmare, se formează o „grămadă de lemn” de tije de polisiliciu (Fig. 3.98). Trebuie remarcat faptul că utilizarea metodelor moderne de litografie electronică submicronică și gravare cu ioni anizotropi face posibilă obținerea de cristale fotonice cu o grosime mai mică de 10 celule structurale.
Orez. 3,98. Structură fotonică 3D din tije de polisiliciu
Metodele de creare a cristalelor fotonice pentru domeniul vizibil, bazate pe utilizarea structurilor auto-organizate, au devenit larg răspândite. Însuși ideea de „asamblare” a cristalelor fotonice din globule (bile) este împrumutată de la natură. Se știe, de exemplu, că opalii naturali au proprietățile cristalelor fotonice. Conform compoziției sale chimice, opalul mineral natural este un hidrogel de dioxid de siliciu SiO 2 × H 2 O cu un conținut variabil de apă: SiO 2 - 65 - 90 wt. %; H20 - 4,5–20%; Al2O3 - până la 9%; Fe 2 O 3 - până la 3%; TiO 2 - până la 5%. Folosind microscopia electronică, s-a descoperit că opalii naturali sunt formați din particule sferice strânse de α-SiO 2 , uniforme ca mărime, cu diametrul de 150-450 nm. Fiecare particulă constă din formațiuni globulare mai mici, cu un diametru de 5-50 nm. Golurile de ambalare a globului sunt umplute cu oxid de siliciu amorf. Intensitatea luminii difractate este influențată de doi factori: primul este împachetarea densă „ideală” a globulelor, al doilea este diferența indicilor de refracție ai oxidului amorf și cristalin SiO 2 . Opalele negre nobile au cel mai bun joc de lumină (pentru ei, diferența dintre valorile indicelui de refracție este de ~ 0,02).
Este posibil să se creeze cristale fotonice globulare din particule coloidale în diverse moduri: sedimentare naturală (precipitarea unei faze dispersate într-un lichid sau gaz sub acțiunea unui câmp gravitațional sau a forțelor centrifuge), centrifugare, filtrare cu ajutorul membranelor, electroforeză etc. Particulele sferice acționează ca particule coloidale de polistiren, metacrilat de polimetil, particule de dioxid de siliciu α-SiO2.
Metoda de precipitare naturală este un proces foarte lent, care necesită câteva săptămâni sau chiar luni. În mare măsură, centrifugarea accelerează procesul de formare a cristalelor coloidale, dar materialele astfel obținute sunt mai puțin ordonate, deoarece la o viteză mare de depunere, separarea particulelor după dimensiune nu are timp să apară. Pentru a accelera procesul de sedimentare, se folosește electroforeza: se creează un câmp electric vertical, care „schimbă” gravitația particulelor în funcție de dimensiunea acestora. Se folosesc și metode bazate pe utilizarea forțelor capilare. Ideea principală este că, sub acțiunea forțelor capilare, cristalizarea are loc la limita meniscului dintre substratul vertical și suspensie, iar pe măsură ce solventul se evaporă, se formează o structură fină ordonată. În plus, se folosește un gradient de temperatură vertical, care face posibilă o mai bună optimizare a vitezei procesului și a calității cristalului creat datorită curenților de convecție. În general, alegerea tehnicii este determinată de cerințele privind calitatea cristalelor rezultate și de timpul petrecut pentru fabricarea lor.
Procesul tehnologic de creștere a opalelor sintetice prin sedimentare naturală poate fi împărțit în mai multe etape. Inițial, se prepară o suspensie monodispersă (~ 5% abatere în diametru) de globule sferice de oxid de siliciu. Diametrul mediu al particulelor poate varia într-un interval larg: de la 200 la 1000 nm. Cea mai cunoscută metodă de obținere a microparticulelor de dioxid de siliciu coloidal monodispers se bazează pe hidroliza tetraetoxisilanului Si(C 2 H 4 OH) 4 într-un mediu apă-alcool în prezența hidroxidului de amoniu ca catalizator. Această metodă poate fi utilizată pentru a obține particule cu o suprafață netedă, de formă sferică aproape ideală, cu un grad ridicat de monodispersitate (abatere mai mică de 3% în diametru), precum și pentru a crea particule cu dimensiuni mai mici de 200 nm cu o distribuție îngustă a dimensiunilor. . Structura internă a unor astfel de particule este fractală: particulele constau din sfere mai mici compacte (câteva zeci de nanometri în diametru), iar fiecare astfel de sferă este formată din complexe polihidroxo de siliciu constând din 10-100 de atomi.
Următoarea etapă este depunerea particulelor (Fig. 3.99). Poate dura câteva luni. La finalizarea etapei de depunere, se formează o structură periodică compactă. Apoi, precipitatul este uscat și recoapt la o temperatură de aproximativ 600 ° C. În timpul recoacerii, sferele se înmoaie și se deformează în punctele de contact. Ca urmare, porozitatea opalelor sintetice este mai mică decât pentru un ambalaj sferic dens ideal. Perpendicular pe direcția axei de creștere a cristalelor fotonice, globulele formează straturi strânse hexagonale foarte ordonate.
Orez. 3,99. Etapele creșterii opalelor sintetice: a) depunerea de particule;
b) uscarea precipitatului; c) recoacerea probei
Pe fig. 3.100a prezintă o micrografie de opal sintetic obținut prin microscopia electronică cu scanare. Dimensiunile sferelor sunt de 855 nm. Prezența porozității deschise în opalii sintetici face posibilă umplerea golurilor cu diferite materiale. Matricele opale sunt subrețele tridimensionale ale porilor nanodimensionați interconectați. Dimensiunile porilor sunt de ordinul a sute de nanometri, iar dimensiunile canalelor care leagă porii ajung la zeci de nanometri. In acest fel se obtin nanocompozite pe baza de cristale fotonice. Principala cerință propusă în crearea de nanocompozite de înaltă calitate este completarea umplerii spațiului nanoporos. Umplerea se realizează prin diferite metode: introducerea dintr-o soluție în topitură; impregnarea cu soluții concentrate urmată de evaporarea solventului; metode electrochimice, depuneri chimice de vapori etc.
Orez. 3.100. Fotomicrografii ale cristalelor fotonice: a) din opal sintetic;
b) din microsfere de polistiren
Gravarea selectivă a oxidului de siliciu din astfel de compozite are ca rezultat formarea de nanostructuri ordonate spațial cu porozitate mare (mai mult de 74% din volum), numite opali inversați sau inversați. Această metodă de obținere a cristalelor fotonice se numește metoda șablonului. Ca particule coloidale monodisperse ordonate care formează un cristal fotonic, nu numai particulele de oxid de siliciu, ci și, de exemplu, cele polimerice pot acționa. Un exemplu de cristal fotonic pe bază de microsfere de polistiren este prezentat în fig. 3.100b
S-a demonstrat că, în funcție de polaritatea includerii fotodiodelor în rezonator, o schimbare de frecvență a răspunsului are loc în sus sau în jos în frecvență odată cu creșterea iluminării. Se propune utilizarea unui sistem de rezonatoare inelare cuplate pentru a crește sensibilitatea rezonatoarelor studiate la valoarea de iluminare. Se arată că pentru o distanță fixă între rezonatoarele cuplate, împărțirea în frecvență a răspunsului sistemului în moduri par (luminos) și impar (întunecat) are loc cu ajutorul luminii. Suntem încrezători că metoda propusă pentru crearea rezonatoarelor inelare reglabile va face posibilă crearea unei noi clase de metamateriale controlate de lumină.
Această lucrare a fost susținută de Ministerul Educației al Federației Ruse (acordurile nr. 14.V37.21.1176 și nr. 14.V37.21.1283), Fundația Dynasty, Fundația RFBR (proiect nr. 13-02-00411), și Bursa Președintelui Federației Ruse pentru tineri oameni de știință și studenți absolvenți în 2012.
Literatură
1. Linden S., Enkrich C., Wegener M., Zhou J., Koschny T., Soukoulis C.M. Răspunsul magnetic al metamaterialelor la 100 Terahertz // Știință. - 2004. - V. 306. - P. 1351-1353.
2. Shelby R., Smith D.R. și Schultz S. Verificarea experimentală a unui indice negativ de refracție // Știință. - 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. Belov P.A., Hao Y. Imagini de subwavelength la frecvențe optice folosind un dispozitiv de transmisie format dintr-o structură metal-dielectrică stratificată periodică care funcționează în regim de canalizare // Physical Review B. - 2006. - V. 73. - P. 113110.
5. Leonhardti U. Optical conformal mapping // Science. - 2006. - V. 312. - P. 1777-1780.
6. Kivshar Yu.S., Orlov A.A. Metamateriale reglabile și neliniare // Buletin științific și tehnic de tehnologii informaționale, mecanică și optică. - 2012. - Nr. 3 (79). - C. 1-10.
7. Shadrivov I.V., Morrison S.K. și Kivshar Yu.S. Rezonatoare cu inel împărțit reglabil pentru metamateriale neliniare cu indice negativ // Opt. expres. - 2006. - V. 14. - P. 9344-9349.
8. Kapitanova P.V., Maslovski S.I., Shadrivov I.V., Voroshilov P.M., Filonov D.S., Belov P.A. și Kivshar Y.S. Controlul rezonatoarelor cu inel divizat cu lumină // Litere de fizică aplicată. - V. 99. - P. 251914 (1-3).
9. Marques R., Martin F. și Sorolla M. Metamaterials with Negative Parameters: Theory, Design and Microwave Applications. - NJ: Wiley & Sons, Inc., Hoboken, 2008. - 315 p.
Kapitonova Polina Vyacheslavovna - Universitatea Națională de Cercetare din Sankt Petersburg
Tehnologia informației, mecanică și optică, candidat la științe tehnice, cercetător, [email protected], [email protected]
Belov Pavel Aleksandrovich - Universitatea Națională de Cercetare din Sankt Petersburg
Tehnologia Informației, Mecanică și Optică, Doctor în Fiz.-Matematică. Științe, cercetător șef, [email protected]
ANALIZA STRUCTURII BANDIEI UNUI CRISTAL FOTONIC CU LUNGIMI OPTICE MULTIPLE ALE STRATURII PENTRU GAMA TERAHERTZ
OH. Denisultanov, M.K. Hodzitsky
Din ecuația de dispersie pentru un cristal fotonic infinit, sunt derivate formule pentru calculul exact al limitelor benzii interzise, a lățimii benzii interzise și a poziția exactă a centrelor benzii interzise ale cristalelor fotonice cu mai multe lungimi de strat optic într-un două straturi. celulă pentru intervalul de frecvență terahertz de la 0,1 la 1 THz. Formulele au fost verificate în simularea numerică a cristalelor fotonice prin metoda matricei de transfer și prin metoda diferențelor finite în domeniul timpului pentru prima, a doua și a treia multiplicitate a lungimii optice într-o celulă cu două straturi a unui cristal fotonic. Formulele pentru a doua multiplicitate sunt confirmate experimental. Cuvinte cheie: cristal fotonic, band gap, frecvențe de tăiere, lungimi optice multiple, matrice de transmisie, metamaterial.
Introducere
În ultimii ani, studiul mediilor artificiale cu proprietăți neobișnuite („metamateriale”) a atras interesul unui cerc destul de mare de oameni de știință și ingineri, ceea ce se datorează utilizării promițătoare a acestor medii în industriile industriale și militare în dezvoltarea de noi tipuri de filtre, defazatoare, superlentile, acoperiri de mascare etc. .d. . Unul dintre tipurile de meta-materiale este un cristal fotonic, care este o structură stratificată cu periodice
Schimbând indicele de refracție. Cristalele fotonice (PC) sunt utilizate în mod activ în tehnologiile laser, mijloace de comunicare, filtrare, datorită unor proprietăți unice precum prezența unei structuri de bandă în spectru, superrezoluție, efect de superprismă etc. . De interes deosebit este studiul cristalelor fotonice în intervalul teraherți (THz) pentru studii spectroscopice, tomografice ale noilor tipuri de materiale și obiecte biologice. Cercetătorii au dezvoltat deja PC-uri bidimensionale și tridimensionale pentru gama de frecvență THz și au studiat caracteristicile acestora, dar, din păcate, în prezent nu există formule exacte pentru calcularea caracteristicilor structurii de bandă a unui cristal fotonic, cum ar fi band gap, band gap center, band gap limite. Scopul acestei lucrări este de a obține formule pentru calcularea caracteristicilor unui cristal fotonic unidimensional pentru prima, a doua și a treia multiplicitate de lungime optică într-o celulă PC cu două straturi și de a verifica aceste formule folosind simularea numerică folosind matricea de transfer. metoda și metoda diferențelor finite în domeniul timpului, precum și un experiment în frecvențele din gama THz.
Modelare analitică și numerică
Să luăm în considerare un cristal fotonic infinit cu indici de refracție ai straturilor dintr-o celulă cu două straturi n1 și n2 și, respectiv, grosimi de strat d1 și d2. Această structură este excitată de o undă electrică transversală polarizată liniar (undă TE). Vectorul de undă k este direcționat perpendicular pe straturile PC (Fig. 1). Ecuația de dispersie pentru un astfel de PC, obținută folosind teorema Floquet și condiția de continuitate pentru componentele câmpului tangențial la limita stratului, are următoarea formă:
C08 [kv (dx + d2)] = co8 [kg d ^] x co $ [k2 d2] -0,5)
s bt [kg e1] x bt [kg e2
unde q este numărul de undă Bloch; k^ =
dacă refracția; d1, d2 - grosimi de strat.
2 l x / x p1
; / - frecvență; pg, p2 - indicator
Orez. 1. Structura stratificată-periodică luată în considerare
L. și L 1! eu x. ] l! / l Peel! eu
și " și | Г ¡4 1 ! 1) 1 1 N V și | 1 У " 11
0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6
Frecvență / THz
Orez. 2. Dispersia în frecvență a complexului număr de undă Bloch
Dispersia numărului de undă complex Bloch obținut folosind ecuația (1) este prezentată în Fig. 2. După cum se vede din fig. 2, la limitele benzilor interzise, argumentul cosinusului q(d1 + d2) va lua valori fie 0, fie n. Prin urmare, pe baza acestei condiții, putem calcula
pentru a determina valorile frecvențelor de tăiere, ale benzilor interzise și ale centrelor de bandă interzisă ai cristalului fotonic. Cu toate acestea, pentru un cristal fotonic cu lungimi optice non-multiple ale straturilor în interiorul unei celule cu două straturi, aceste formule pot fi obținute doar într-o formă implicită. Pentru a obține formule explicite, trebuie utilizate lungimi optice multiple: nxx = n2e2; pyoh = 2хп2ё2; pyoh = 3xn2ё2... . Lucrarea a avut în vedere formule pentru multiplicitatea 1, 2 și 3.
Pentru un cristal fotonic de prima multiplicitate (nxx = n2d2), formulele pentru frecvențele limită, lățimile
bandgap și centrul bandgap au următoarea formă:
(/n 1 L (/n "și 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)
unde /1 și /2 - limitele de joasă frecvență și respectiv de înaltă frecvență ale zonei interzise; A/ - band gap; /33 este centrul zonei interzise; c este viteza luminii; / - centrul de permis
pe n n2 zona 6 = - + -;
Pentru PC cu parametri de strat nx = 2,9; n2 = 1,445; ex = 540 um; e2 = 1084 μm pentru a doua bandă interzisă în intervalul 0,1-1 THz, au loc următorii parametri ai structurii benzii: /1 = 0,1332 THz; /2 = 0,1541 THz; A/ = 0,0209 THz; /zz = 0,1437 THz.
Pentru un PC, ale cărui lungimi optice ale straturilor sunt legate prin egalitatea nxx = 2n2d2, se obțin următoarele formule pentru parametrii structurii benzii:
4 + v + U v2-4 6 + 3v-4v2 -4
4 + v-V v2 - 4 6 + 3v + ^v2 - 4
2 + în -V în2 - 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
unde (/1 și /11), (/2 și /21), (/3 și /31), (/4 și /41) - limitele de joasă frecvență și de înaltă frecvență sunt interzise
ny zone cu numere (4t + 1), (4t + 2), (4t + 3), respectiv (4t + 4); c este viteza luminii; P= - + -;
m = 0,1,2,.... Banda interzisă se calculează ca A/ = /-/x; centru bandgap
, / + /x. d /sz = ^ ; /pz - centrul zonei permise.
Pentru FC cu parametri nx = 2,9; n2 = 1,445; ex = 540 um; e2 = 541,87 μm pentru a doua bandă interzisă în intervalul 0,1-1 THz, avem
/2 = 0,116 THz; /2x = 0,14 THz; A/ = 0,024 THz; /zz = 0,128 THz.
Pentru un cristal fotonic ale cărui lungimi optice sunt legate de egalitatea nxx = 3n2d2, se obțin următoarele formule pentru parametrii structurii benzii:
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 + yl2.25ß2 - ß - 7
1 - 0,5ß + 72,25ß2 - ß - 7 3 + 2,5ß-sj2,25ß2 -ß-7
unde (/1 și /11), (/2 și /2), (/3 și /) sunt intervalele de bandă de joasă și înaltă frecvență cu
numere (3m+1), respectiv (3m+2), (3m+3); c este viteza luminii; p = - + -; t = 0,1,2,.... Latime
band gap se calculează ca D/ = / - /1; centru bandgap /zz =
zona permisa.
Pentru un PC cu parametri n1 = 2,9; n2 = 1,445; = 540 um; d2 = 361,24 μm pentru a doua bandă interzisă în intervalul 0,1-1 THz, avem
/2 = 0,1283 THz; = 0,1591 THz; D/ = 0,0308 THz; /zz = 0,1437 THz.
Pentru a simula un PC de lungime finită, este necesar să utilizați metoda matricelor de transfer, care vă permite să calculați valoarea câmpului electromagnetic al unei unde care trece printr-un cristal fotonic într-un punct arbitrar al celui de-al doilea strat. Matricea de transfer pentru un strat este următoarea:
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)
unde k0 = -; p = - cos 0 ; n = ; z - coordonata pe axa Oz; 0 - unghiul de incidență al undei pe primul strat.
Folosind metoda matricelor de transfer, în pachetul matematic MATLAB, structura de bandă a unui cristal fotonic a fost construită pentru lungimile optice ale straturilor dintr-o celulă cu două straturi de multiplicitatea 1, 2 și 3), în intervalul de frecvență THz (pentru 0=0) cu 10 celule unitare cu parametrii de strat indicați mai sus (Fig. 3).
După cum se poate observa din fig. 3, în spectrul de transmisie al PC-urilor de prima, a doua și a treia multiplicitate, există intervale de bandă care sunt multipli de doi, trei și, respectiv, patru, în comparație cu structura de bandă a PC-urilor cu lungimi optice non-multiple ale straturi din interiorul celulei unitare. Pentru toate cele trei cazuri de multiplicitate, eroarea relativă în calcularea parametrilor structurii de bandă a PC-ului final nu depășește 1% față de formulele pentru PC-ul infinit (decalajul de bandă a fost calculat la nivelul de 0,5 al transmitanței pt. PC-ul final).
De asemenea, structura unui PC unidimensional a fost calculată prin metoda diferențelor finite în domeniul timp folosind pachetul software de modelare tridimensională CST Microwave Studio (Fig. 4). Se poate observa același comportament al structurii de bandă a PC-ului final ca și pentru spectrele de transmisie obținute prin metoda matricei de transfer. Eroarea relativă în calcularea parametrilor structurii de bandă a unui PC finit în acest pachet de simulare nu depășește 3% față de formulele pentru un PC infinit.
Tszh.M.
pShshShSh) sschm
pxx=3n2ё2 Frecvență / THz
Orez. Fig. 3. Structura de bandă a unui cristal fotonic pentru trei multiplicități, lungimi optice ale straturilor într-o celulă cu două straturi în intervalul de frecvență THz (numerele indică numărul de bandă interzisă, săgețile indică meniul derulant
zone interzise)
I-e-e t o
pyoh \u003d 2p2ё2 -DA / ut1
pxx=3n2ё2 Frecvență, THz
Orez. Fig. 4. Modelul tridimensional al PC-ului în MA (a) și transmitanța PC-ului pentru trei multiplicități (b)
partea experimentală
Cazul multiplicității a 2-a a fost verificat experimental prin metoda spectroscopiei continue THz în intervalul 0,1-1 THz. Metoda de amestecare a frecvențelor radiației infraroșii pe o antenă fotoconductivă (FC) a fost folosită pentru a genera radiații THz. A doua antenă FP a fost folosită ca receptor. Un PC asamblat a fost instalat între antenele PC-ului de transmisie și de recepție (Fig. 5).
Cristalul fotonic investigat are următorii parametri: numărul de celule cu două straturi -3; indicii de refracție ai straturilor - nx = 2,9 și n2 = 1,445; grosimi de strat - ех = 540 μm și е2 = 520 μm (е2 este cu 21 μm mai mică decât în cazul multiplicității a 2-a ideală). Pe fig. 5 prezintă o comparație a spectrelor experimentale și teoretice pentru intervale de 4 și 5 benzi. După cum se poate observa din graficul experimental, precum și pentru simulare, se observă un interval de bandă care este un multiplu de trei în comparație cu structura de bandă a unui PC cu lungimi optice nemultiple ale straturilor din interiorul celulei unitare. O ușoară discrepanță între pozițiile centrelor zonelor interzise în plan experimental și teoretic
spectrul tic se datorează diferenței de grosime a straturilor de teflon din experiment față de a 2-a multiplicitate ideală.
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 Frecvență, THz
Experiment
Modelare
Orez. Fig. 5. Fotografia instalației, fotografia modelului de cristal fotonic (a) și un grafic comparativ al transmitanței experimentale și teoretice a unui cristal fotonic cu trei elemente elementare
celule (b)
Concluzie
Astfel, s-au obținut formule exacte pentru calcularea parametrilor structurii benzii (band gap, limitele band gap și centrul band gap) ai cristalelor fotonice unidimensionale cu lungimi multiple de strat optic în interiorul unei celule unitare cu două straturi pentru cazul unei unde TE cu un vector de undă perpendicular pe planurile straturilor fotonice.cristal. S-a demonstrat pentru un cristal fotonic de multiplicitatea 1, a 2-a și a 3-a dispariția benzii interzise, un multiplu de doi, trei, respectiv patru, în comparație cu structura de bandă a cristalelor fotonice cu lungimi optice nemultiple ale straturilor. în interiorul celulei unitare. Formulele pentru multiplicitatea 1, 2 și 3 au fost testate folosind metoda matricei de transfer și simulări numerice 3D cu diferențe finite în domeniul timpului. Cazul celei de-a doua multiplicități a fost verificat experimental în intervalul de frecvență THz de la 0,1 la 1 THz. Formulele obținute pot fi folosite pentru a dezvolta filtre de bandă largă pe baza de cristale fotonice pentru aplicații industriale, militare și medicale fără a fi nevoie de modelarea structurii benzii a unui cristal fotonic în diverse pachete matematice.
Lucrarea a fost susținută parțial de grantul nr. 14.132.21.1421 în cadrul Programului țintă federal „Personalul științific și științifico-pedagogic al Rusiei inovatoare” pentru 2009-2013.
Literatură
1. Vendik I.B., Vendik O.G. Metamaterialele și aplicarea lor în tehnologia cu microunde (Review) // Jurnal de fizică tehnică. - Universitatea Electrotehnică „LETI” din Sankt Petersburg. - 2013. - T. 83. - Problema. 1. - S. 3-26.
2. Vozianova A.V., Khodzitsky M.K. Acoperire de mascare pe bază de rezonatoare spiralate // Buletin științific și tehnic de tehnologii informaționale, mecanică și optică. - 2012. - Nr. 4 (80). -DIN. 28-34.
3. Terekhov Yu.E., Khodzitsky M.K., Belokopytov G.V. Caracteristicile metafilmelor pentru gama de frecvențe teraherți cu scalarea parametrilor geometrici // Buletin științific și tehnic de tehnologii informaționale, mecanică și optică. - 2013. - Nr. 1 (83). - S. 55-60.
4. Yablonovitch E. Inhibited Spontaneous Emission in Solid-State Physics and Electronics // Physical Review Letters. - 1987. - V. 58. - Nr. 20. - P. 2059-2062.
5. Figotin A., Kuchment P. Band-Gap Structure of Spectra of Periodic Dielectric and Acoustic Media. II. Cristale fotonice bidimensionale // SIAM Journal on Applied Mathematics. - 1996. - V. 56. - Nr. 6. - P. 1561-1620.
6. Smolyaninov Igor I., Davis Christopher C. Microscopie optică de super-rezoluție bazată pe materiale cristaline fotonice // Revista fizică B. - 2005. - V. 72. - P. 085442.
7. Kosaka Hideo, Kawashima Takayuki, Tomita Akihisa. Fenomene de superprismă în cristale fotonice // Revista fizică B. - 1998. - V. 58. - Nr. 16. - P. 10096-10099.
8. Kurt Hamza, Erim Muhammed Necip, Erim Nur. Diverse configurații de bio-senzor cu cristal fotonic bazate pe moduri de suprafață optică // Departamentul de Inginerie Electrică și Electronică. - 2012. - V. 165. - Nr. 1. - P. 68-75.
9. Ozbay E., Michel E., Tuttle G., Biswas R., Sigalas M. și Ho K.M. Cristale fotonice cu bandă interzisă cu unde milimetrice microprelucrate // Apl. Fiz. Lett. - 1994. - V. 64. - Nr. 16. - P. 2059-2061.
10. Jin C., Cheng B., Li Z., Zhang D., Li L.M., Zhang Z.Q. Cristal fotonic metalic bidimensional în intervalul THz // Opt. comun. - 1999. - V. 166. - Nr. 9. - P. 9-13.
11. Nusinsky Inna și Hardy Amos A. Band-gap analysis of one-dimensional photonic crystals and conditions for gap closing // Revista fizică B. - 2006. - V. 73. - P. 125104.
12. Bas F.G., Bulgakov A.A., Tetervov A.P. Proprietăți de înaltă frecvență ale semiconductorilor cu superrețele. - M.: Știință. Ch. ed. Fiz.-Matematică. lit., 1989. - 288 p.
13. Born M., Wolf E. Fundamentals of optics. - M.: Știință. Ch. ed. Fiz.-Matematică. lit., 1973. - 733 p.
14. Gregory I.S., Tribe W.R., Baker C. Sistem terahertz cu undă continuă cu o gamă dinamică de 60 dB // Applied Phisics Letters. - 2005. - V. 86. - P. 204104.
Denisultanov Alaudi Khozhbaudievici
Hodzitski Mihail Konstantinovici
Universitatea Națională de Cercetare de Tehnologii Informaționale, Mecanică și Optică din Sankt Petersburg, student, [email protected]
Sankt Petersburg Universitatea Națională de Cercetare de Tehnologii Informaționale, Mecanică și Optică, Candidat la Fiz.-Math. științe, asistent, [email protected]
) — un material a cărui structură se caracterizează printr-o modificare periodică a indicelui de refracție în 1, 2 sau 3 direcții spațiale.
Descriere
O caracteristică distinctivă a cristalelor fotonice (PC) este prezența unei modificări periodice spațiale a indicelui de refracție. În funcție de numărul de direcții spațiale de-a lungul cărora indicele de refracție se modifică periodic, cristalele fotonice sunt numite unidimensionale, bidimensionale și tridimensionale sau prescurtate ca 1D PC, 2D PC și 3D PC (D - din dimensiunea engleză) , respectiv. În mod convențional, structura PC-ului 2D și PC-ului 3D este prezentată în fig.
Cea mai frapantă trăsătură a cristalelor fotonice este existența într-un PC 3D cu un contrast suficient de mare în indicii de refracție ai componentelor anumitor regiuni spectrale, numite total fotonic band gaps (PBG): existența radiațiilor cu energie fotonică aparținând PBG în astfel de cristale este imposibil. În special, radiația al cărei spectru aparține PBG nu pătrunde în PC din exterior, nu poate exista în el și este reflectată complet de la graniță. Interdicția este încălcată numai dacă există defecte structurale sau dacă dimensiunea PC-ului este limitată. În acest caz, defectele liniare create intenționat sunt cu pierderi mici de încovoiere (până la razele de curbură micron), defectele punctuale sunt rezonatoare miniaturale. Implementarea practică a posibilităților potențiale ale PC-ului 3D pe baza posibilităților largi de control al caracteristicilor fasciculelor de lumină (fotoni) este abia la început. Este îngreunată de lipsa metodelor eficiente de creare a computerelor 3D de înaltă calitate, a metodelor de formare țintită a neomogenităților locale, a defectelor liniare și punctuale ale acestora, precum și a metodelor de interfață cu alte dispozitive fotonice și electronice.
S-au înregistrat progrese semnificativ mai mari către aplicarea practică a PC-urilor 2D, care sunt utilizate, de regulă, sub formă de cristale fotonice plane (film) sau sub formă de (PCF) (a se vedea detaliile în articolele relevante).
PCF-urile sunt o structură bidimensională cu un defect în partea centrală, alungită în direcția perpendiculară. Fiind un tip fundamental nou de fibre optice, PCF-urile oferă oportunități pentru transportul undelor luminoase și controlul semnalelor luminoase care sunt inaccesibile altor tipuri.
PC-urile unidimensionale (PC-uri 1D) sunt o structură multistrat de straturi alternante cu indici diferiți de refracție. În optica clasică, cu mult înainte de apariția termenului de „cristal fotonic”, era bine cunoscut faptul că în astfel de structuri periodice natura propagării undelor luminoase se modifică semnificativ datorită fenomenelor de interferență și difracție. De exemplu, acoperirile reflectorizante multistrat au fost mult timp utilizate pe scară largă pentru fabricarea de oglinzi și filtre de interferență de film și rețele Bragg volumetrice ca selectoare și filtre spectrale. După ce termenul PC a devenit utilizat pe scară largă, astfel de medii stratificate, în care indicele de refracție se modifică periodic de-a lungul unei direcții, au început să fie atribuite clasei de cristale fotonice unidimensionale. Cu incidența perpendiculară a luminii, dependența spectrală a coeficientului de reflexie de la acoperirile multistrat este așa-numita „tabel Bragg” - la anumite lungimi de undă, coeficientul de reflexie se apropie rapid de unitate cu o creștere a numărului de straturi. Undele de lumină care se încadrează în intervalul spectral prezentat în fig. b săgeata, sunt aproape complet reflectate de structura periodică. Conform terminologiei FK, acest interval de lungimi de undă și intervalul corespunzător de energii fotonice (sau banda de energie) sunt interzise pentru undele luminoase care se propagă perpendicular pe straturi.
Potențialul aplicațiilor practice ale PC-urilor este enorm datorită posibilităților unice de control al fotonilor și nu a fost încă explorat pe deplin. Nu există nicio îndoială că în următorii ani vor fi propuse noi dispozitive și elemente structurale, posibil fundamental diferite de cele care sunt folosite sau dezvoltate astăzi.
Perspective uriașe pentru utilizarea PC-urilor în fotonică au fost realizate după publicarea unui articol de E. Yablonovich, în care se propunea utilizarea PC-urilor cu PBG-uri complete pentru a controla spectrul de emisie spontană.
Printre dispozitivele fotonice care pot fi așteptate în viitorul apropiat se numără următoarele:
- lasere FK ultra-mici cu prag scăzut;
- PC-uri superbright cu un spectru de emisie controlat;
- ghidaje de undă subminiaturale FK cu rază de îndoire micron;
- circuite integrate fotonice cu un grad ridicat de integrare bazate pe PC-uri planare;
- filtre spectrale FK miniaturale, inclusiv cele reglabile;
- Dispozitive FK de memorie optică cu acces aleatoriu;
- Dispozitive optice de procesare a semnalului FK;
- mijloace pentru furnizarea de radiații laser de mare putere bazate pe PCF cu un miez gol.
Cea mai tentantă, dar și cea mai dificil de implementat aplicarea PC-urilor tridimensionale este crearea unor complexe super-mari integrate volumetric de dispozitive fotonice și electronice pentru procesarea informațiilor.
Alte utilizări potențiale pentru cristalele fotonice 3D includ fabricarea de bijuterii artificiale pe bază de opal.
Cristalele fotonice se găsesc și în natură, oferind nuanțe suplimentare de culoare lumii din jurul nostru. Astfel, învelișul sidefat al cochiliilor de moluște, cum ar fi haliotis, are o structură 1D FC, antenele unui șoarece de mare și perii unui vierme polihet sunt 2D FC, iar opalele naturale semiprețioase și aripile de coadă de rândunică africană. fluturii (Papilio ulysses) sunt cristale fotonice naturale tridimensionale.
Ilustrații
|
A– structura PC-ului bidimensional (sus) și tridimensional (jos); b este intervalul de bandă al unui PC unidimensional format din straturi GaAs/AlxOy cu un sfert de lungime de undă (decalajul de bandă este indicat printr-o săgeată); în este FC nichel inversat, obținut de personalul Universității de Stat din Moscova FNM. M.V. Lomonosova N.A. Sapolotova, K.S. Napolsky și A.A. Eliseev |
2
Introducere Din cele mai vechi timpuri, o persoană care a găsit un cristal fotonic a fost fascinată de un joc special de lumină irizată în el. S-a constatat că revărsările irizate de solzi și pene ale diferitelor animale și insecte se datorează existenței suprastructurilor pe acestea, care au primit denumirea de cristale fotonice pentru proprietățile lor reflectorizante. Cristalele fotonice se găsesc în natură în/pe: minerale (calcit, labradorit, opal); pe aripile fluturilor; scoici de gândac; ochii unor insecte; alge; solzi de pește; pene de păun. 3
Cristale fotonice Acesta este un material a cărui structură se caracterizează printr-o modificare periodică a indicelui de refracție în direcții spațiale Cristal fotonic pe bază de oxid de aluminiu. M. DEUBEL, G.V. FREYMANN, MARTIN WEGENER, SURESH PEREIRA, KURT BUSCH ȘI COSTAS M. SOUKOULIS „Scrierea directă cu laser a șabloanelor tridimensionale de cristal fotonic pentru telecomunicații”// Materiale naturii Vol. 3, pag
Un pic de istorie... 1887 Rayleigh a fost primul care a investigat propagarea undelor electromagnetice în structuri periodice, ceea ce este analog cu cristalul fotonic unidimensional Cristalele fotonice - termenul a fost introdus la sfârșitul anilor 1980. pentru a desemna analogul optic al semiconductorilor. Acestea sunt cristale artificiale realizate dintr-un dielectric translucid în care „găurile” de aer sunt create în mod ordonat. 5
Cristalele fotonice - viitorul energiei mondiale Cristalele fotonice la temperatură înaltă pot acționa nu numai ca sursă de energie, ci și ca detectoare (de energie, chimice) și senzori de extrem de înaltă calitate. Cristalele fotonice create de oamenii de știință din Massachusetts se bazează pe wolfram și tantal. Acest compus este capabil să funcționeze satisfăcător la temperaturi foarte ridicate. Până la ˚С. Pentru ca cristalul fotonic să înceapă să transforme un tip de energie în altul, convenabil pentru utilizare, orice sursă (termică, emisie radio, radiații dure, lumina soarelui etc.) va fi suficient. 6
7
Legea de dispersie a undelor electromagnetice într-un cristal fotonic (diagrama zonelor extinse). Partea dreaptă arată pentru o direcție dată în cristal relația dintre frecvență? și valorile ReQ (curbe solide) și ImQ (curba întreruptă în zona de oprire omega -
Teoria decalajului fotonic Abia în 1987, Eli Yablonovitch de la Bell Communications Research (acum profesor la UCLA) a introdus noțiunea de bandă interzisă electromagnetică. Pentru a extinde orizonturile: Conferință de Eli Yablonovitch yablonovitch-uc-berkeley/vezi Conferință de John Pendry john-pendry-imperial-college/view 9
În natură se găsesc și cristale fotonice: pe aripile fluturilor africani de coadă de rândunică, învelișul sidefat al cochiliilor de moluște, precum galiotis, barnacle de șoarece de mare și peri de vierme polihet. Fotografie cu o brățară opal. Opalul este un cristal fotonic natural. Se numește „piatra speranțelor înșelătoare” 10
11
Fără încălzire și distrugere fotochimică a acoperirii pigmentare" title="(!LANG: Avantajele filtrelor pe bază de FA față de mecanismul de absorbție (mecanismul de absorbție) pentru organismele vii: Colorarea interferentă nu necesită absorbția și disiparea energiei luminoase, => fără încălzire și distrugere fotochimică a stratului de pigment" class="link_thumb"> 12 !} Avantajele filtrelor pe bază de FA față de mecanismul de absorbție (mecanismul de absorbție) pentru organismele vii: Colorarea de interferență nu necesită absorbția și disiparea energiei luminoase, => lipsa încălzirii și distrugerea fotochimică a stratului de pigment. Fluturii care trăiesc în climă caldă au un model de aripi irizați, iar structura cristalului fotonic de la suprafață s-a descoperit că reduce absorbția luminii și, prin urmare, încălzirea aripilor. Șoarecele de mare folosește cristale fotonice de mult timp. 12 fără încălzire și distrugere fotochimică a stratului de pigment "> fără încălzire și distrugere fotochimică a stratului de pigment. Fluturii care trăiesc într-un climat cald au un model de aripi irizate, iar structura cristalului fotonic de la suprafață, după cum sa dovedit, reduce absorbția luminii și, în consecință, încălzirea aripilor.Șoarecele de mare folosește deja cristale fotonice în practică de mult timp. , => lipsă de încălzire și distrugere fotochimică a pigmentului"> title="Avantajele filtrelor pe bază de FA față de mecanismul de absorbție (mecanism de absorbție) pentru organismele vii: Colorarea de interferență nu necesită absorbția și disiparea energiei luminoase, => lipsa încălzirii și distrugerea fotochimică a stratului de pigment."> !}
Fluture iridescent Morpho didius și micrografie a aripii sale ca exemplu de microstructură biologică difractivă. Opal natural irizant (piatră semiprețioasă) și imaginea microstructurii sale, constând din sfere strânse de dioxid de siliciu. 13
Clasificarea cristalelor fotonice 1. Unidimensional. În care indicele de refracție se modifică periodic într-o direcție spațială, așa cum se arată în figură. În această figură, simbolul Λ indică perioada de modificare a indicelui de refracție și indicii de refracție ai celor două materiale (dar în general poate fi prezent orice număr de materiale). Astfel de cristale fotonice constau din straturi de materiale diferite paralele între ele, cu indici de refracție diferiți și își pot prezenta proprietățile într-o direcție spațială perpendiculară pe straturi. paisprezece
2. Bidimensional. În care indicele de refracție se modifică periodic în două direcții spațiale, așa cum se arată în figură. În această figură, un cristal fotonic este creat de regiuni dreptunghiulare cu un indice de refracție de n1, care se află într-un mediu cu un indice de refracție de n2. În acest caz, regiunile cu indicele de refracție n1 sunt ordonate într-o rețea cubică bidimensională. Astfel de cristale fotonice își pot prezenta proprietățile în două direcții spațiale, iar forma regiunilor cu indice de refracție n1 nu se limitează la dreptunghiuri, ca în figură, ci poate fi oricare (cercuri, elipse, arbitrare etc.). Rețeaua cristalină în care sunt ordonate aceste regiuni poate fi, de asemenea, diferită, și nu doar cubică, ca în figură. cincisprezece
3. Tridimensional. În care indicele de refracție se modifică periodic în trei direcții spațiale. Astfel de cristale fotonice își pot prezenta proprietățile în trei direcții spațiale și pot fi reprezentate ca o serie de regiuni volumetrice (sfere, cuburi etc.) ordonate într-o rețea cristalină tridimensională. 16
Aplicații ale cristalelor fotonice Prima aplicație este separarea canalelor spectrale. În multe cazuri, nu unul, ci mai multe semnale luminoase călătoresc de-a lungul unei fibre optice. Uneori trebuie sortate - pentru a le trimite pe fiecare pe o cale separată. De exemplu - un cablu telefonic optic, prin care există mai multe conversații în același timp la diferite lungimi de undă. Un cristal fotonic este un instrument ideal pentru a „ciopli” lungimea de undă dorită din flux și pentru a o direcționa acolo unde este necesar. Al doilea este o cruce pentru fluxurile de lumină. Un astfel de dispozitiv, care protejează canalele de lumină de influența reciprocă atunci când se traversează fizic, este absolut necesar atunci când se creează un computer ușor și cipuri de computer ușoare. 17
Cristalul fotonic în telecomunicații Nu au trecut atât de mulți ani de la începutul primelor dezvoltări, deoarece a devenit clar pentru investitori că cristalele fotonice sunt materiale optice de un tip fundamental nou și că au un viitor strălucit. Ieșirea dezvoltării cristalelor fotonice din gama optică la nivelul de aplicare comercială, cel mai probabil, va avea loc în domeniul telecomunicațiilor. optsprezece
21
Avantajele și dezavantajele metodelor litografice și holografice pentru obținerea FC Pluses: calitate înaltă a structurii formate. Viteză rapidă de producție Ușurință producție în masă Dezavantaje Este nevoie de echipament scump Posibilă deteriorare a clarității muchiilor Dificultate în fabricarea setărilor 22
Un prim plan în partea de jos arată rugozitatea rămasă de ordinul a 10 nm. Aceeași rugozitate este vizibilă pe șabloanele noastre SU-8 realizate prin litografie holografică. Acest lucru arată clar că această rugozitate nu este legată de procesul de fabricație, ci mai degrabă de rezoluția finală a fotorezistului. 24
Pentru a muta lungimile de undă fundamentale ale PBG în modul de telecomunicație de la 1,5 µm și 1,3 µm, este necesar să existe o distanță de ordinul a 1 µm sau mai puțin în planul tijelor. Probele fabricate au o problemă: tijele încep să intre în contact unele cu altele, ceea ce duce la o umplere mare nedorită a fracției. Soluție: Reducerea diametrului tijei, prin urmare umplerea fracției, prin gravare în plasmă de oxigen 26
Proprietățile optice ale unui PC Datorită periodicității mediului, propagarea radiației în interiorul unui cristal fotonic devine similară cu mișcarea unui electron în interiorul unui cristal obișnuit sub acțiunea unui potențial periodic. În anumite condiții, se formează goluri în structura benzilor unui PC, similar benzilor electronice interzise din cristale naturale. 27
Un cristal fotonic periodic bidimensional este obținut prin formarea unei structuri periodice de tije dielectrice verticale plantate într-un mod pătrat pe un substrat de dioxid de siliciu. Prin plasarea „defectelor” într-un cristal fotonic, este posibil să se creeze ghiduri de undă care, îndoite sub orice unghi, oferă o transmisie de 100% Structuri fotonice bidimensionale cu bandgap 28
O nouă metodă pentru obținerea unei structuri cu benzi interzise fotonice sensibile la polarizare Dezvoltarea unei abordări pentru combinarea structurii unei benzi interzise fotonice cu alte dispozitive optice și optoelectronice Observarea limitelor benzii de unde scurte și lungi. Scopul experienței este: 29
Principalii factori care determină proprietățile unei structuri fotonice band gap (PBG) sunt contrastul de refracție, proporția indicilor de material ridicat și scăzut în rețea și aranjarea elementelor rețelei. Configurația ghidului de undă utilizat este comparabilă cu cea a unui laser semiconductor. Rețeaua este foarte mică (100 nm în diametru) găurile au fost gravate pe miezul ghidului de undă, formând un grătar hexagonal 30
Fig.2a Schiță a rețelei și a zonei Brillouin ilustrând direcțiile de simetrie într-o rețea compactă orizontală. b, c Măsurarea caracteristicilor de transmisie pe o rețea fotonică de 19 nm. 31 de zone Brillouin cu direcții simetrice
Fig.4 Fotografii ale câmpului electric al profilelor undelor care se deplasează corespunzătoare benzii 1 (a) și benzii 2 (b), în apropierea punctului K pentru polarizarea TM. În a, câmpul are aceeași simetrie reflexivă în jurul planului y-z ca și unda plană, așa că ar trebui să interacționeze cu ușurință cu unda plană de intrare. În schimb, în b câmpul este asimetric, ceea ce nu permite să apară această interacțiune. 33
Concluzii: Structurile PBG pot fi folosite ca oglinzi și elemente pentru controlul direct al emisiei în laserele semiconductoare.Demonstrarea conceptelor PBG în geometria ghidului de undă va permite realizarea unor elemente optice foarte compacte.că se vor putea folosi efecte neliniare 34
În ultimul deceniu, dezvoltarea microelectronicii a încetinit, deoarece limitele de viteză ale dispozitivelor semiconductoare standard au fost deja atinse practic. Un număr tot mai mare de studii sunt dedicate dezvoltării unor domenii alternative la electronica semiconductoare - acestea sunt spintronica, microelectronica cu elemente supraconductoare, fotonica și altele.
Noul principiu de transmitere și procesare a informațiilor folosind un semnal luminos, mai degrabă decât un semnal electric, poate accelera debutul unei noi etape în era informațională.
De la simple cristale la fotonice
Baza dispozitivelor electronice ale viitorului poate fi cristalele fotonice - acestea sunt materiale sintetice ordonate în care constanta dielectrică se modifică periodic în interiorul structurii. În rețeaua cristalină a unui semiconductor tradițional, regularitatea, periodicitatea aranjamentului atomilor duce la formarea așa-numitei structuri energetice în bandă - cu zone permise și interzise. Un electron a cărui energie cade în banda permisă se poate deplasa prin cristal, în timp ce un electron cu energie în banda interzisă este „blocat”.
Prin analogie cu un cristal obișnuit, a apărut ideea unui cristal fotonic. În ea, periodicitatea permitivității provoacă apariția unor zone fotonice, în special, a zonei interzise, în care este suprimată propagarea luminii cu o anumită lungime de undă. Adică, fiind transparente pentru un spectru larg de radiații electromagnetice, cristalele fotonice nu transmit lumină cu o lungime de undă selectată (egale cu dublul perioadei structurii pe lungimea căii optice).
Cristalele fotonice pot avea dimensiuni diferite. Cristalele unidimensionale (1D) sunt o structură multistrat de straturi alternante cu indici de refracție diferiți. Cristalele fotonice bidimensionale (2D) pot fi reprezentate ca o structură periodică de tije cu permitivitati diferite. Primele prototipuri sintetice de cristale fotonice au fost tridimensionale și au fost create la începutul anilor 1990 de către personalul centrului de cercetare. Laboratoarele Bell(STATELE UNITE ALE AMERICII). Pentru a obține o rețea periodică într-un material dielectric, oamenii de știință americani au forat găuri cilindrice în așa fel încât să obțină o rețea tridimensională de goluri. Pentru ca materialul să devină un cristal fotonic, permisivitatea acestuia a fost modulată cu o perioadă de 1 centimetru în toate cele trei dimensiuni.
Analogii naturali ai cristalelor fotonice sunt straturile sidefate ale scoicilor (1D), antenele unui șoarece de mare, viermele polihet (2D), aripile unui fluture african de barca cu pânze și pietrele semiprețioase, cum ar fi opalul (3D).
Dar chiar și astăzi, chiar și cu ajutorul celor mai moderne și costisitoare metode de litografie electronică și gravare cu ioni anizotropi, este dificil să se producă cristale fotonice tridimensionale fără defecte, cu o grosime de peste 10 celule structurale.
Cristalele fotonice ar trebui să găsească o aplicație largă în tehnologiile integrate fotonice, care în viitor vor înlocui circuitele electrice integrate din computere. Când informațiile sunt transmise folosind fotoni în loc de electroni, consumul de energie va fi redus drastic, frecvențele de ceas și ratele de transfer de informații vor crește.
Cristal fotonic de oxid de titan
Oxidul de titan TiO 2 are un set de caracteristici unice, cum ar fi indicele de refracție ridicat, stabilitatea chimică și toxicitatea scăzută, ceea ce îl face cel mai promițător material pentru crearea de cristale fotonice unidimensionale. Dacă luăm în considerare cristalele fotonice pentru celulele solare, atunci oxidul de titan câștigă aici datorită proprietăților sale semiconductoare. O creștere a eficienței celulelor solare folosind un strat semiconductor cu o structură periodică de cristale fotonice, inclusiv cristale fotonice de oxid de titan, a fost demonstrată anterior.
Dar, până acum, utilizarea cristalelor fotonice pe bază de dioxid de titan este limitată de lipsa unei tehnologii reproductibile și ieftine pentru crearea lor.
Nina Sapoletova, Serghei Kushnir și Kirill Napolsky, membri ai Facultății de Chimie și ai Facultății de Științe a Materialelor din cadrul Universității de Stat din Moscova, au îmbunătățit sinteza cristalelor fotonice unidimensionale bazate pe filme poroase de oxid de titan.
„Anodizarea (oxidarea electrochimică) a metalelor supapelor, inclusiv aluminiul și titanul, este o metodă eficientă pentru obținerea de filme poroase de oxid cu canale de dimensiuni nanometrice”, a explicat Kirill Napolsky, șeful grupului de nanostructurare electrochimică, candidat la științe chimice.
Anodizarea se realizează de obicei într-o celulă electrochimică cu doi electrozi. Două plăci metalice, un catod și un anod, sunt coborâte în soluția de electrolit și se aplică o tensiune electrică. Hidrogenul este eliberat la catod, iar oxidarea electrochimică a metalului are loc la anod. Dacă tensiunea aplicată celulei este schimbată periodic, atunci pe anod se formează o peliculă poroasă cu o porozitate specificată în grosime.
Indicele efectiv de refracție va fi modulat dacă diametrul porilor se modifică periodic în cadrul structurii. Tehnicile de anodizare a titanului dezvoltate anterior nu au permis obținerea de materiale cu un grad ridicat de periodicitate a structurii. Chimiștii de la Universitatea de Stat din Moscova au dezvoltat o nouă metodă de anodizare a metalelor cu modulație de tensiune în funcție de sarcina de anodizare, care permite crearea de oxizi metalici anodici poroși cu o precizie ridicată. Posibilitățile noii tehnici au fost demonstrate de chimiști folosind ca exemplu cristale fotonice unidimensionale din oxid de titan anodic.
Ca urmare a modificării tensiunii de anodizare conform unei legi sinusoidale în intervalul 40-60 volți, oamenii de știință au obținut nanotuburi de oxid de titan anodic cu un diametru exterior constant și un diametru interior care se schimbă periodic (vezi figura).
„Metodele de anodizare folosite anterior nu au permis obținerea de materiale cu un grad ridicat de periodicitate a structurii. Am dezvoltat o nouă metodologie, a cărei componentă cheie este in situ(imediat în timpul sintezei) măsurarea încărcăturii de anodizare, ceea ce face posibilă controlul cu mare precizie a grosimii straturilor cu porozitate diferită în filmul de oxid format ”, a explicat unul dintre autorii lucrării, candidatul la științe chimice Sergey Kushnir.
Tehnica dezvoltată va simplifica crearea de noi materiale cu o structură modulată pe bază de oxizi metalici anodici. „Dacă luăm în considerare utilizarea cristalelor fotonice din oxidul de titan anodic în celulele solare ca o aplicație practică a tehnicii, atunci rămâne de făcut un studiu sistematic al influenței parametrilor structurali ai unor astfel de cristale fotonice asupra eficienței conversiei luminii în celulele solare. să fie efectuate”, a precizat Sergey Kushnir.
