Photonic na kristal. Electrochemistry ng Photonic Crystals Mula sa Simple Crystals hanggang Photonic Crystals
Pag-uuri ng mga pamamaraan para sa paggawa ng mga kristal na photonic. Ang mga photonic na kristal sa kalikasan ay isang pambihira. Ang mga ito ay nakikilala sa pamamagitan ng isang espesyal na iridescent play ng liwanag - isang optical phenomenon na tinatawag na irization (isinalin mula sa Greek - rainbow). Kasama sa mga mineral na ito ang calcite, labradorite, at opal SiO 2 ×n∙H 2 O na may iba't ibang mga inklusyon. Ang pinakasikat sa kanila ay opal - isang semi-mahalagang mineral, na isang koloidal na kristal na binubuo ng monodisperse spherical silicon oxide globules. Mula sa paglalaro ng liwanag sa huli ay nagmumula ang terminong opalescence, na tumutukoy sa isang espesyal na uri ng katangian ng pagkalat ng radiation para lamang sa kristal na ito.
Ang mga pangunahing pamamaraan para sa paggawa ng mga kristal na photonic ay kinabibilangan ng mga pamamaraan na maaaring nahahati sa tatlong grupo:
1. Mga pamamaraan gamit ang kusang pagbuo ng mga photonic crystal. Ang pangkat ng mga pamamaraan na ito ay gumagamit ng mga colloidal na particle tulad ng monodisperse silicone o polystyrene particle, pati na rin ang iba pang mga materyales. Ang nasabing mga particle, na nasa likidong singaw sa panahon ng pagsingaw, ay idineposito sa isang tiyak na dami. Habang ang mga particle ay naninirahan sa ibabaw ng isa't isa, sila ay bumubuo ng isang three-dimensional na photonic na kristal, at naayos nang nakararami sa isang face-centered o hexagonal na kristal na sala-sala. Posible rin ang isang paraan ng pulot-pukyutan, na batay sa pag-filter ng likido kung saan matatagpuan ang mga particle sa pamamagitan ng maliliit na spores. Kahit na ang paraan ng pulot-pukyutan ay ginagawang posible na bumuo ng isang kristal sa isang medyo mataas na rate, na tinutukoy ng rate ng daloy ng likido sa pamamagitan ng mga pores, gayunpaman, ang mga depekto ay nabuo sa naturang mga kristal sa pagpapatayo. Mayroong iba pang mga pamamaraan na gumagamit ng kusang pagbuo ng mga photonic na kristal, ngunit ang bawat pamamaraan ay may sariling mga pakinabang at disadvantages. Kadalasan, ang mga pamamaraang ito ay ginagamit upang magdeposito ng mga spherical colloidal silicone particle, gayunpaman, ang resultang refractive index contrast ay medyo maliit.
2. Mga paraan gamit ang object etching. Ang pangkat ng mga pamamaraan na ito ay gumagamit ng isang photoresist mask na nabuo sa ibabaw ng semiconductor, na tumutukoy sa geometry ng rehiyon ng etching. Gamit ang gayong maskara, ang pinakasimpleng kristal na photonic ay nabuo sa pamamagitan ng pag-ukit sa ibabaw ng isang semiconductor na hindi natatakpan ng isang photoresist. Ang kawalan ng pamamaraang ito ay ang pangangailangan na gumamit ng photolithography na may mataas na resolusyon sa antas ng sampu at daan-daang nanometer. Gayundin, ang mga sinag ng mga nakatutok na ion, tulad ng Ga, ay ginagamit upang gumawa ng mga photonic na kristal sa pamamagitan ng pag-ukit. Ang ganitong mga ion beam ay ginagawang posible na alisin ang bahagi ng materyal nang hindi gumagamit ng photolithography at karagdagang pag-ukit. Upang mapataas ang rate ng pag-ukit at pagbutihin ang kalidad nito, pati na rin ang pagdeposito ng mga materyales sa loob ng mga nakaukit na lugar, ginagamit ang karagdagang paggamot sa mga kinakailangang gas.
3. Holographic na pamamaraan. Ang ganitong mga pamamaraan ay batay sa aplikasyon ng mga prinsipyo ng holography. Sa tulong ng holography, ang mga pana-panahong pagbabago sa refractive index sa mga spatial na direksyon ay nabuo. Upang gawin ito, gamitin ang interference ng dalawa o higit pang magkakaugnay na alon, na lumilikha ng isang pana-panahong pamamahagi ng intensity ng electromagnetic radiation. Ang mga one-dimensional na photonic crystal ay nalikha sa pamamagitan ng interference ng dalawang waves. Ang dalawang-dimensional at tatlong-dimensional na mga kristal na photonic ay nilikha sa pamamagitan ng interference ng tatlo o higit pang mga alon.
Ang pagpili ng isang tiyak na paraan para sa paggawa ng mga photonic na kristal ay higit na tinutukoy ng kalagayan ng kung anong dimensyon ang kailangang gawin ng istraktura - one-dimensional, two-dimensional, o three-dimensional.
Isang-dimensional na pana-panahong istruktura. Ang pinakasimpleng at pinakakaraniwang paraan upang makakuha ng one-dimensional na periodic structures ay ang vacuum layer-by-layer deposition ng polycrystalline films mula sa dielectric o semiconductor na materyales. Ang pamamaraang ito ay naging laganap na may kaugnayan sa paggamit ng mga pana-panahong istruktura sa paggawa ng mga salamin ng laser at mga filter ng panghihimasok. Sa ganitong mga istruktura, kapag gumagamit ng mga materyales na may mga refractive index na nagkakaiba ng halos 2 beses (halimbawa, ZnSe at Na 3 AlF 6), posible na lumikha ng mga spectral reflection band (photonic band gaps) hanggang sa 300 nm ang lapad, na sumasaklaw sa halos buong nakikitang rehiyon ng spectrum.
Ang mga pagsulong sa synthesis ng semiconductor heterostructure sa mga nakalipas na dekada ay ginagawang posible na lumikha ng ganap na single-crystal na istruktura na may panaka-nakang pagbabago sa refractive index kasama ang direksyon ng paglago gamit ang molecular beam epitaxy o vapor deposition gamit ang mga organometallic compound. Sa kasalukuyan, ang mga naturang istruktura ay bahagi ng mga semiconductor laser na may mga vertical na lukab. Ang pinakamataas na kasalukuyang ratio ng mga refractive index ng mga materyales, tila, ay tumutugma sa pares ng GaAs/Al 2 O 3 at humigit-kumulang 2. Dapat pansinin ang mataas na pagiging perpekto ng kristal na istraktura ng naturang mga salamin at ang katumpakan ng pagbuo ng kapal ng layer sa antas ng isang panahon ng grating (mga 0.5 nm).
Kamakailan lamang, ipinakita ang posibilidad ng paglikha ng pana-panahong one-dimensional na mga istrukturang semiconductor gamit ang isang photolithographic mask at selective etching. Kapag nag-uukit ng silikon, posibleng lumikha ng mga istruktura na may tagal ng pagkakasunud-sunod na 1 μm o higit pa, habang ang ratio ng mga refractive na indeks ng silikon at hangin ay 3.4 sa malapit na infrared na rehiyon, isang walang katulad na mataas na halaga na hindi matamo ng iba pang mga pamamaraan ng synthesis . Isang halimbawa ng isang katulad na istraktura na nakuha sa Physico-Technical Institute. A. F. Ioffe RAS (St. Petersburg), ay ipinapakita sa fig. 3.96.
kanin. 3.96. Silicon-air periodic structure na nakuha sa pamamagitan ng anisotropic etching gamit ang isang photolithographic mask (structure period 8 µm)
Dalawang-dimensional na pana-panahong istruktura. Ang mga two-dimensional na periodic structure ay maaaring gawa-gawa gamit ang selective etching ng semiconductors, metal, at dielectrics. Ang teknolohiya ng selective etching ay binuo para sa silikon at aluminyo dahil sa malawak na paggamit ng mga materyales na ito sa microelectronics. Ang buhaghag na silikon, halimbawa, ay itinuturing na isang promising optical material na gagawing posible na lumikha ng pinagsamang mga optoelectronic system na may mataas na antas ng pagsasama. Ang kumbinasyon ng mga advanced na teknolohiya ng silikon na may mga epekto sa laki ng quantum at ang mga prinsipyo ng pagbuo ng mga photonic band gaps ay humantong sa pagbuo ng isang bagong direksyon - silicon photonics.
Ang paggamit ng submicron lithography para sa pagbuo ng mga maskara ay ginagawang posible na lumikha ng mga istruktura ng silikon na may panahon na 300 nm o mas kaunti. Dahil sa malakas na pagsipsip ng nakikitang radiation, ang mga silicon na photonic na kristal ay magagamit lamang sa malapit at kalagitnaan ng infrared na mga rehiyon ng spectrum. Ang kumbinasyon ng pag-ukit at oksihenasyon, sa prinsipyo, ay ginagawang posible na magpatuloy sa pana-panahong silicon oxide–air structures, ngunit sa parehong oras, ang mababang refractive index ratio (component 1.45) ay hindi nagpapahintulot sa pagbuo ng isang ganap na banda gap sa dalawang dimensyon.
Ang dalawang-dimensional na periodic structure ng A 3 B 5 semiconductor compound, na nakukuha rin sa pamamagitan ng selective etching gamit ang mga lithographic mask o template, ay mukhang may pag-asa. A 3 B 5 compounds ay ang mga pangunahing materyales ng modernong optoelectronics. Ang mga compound ng InP at GaAs ay may mas malaking band gap kaysa sa silikon at ang parehong mataas na mga halaga ng refractive index tulad ng silikon, katumbas ng 3.55 at 3.6, ayon sa pagkakabanggit.
Tunay na kawili-wili ang mga pana-panahong istruktura batay sa aluminyo oksido (Larawan 3.97a). Ang mga ito ay nakuha sa pamamagitan ng electrochemical etching ng metalikong aluminyo, sa ibabaw kung saan ang isang maskara ay nabuo gamit ang lithography. Gamit ang mga template ng electron lithographic, nakuha ang perpektong dalawang-dimensional na periodic na istruktura na kahawig ng mga pulot-pukyutan na may diameter ng pore na mas mababa sa 100 nm. Dapat pansinin na ang pumipili na pag-ukit ng aluminyo sa ilalim ng isang tiyak na kumbinasyon ng mga kondisyon ng pag-ukit ay ginagawang posible na makakuha ng mga regular na istruktura kahit na walang paggamit ng anumang mga maskara o template (Larawan 3.97b). Sa kasong ito, ang diameter ng pore ay maaaring ilang nanometer lamang, na hindi maabot para sa mga modernong pamamaraan ng lithographic. Ang periodicity ng mga pores ay nauugnay sa self-regulation ng proseso ng oksihenasyon ng aluminyo sa panahon ng electrochemical reaction. Ang paunang conductive material (aluminyo) sa panahon ng reaksyon ay na-oxidized sa Al 2 O 3 . Ang aluminum oxide film, na isang dielectric, ay binabawasan ang kasalukuyang at pinapabagal ang reaksyon. Ang kumbinasyon ng mga prosesong ito ay ginagawang posible upang makamit ang isang self-sustaining reaction mode, kung saan ang tuluy-tuloy na pag-ukit ay ginagawang posible sa pamamagitan ng pagpasa ng kasalukuyang sa pamamagitan ng mga pores, at ang reaksyon ng produkto ay bumubuo ng isang regular na istraktura ng pulot-pukyutan. Ang ilang iregularidad ng mga pores (Larawan 3.97b) ay dahil sa butil-butil na istraktura ng orihinal na polycrystalline aluminum film.
kanin. 3.97. Dalawang-dimensional na photonic na kristal ng Al 2 O 3: a) ginawa gamit ang isang lithographic mask; b) ginawa sa tulong ng self-regulation ng proseso ng oksihenasyon
Ang isang pag-aaral ng mga optical na katangian ng nanoporous alumina ay nagpakita ng isang hindi pangkaraniwang mataas na transparency ng materyal na ito kasama ang direksyon ng butas. Ang kawalan ng Fresnel reflection, na hindi maiiwasang umiiral sa interface sa pagitan ng dalawang tuloy-tuloy na media, ay humahantong sa mga halaga ng transmittance na umabot sa 98%. Sa mga direksyon na patayo sa mga pores, ang isang mataas na pagmuni-muni ay sinusunod na may koepisyent ng pagmuni-muni depende sa anggulo ng saklaw.
Ang medyo mababang halaga ng permittivity ng aluminum oxide, sa kaibahan sa silicon, gallium arsenide, at indium phosphide, ay hindi pinapayagan ang pagbuo ng isang ganap na band gap sa dalawang dimensyon. Gayunpaman, sa kabila nito, ang mga optical na katangian ng porous alumina ay medyo kawili-wili. Halimbawa, mayroon itong binibigkas na anisotropic light scattering, pati na rin ang birefringence, na nagpapahintulot na magamit ito upang paikutin ang polarization plane. Gamit ang iba't ibang pamamaraan ng kemikal, posibleng punan ang mga pores ng iba't ibang mga oxide, pati na rin ang mga optically active na materyales, tulad ng nonlinear optical media, organic at inorganic luminophores, at electroluminescent compound.
Three-dimensional na pana-panahong istruktura. Ang mga three-dimensional na periodic structure ay mga bagay na may pinakamalaking teknolohikal na paghihirap para sa eksperimentong pagpapatupad. Sa kasaysayan, ang unang paraan upang lumikha ng isang three-dimensional na kristal na photonic ay itinuturing na paraan batay sa mekanikal na pagbabarena ng mga cylindrical na butas sa dami ng materyal, na iminungkahi ni E. Yablonovich. Ang paggawa ng naturang three-dimensional na periodic structure ay medyo matrabaho; samakatuwid, maraming mga mananaliksik ang nagtangkang lumikha ng isang photonic na kristal sa pamamagitan ng iba pang mga pamamaraan. Kaya, sa pamamaraang Lin-Fleming, ang isang layer ng silikon dioxide ay inilapat sa isang silikon na substrate, kung saan ang mga parallel na piraso ay nabuo, na puno ng polycrystalline silicon. Dagdag pa, ang proseso ng paglalapat ng silikon dioxide ay paulit-ulit, ngunit ang mga piraso ay nabuo sa isang patayo na direksyon. Pagkatapos lumikha ng kinakailangang bilang ng mga layer, ang silicon oxide ay tinanggal sa pamamagitan ng pag-ukit. Bilang resulta, isang "woodpile" ng polysilicon rods ay nabuo (Larawan 3.98). Dapat pansinin na ang paggamit ng mga modernong pamamaraan ng submicron electron lithography at anisotropic ion etching ay ginagawang posible upang makakuha ng mga photonic crystal na may kapal na mas mababa sa 10 structural cells.
kanin. 3.98. 3D photonic na istraktura mula sa polysilicon rods
Ang mga pamamaraan para sa paglikha ng mga photonic na kristal para sa nakikitang hanay, batay sa paggamit ng mga istrukturang nagsasaayos sa sarili, ay naging laganap. Ang mismong ideya ng "pagsasama-sama" ng mga photonic na kristal mula sa mga globules (mga bola) ay hiniram mula sa kalikasan. Ito ay kilala, halimbawa, na ang mga natural na opal ay may mga katangian ng photonic crystals. Ayon sa kemikal na komposisyon nito, ang natural na mineral opal ay isang silicon dioxide hydrogel SiO 2 × H 2 O na may variable na nilalaman ng tubig: SiO 2 - 65 - 90 wt. %; H 2 O - 4.5–20%; Al 2 O 3 - hanggang 9%; Fe 2 O 3 - hanggang sa 3%; TiO 2 - hanggang 5%. Gamit ang electron microscopy, natagpuan na ang mga natural na opal ay nabuo sa pamamagitan ng mga malapit na naka-pack na spherical particle ng α-SiO 2 , pare-pareho ang laki, 150-450 nm ang lapad. Ang bawat particle ay binubuo ng mas maliliit na globular formation na may diameter na 5-50 nm. Ang globule packing voids ay puno ng amorphous silicon oxide. Ang intensity ng diffracted light ay naiimpluwensyahan ng dalawang mga kadahilanan: ang una ay ang "ideal" na siksik na pag-iimpake ng mga globules, ang pangalawa ay ang pagkakaiba sa mga refractive na indeks ng amorphous at crystalline oxide SiO 2 . Ang mga marangal na itim na opal ay may pinakamahusay na paglalaro ng liwanag (para sa kanila, ang pagkakaiba sa mga halaga ng refractive index ay ~ 0.02).
Posibleng lumikha ng mga globular photonic na kristal mula sa mga colloidal particle sa iba't ibang paraan: natural na sedimentation (pag-ulan ng isang dispersed phase sa isang likido o gas sa ilalim ng pagkilos ng isang gravitational field o centrifugal forces), centrifugation, pagsasala gamit ang mga lamad, electrophoresis, atbp. Ang mga spherical na particle ay kumikilos bilang mga colloidal particle na polystyrene, polymethyl methacrylate, mga particle ng silicon dioxide α-SiO 2 .
Ang natural na paraan ng pag-ulan ay isang napakabagal na proseso, na nangangailangan ng ilang linggo o kahit na buwan. Sa isang malaking lawak, pinabilis ng centrifugation ang proseso ng pagbuo ng mga koloidal na kristal, ngunit ang mga materyales na nakuha sa ganitong paraan ay hindi gaanong inayos, dahil sa isang mataas na rate ng pag-deposito, ang paghihiwalay ng mga particle ayon sa laki ay walang oras na mangyari. Upang mapabilis ang proseso ng sedimentation, ginagamit ang electrophoresis: isang patayong electric field ang nilikha, na "nagbabago" sa gravity ng mga particle depende sa kanilang laki. Ginagamit din ang mga pamamaraan batay sa paggamit ng mga puwersa ng capillary. Ang pangunahing ideya ay na, sa ilalim ng pagkilos ng mga puwersa ng capillary, ang pagkikristal ay nangyayari sa hangganan ng meniskus sa pagitan ng patayong substrate at ang suspensyon, at habang ang solvent ay sumingaw, isang maayos na istraktura ang nabuo. Bukod pa rito, ginagamit ang isang vertical na gradient ng temperatura, na ginagawang posible na mas mahusay na i-optimize ang bilis ng proseso at ang kalidad ng nilikhang kristal dahil sa mga convection currents. Sa pangkalahatan, ang pagpili ng pamamaraan ay tinutukoy ng mga kinakailangan para sa kalidad ng mga nagresultang kristal at ang oras na ginugol sa kanilang paggawa.
Ang teknolohikal na proseso ng paglaki ng mga sintetikong opal sa pamamagitan ng natural na sedimentation ay maaaring nahahati sa ilang yugto. Sa una, ang isang monodisperse (~5% deviation sa diameter) na suspensyon ng spherical silicon oxide globules ay inihanda. Ang average na diameter ng butil ay maaaring mag-iba sa isang malawak na hanay: mula 200 hanggang 1000 nm. Ang pinakakilalang paraan para sa pagkuha ng monodisperse colloidal silicon dioxide microparticle ay batay sa hydrolysis ng tetraethoxysilane Si(C 2 H 4 OH) 4 sa isang water-alcohol medium sa presensya ng ammonium hydroxide bilang isang katalista. Ang pamamaraang ito ay maaaring gamitin upang makakuha ng mga particle na may makinis na ibabaw ng halos perpektong spherical na hugis na may mataas na antas ng monodispersity (mas mababa sa 3% deviation sa diameter), pati na rin upang lumikha ng mga particle na may mga sukat na mas mababa sa 200 nm na may makitid na pamamahagi ng laki. . Ang panloob na istraktura ng naturang mga particle ay fractal: ang mga particle ay binubuo ng malapit na nakaimpake na mas maliliit na sphere (ilang sampu ng nanometer ang lapad), at ang bawat ganoong globo ay nabuo ng mga silicon polyhydroxo complex na binubuo ng 10-100 atoms.
Ang susunod na yugto ay ang pagtitiwalag ng mga particle (Larawan 3.99). Maaari itong tumagal ng ilang buwan. Sa pagkumpleto ng hakbang sa pag-deposito, nabuo ang isang malapit na naka-pack na periodic na istraktura. Susunod, ang precipitate ay tuyo at annealed sa isang temperatura ng tungkol sa 600 ºС. Sa panahon ng pagsusubo, ang mga sphere ay lumambot at nag-deform sa mga punto ng contact. Bilang resulta, ang porosity ng mga sintetikong opal ay mas mababa kaysa para sa isang perpektong siksik na spherical packing. Perpendikular sa direksyon ng photonic crystal growth axis, ang mga globule ay bumubuo ng mataas na ordered hexagonal close-packed na mga layer.
kanin. 3.99. Mga yugto ng paglaki ng mga sintetikong opal: a) pagtitiwalag ng mga particle;
b) pagpapatuyo ng namuo; c) sample na pagsusubo
Sa fig. Ang 3.100a ay nagpapakita ng isang micrograph ng synthetic opal na nakuha sa pamamagitan ng pag-scan ng electron microscopy. Ang mga sukat ng mga sphere ay 855 nm. Ang pagkakaroon ng bukas na porosity sa mga sintetikong opal ay ginagawang posible upang punan ang mga voids na may iba't ibang mga materyales. Ang mga opal matrice ay tatlong-dimensional na mga sublattice ng magkakaugnay na mga nanosized na pores. Ang mga laki ng butas ay nasa pagkakasunud-sunod ng daan-daang nanometer, at ang mga sukat ng mga channel na nagkokonekta sa mga pores ay umaabot sa sampu-sampung nanometer. Sa ganitong paraan, ang mga nanocomposite batay sa mga photonic na kristal ay nakuha. Ang pangunahing kinakailangan na iniharap sa paglikha ng mga de-kalidad na nanocomposite ay ang pagkakumpleto ng pagpuno ng nanoporous space. Ang pagpuno ay isinasagawa sa pamamagitan ng iba't ibang mga pamamaraan: pagpapakilala mula sa isang solusyon sa matunaw; impregnation na may puro solusyon na sinusundan ng pagsingaw ng solvent; electrochemical method, chemical vapor deposition, atbp.
kanin. 3.100. Photomicrographs ng photonic crystals: a) mula sa synthetic opal;
b) mula sa polystyrene microspheres
Ang selective etching ng silicon oxide mula sa naturang mga composite ay nagreresulta sa pagbuo ng spatially ordered nanostructures na may mataas na porosity (higit sa 74% ng volume), na tinatawag na reversed o inverted opals. Ang pamamaraang ito ng pagkuha ng mga photonic crystal ay tinatawag na template method. Tulad ng iniutos na monodisperse colloidal particle na bumubuo ng isang photonic crystal, hindi lamang ang mga particle ng silicon oxide, kundi pati na rin, halimbawa, ang mga polymer ay maaaring kumilos. Ang isang halimbawa ng isang photonic na kristal batay sa polystyrene microspheres ay ipinapakita sa fig. 3.100b
Ipinakita na, depende sa polarity ng pagsasama ng mga photodiode sa resonator, ang isang frequency shift ng tugon ay nangyayari pataas o pababa sa dalas na may pagtaas ng pag-iilaw. Iminumungkahi na gumamit ng isang sistema ng mga pinagsamang ring resonator upang mapataas ang sensitivity ng mga pinag-aralan na resonator sa halaga ng pag-iilaw. Ipinapakita na para sa isang nakapirming distansya sa pagitan ng mga pinagsamang resonator, ang frequency splitting ng tugon ng system sa kahit na (maliwanag) at kakaiba (madilim) na mga mode ay nangyayari sa tulong ng liwanag. Kami ay tiwala na ang iminungkahing paraan para sa paglikha ng mga tunable ring resonator ay gagawing posible na lumikha ng isang bagong klase ng light-controlled na metamaterial.
Ang gawaing ito ay suportado ng Ministry of Education ng Russian Federation (mga kasunduan blg. 14.V37.21.1176 at blg. 14.V37.21.1283), ang Dynasty Foundation, ang RFBR Foundation (proyekto blg. 13-02-00411), at ang Scholarship ng Pangulo ng Russian Federation para sa mga batang siyentipiko at nagtapos na mga mag-aaral noong 2012.
Panitikan
1. Linden S., Enkrich C., Wegener M., Zhou J., Koschny T., Soukoulis C.M. Magnetic na Tugon ng Metamaterials sa 100 Terahertz // Science. - 2004. - V. 306. - P. 1351-1353.
2. Shelby R., Smith D.R. at Schultz S. Eksperimental na Pagpapatunay ng isang Negatibong Index ng Refraction // Science. - 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 bilang Broadband Circular Polarizer // Science. - 2009. - V. 325. - P. 15131515.
4. Belov P.A., Hao Y. Subwavelength imaging sa optical frequency gamit ang transmission device na nabuo ng periodic layered metal-dielectric structure na tumatakbo sa canalization regime // 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. Tunable at nonlinear metamaterial // Siyentipiko at teknikal na bulletin ng mga teknolohiya ng impormasyon, mekanika at optika. - 2012. - Hindi. 3 (79). - C. 1-10.
7. Shadrivov I.V., Morrison S.K. at Kivshar Yu.S. Natunog na split-ring resonator para sa nonlinear negative-index metamaterial // Opt. ipahayag. - 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. at Kivshar Y.S. Kinokontrol ang split-ring resonator na may liwanag // Applied Physics Letters. - V. 99. - P. 251914 (1-3).
9. Marques R., Martin F. at Sorolla M. Mga Metamaterial na may Negatibong Parameter: Teorya, Disenyo at Mga Aplikasyon sa Microwave. - NJ: Wiley & Sons, Inc., Hoboken, 2008. - 315 p.
Kapitonova Polina Vyacheslavovna - Saint Petersburg National Research University
Information Technology, Mechanics at Optika, Kandidato ng Teknikal na Agham, Mananaliksik, [email protected], [email protected]
Belov Pavel Aleksandrovich - Saint Petersburg National Research University
Teknolohiya ng Impormasyon, Mechanics at Optika, Doktor ng Phys.-Math. Agham, Punong Mananaliksik, [email protected]
ANALYSIS NG BAND STRUCTURE NG ISANG PHOTONIC CRYSTAL NA MAY MARAMING OPTICAL LENGTH NG MGA LAYER PARA SA TERAHERTZ RANGE
OH. Denisultanov, M.K. Khodzitsky
Mula sa dispersion equation para sa isang walang katapusang photonic crystal, ang mga formula ay hinango para sa eksaktong pagkalkula ng mga hangganan ng band gap, ang lapad ng band gap, at ang eksaktong posisyon ng mga band gap center ng mga photonic crystal na may maraming optical layer na haba sa isang dalawang-layer cell para sa saklaw ng dalas ng terahertz mula 0.1 hanggang 1 THz. Na-verify ang mga formula sa numerical simulation ng mga photonic crystal sa pamamagitan ng transfer matrix method at sa pamamagitan ng time domain finite difference method para sa una, pangalawa, at pangatlong optical length multiplicity sa isang two-layer cell ng isang photonic crystal. Ang mga formula para sa pangalawang multiplicity ay nakumpirma sa eksperimentong paraan. Mga keyword: photonic crystal, band gap, cutoff frequency, multiple optical lengths, transmission matrix, metamaterial.
Panimula
Sa mga nagdaang taon, ang pag-aaral ng artipisyal na media na may hindi pangkaraniwang mga katangian ("metamaterial") ay nakakuha ng interes ng isang medyo malaking bilog ng mga siyentipiko at inhinyero, na dahil sa promising paggamit ng mga media na ito sa industriya at militar sa pag-unlad. ng mga bagong uri ng filter, phase shifter, superlenses, masking coatings, atbp. .d. . Ang isa sa mga uri ng meta-material ay isang photonic crystal, na isang layered na istraktura na may periodic
ski pagbabago ng refractive index. Ang mga photonic crystal (PC) ay aktibong ginagamit sa mga teknolohiya ng laser, paraan ng komunikasyon, pag-filter, dahil sa mga natatanging katangian tulad ng pagkakaroon ng isang istraktura ng banda sa spectrum, superresolution, superprism effect, atbp. . Ang partikular na interes ay ang pag-aaral ng mga photonic na kristal sa hanay ng terahertz (THz) para sa spectroscopic, tomographic na pag-aaral ng mga bagong uri ng materyales at biological na bagay. Ang mga mananaliksik ay nakagawa na ng dalawang-dimensional at tatlong-dimensional na mga PC para sa saklaw ng dalas ng THz at pinag-aralan ang kanilang mga katangian, ngunit, sa kasamaang-palad, sa ngayon ay walang eksaktong mga formula para sa pagkalkula ng mga katangian ng istraktura ng banda ng isang photonic na kristal, tulad ng band gap, band gap center, band gap boundaries. Ang layunin ng gawaing ito ay upang makakuha ng mga formula para sa pagkalkula ng mga katangian ng isang one-dimensional na photonic crystal para sa una, pangalawa, at pangatlong optical length multiplicity sa isang dalawang-layer na PC cell at upang i-verify ang mga formula na ito gamit ang numerical simulation gamit ang transfer matrix paraan at ang paraan ng may hangganang pagkakaiba sa domain ng oras, pati na rin ang isang eksperimento sa mga frequency ng saklaw ng THz.
Analytical at numerical modeling
Isaalang-alang natin ang isang walang katapusang photonic na kristal na may mga refractive na indeks ng mga layer sa isang dalawang-layer na cell n1 at n2 at mga kapal ng layer d1 at d2, ayon sa pagkakabanggit. Ang istrukturang ito ay nasasabik ng isang linearly polarized na transverse electrical wave (TE wave). Ang wave vector k ay nakadirekta patayo sa mga layer ng PC (Larawan 1). Ang dispersion equation para sa naturang PC, na nakuha gamit ang Floquet theorem at ang continuity condition para sa tangential field components sa layer boundary, ay may sumusunod na anyo:
C08 [kv (dx + d2)] = co8 [kg d ^] x co $ [k2 d2] -0.5)
s bt [kg e1] x bt [kg e2
kung saan ang q ay ang Bloch wave number; k^ =
kung repraksyon; d1, d2 - mga kapal ng layer.
2 l x / x p1
; / - dalas; pg, p2 - tagapagpahiwatig
kanin. 1. Layered-periodic na istraktura na isinasaalang-alang
L. at L 1! ako x. ] l! / l Balatan! l"
at " at | Г ¡4 1 ! 1) 1 1 N V at | 1 У " 11
0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6
Dalas / THz
kanin. 2. Frequency dispersion ng complex na Bloch wavenumber
Ang dispersion ng complex Bloch wave number na nakuha gamit ang Eq. (1) ay ipinapakita sa Fig. 2. Gaya ng makikita sa fig. 2, sa mga hangganan ng mga gaps ng banda, ang argumento ng cosine q(d1 + d2) ay kukuha sa mga halaga alinman sa 0 o n. Samakatuwid, batay sa kondisyong ito, maaari nating kalkulahin
upang matukoy ang mga halaga ng mga cutoff frequency, band gaps, at band gap center ng photonic crystal. Gayunpaman, para sa isang photonic na kristal na may hindi maraming optical na haba ng mga layer sa loob ng isang dalawang-layer na cell, ang mga formula na ito ay maaari lamang makuha sa isang implicit na anyo. Upang makakuha ng mga tahasang formula, maraming optical na haba ang dapat gamitin: nxx = n2e2; pyoh = 2хп2ё2; pyoh = 3xn2ё2... . Isinaalang-alang ng gawain ang mga formula para sa 1st, 2nd at 3rd multiplicity.
Para sa isang photonic crystal ng unang multiplicity (nxx = n2d2), ang mga formula para sa boundary frequency, widths
bandgap at ang gitna ng bandgap ay may sumusunod na anyo:
(/n 1 L (/n "at 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)
kung saan /1 at /2 - mababang dalas at mataas na dalas na mga hangganan ng ipinagbabawal na sona, ayon sa pagkakabanggit; A/ - banda gap; /33 ang sentro ng ipinagbabawal na sona; c ay ang bilis ng liwanag; / - sentro ng pinapayagan
o n n2 zone 6 = - + -;
Para sa PC na may mga parameter ng layer nx = 2.9; n2 = 1.445; ex = 540 µm; e2 = 1084 μm para sa pangalawang banda gap sa hanay na 0.1-1 THz, ang mga sumusunod na parameter ng istraktura ng banda ay nagaganap: /1 = 0.1332 THz; /2 = 0.1541 THz; A/ = 0.0209 THz; /zz = 0.1437 THz.
Para sa isang PC, ang mga optical na haba ng mga layer na nauugnay sa pagkakapantay-pantay nxx = 2n2d2, ang mga sumusunod na formula para sa mga parameter ng istraktura ng banda ay nakuha:
4 + v + U v2-4 6 + 3v-4v2 -4
4 + v-V v2 - 4 6 + 3v + ^v2 - 4
2 + sa -V sa2 - 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
kung saan (/1 at /11), (/2 at /21), (/3 at /31), (/4 at /41) - ang mga hangganan ng mababang dalas at mataas na dalas ay ipinagbabawal
ny zone na may mga numero (4t + 1), (4t + 2), (4t + 3), (4t + 4), ayon sa pagkakabanggit; c ay ang bilis ng liwanag; P= - + -;
m = 0.1.2,.... Ang banda gap ay kinakalkula bilang A/ = /-/x; bandgap center
, / + /x. d /sz = ^ ; /pz - ang sentro ng pinapayagang zone.
Para sa FC na may mga parameter nx = 2.9; n2 = 1.445; ex = 540 µm; e2 = 541.87 μm para sa pangalawang banda gap sa hanay na 0.1-1 THz, mayroon kaming
/2 = 0.116 THz; /2x = 0.14 THz; A/ = 0.024 THz; /zz = 0.128 THz.
Para sa isang photonic na kristal na ang mga optical na haba ay nauugnay sa pagkakapantay-pantay nxx = 3n2d2, ang mga sumusunod na formula para sa mga parameter ng istraktura ng banda ay nakuha:
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
kung saan ang (/1 at /11), (/2 at /2), (/3 at /) ay ang low-frequency at high-frequency band gaps na may
mga numero (3m+1), (3m+2), (3m+3), ayon sa pagkakabanggit; c ay ang bilis ng liwanag; p = - + -; t = 0,1,2,.... Lapad
band gap ay kinakalkula bilang D/ = / - /1; bandgap center /zz =
pinahihintulutang zone.
Para sa isang PC na may mga parameter n1 = 2.9; n2 = 1.445; = 540 µm; d2 = 361.24 μm para sa pangalawang banda gap sa hanay na 0.1-1 THz, mayroon kaming
/2 = 0.1283 THz; = 0.1591 THz; D/ = 0.0308 THz; /zz = 0.1437 THz.
Upang gayahin ang isang PC na may hangganan na haba, kinakailangan na gumamit ng paraan ng paglipat ng mga matrice, na nagbibigay-daan sa iyo upang kalkulahin ang halaga ng electromagnetic field ng isang alon na dumadaan sa isang photonic na kristal sa isang arbitrary na punto ng ika-2 layer. Ang transfer matrix para sa isang layer ay ang mga sumusunod:
cos(k0 x n x p x sin(k0
: z x cos 0) x n x z x cos 0)
(-i / p) x kasalanan(k0 x n x z x cos 0)
kung saan k0 = -; p = - cos 0 ; n = ; z - coordinate sa Oz axis; 0 - anggulo ng saklaw ng alon sa unang layer.
Gamit ang paraan ng paglipat ng mga matrice, sa mathematical package na MATLAB, ang istraktura ng banda ng isang photonic na kristal ay itinayo para sa mga optical na haba ng mga layer sa isang dalawang-layer na cell ng 1st, 2nd at 3rd multiplicity), sa THz frequency range (para sa 0=0) na may 10 unit cell na may mga parameter ng layer na nakasaad sa itaas (Larawan 3).
Gaya ng makikita sa fig. 3, sa transmission spectrum ng mga PC ng 1st, 2nd, at 3rd multiplicity, may mga band gaps na multiple ng dalawa, tatlo, at apat, ayon sa pagkakabanggit, kumpara sa band structure ng mga PC na may non-multiple optical lengths ng mga layer sa loob ng unit cell. Para sa lahat ng tatlong kaso ng multiplicity, ang relatibong error sa pagkalkula ng mga parameter ng band structure ng final PC ay hindi lalampas sa 1% kumpara sa mga formula para sa infinite PC (ang band gap ay kinakalkula sa antas ng 0.5 ng transmittance para sa ang huling PC).
Gayundin, ang istruktura ng isang one-dimensional na PC ay kinakalkula sa pamamagitan ng finite difference method sa time domain gamit ang CST Microwave Studio three-dimensional modeling software package (Fig. 4). Makikita ng isa ang parehong pag-uugali ng istraktura ng banda ng panghuling PC tulad ng para sa transmission spectra na nakuha ng paraan ng transfer matrix. Ang relatibong error sa pagkalkula ng mga parameter ng band structure ng isang finite PC sa simulation package na ito ay hindi lalampas sa 3% kumpara sa mga formula para sa isang infinite PC.
Tszh.M.
pShshShSh) sschm
xxx=3n2ё2 Dalas / THz
kanin. Fig. 3. Band structure ng isang photonic crystal para sa tatlong multiplicity, optical na haba ng mga layer sa isang two-layer cell sa THz frequency range (mga numero ay nagpapahiwatig ng band gap number, ang mga arrow ay nagpapahiwatig ng drop-down
mga lugar na ipinagbabawal)
I-e-e t o
pyoh \u003d 2p2ё2 -OO / ut1
xxx=3n2ё2 Dalas, THz
kanin. Fig. 4. Three-dimensional na modelo ng PC sa MA (a) at ang transmittance ng PC para sa tatlong multiplicity (b)
pang-eksperimentong bahagi
Ang kaso ng 2nd multiplicity ay na-verify nang eksperimento sa pamamagitan ng paraan ng tuloy-tuloy na THz spectroscopy sa hanay na 0.1-1 THz. Ang paraan ng paghahalo ng mga frequency ng infrared radiation sa isang photoconductive (FC) antenna ay ginamit upang makabuo ng THz radiation. Ang pangalawang FP antenna ay ginamit bilang isang receiver. Ang isang naka-assemble na PC ay na-install sa pagitan ng transmitting at receiving PC antennas (Fig. 5).
Ang inimbestigahang photonic crystal ay may mga sumusunod na parameter: ang bilang ng mga bilayer na selula -3; ang mga repraktibo na indeks ng mga layer - nx = 2.9 at n2 = 1.445; mga kapal ng layer - ех = 540 μm at е2 = 520 μm (ang е2 ay 21 μm na mas mababa kaysa sa kaso ng perpektong 2nd multiplicity). Sa fig. Ang 5 ay nagpapakita ng paghahambing ng eksperimental at teoretikal na spectra para sa 4 at 5 na gaps ng banda. Tulad ng makikita mula sa pang-eksperimentong graph, pati na rin para sa simulation, ang isang banda gap na isang maramihang ng tatlo ay sinusunod kumpara sa istraktura ng banda ng isang PC na may hindi maraming optical na haba ng mga layer sa loob ng unit cell. Ang isang bahagyang pagkakaiba sa pagitan ng mga posisyon ng mga sentro ng mga ipinagbabawal na zone sa eksperimental at teoretikal
tic spectrum ay dahil sa pagkakaiba sa kapal ng mga Teflon layer sa eksperimento mula sa perpektong 2nd multiplicity.
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 Dalas, THz
Eksperimento
Pagmomodelo
kanin. Fig. 5. Larawan ng setup, larawan ng photonic crystal na modelo (a) at isang comparative graph ng experimental at theoretical transmittance ng isang photonic crystal na may tatlong elementarya.
mga cell (b)
Konklusyon
Kaya, ang mga eksaktong formula ay nakuha para sa pagkalkula ng mga parameter ng istraktura ng banda (band gap, mga hangganan ng band gap, at band gap center) ng isang-dimensional na photonic na kristal na may maraming haba ng optical layer sa loob ng isang two-layer unit cell para sa kaso ng isang TE wave na may wave vector na patayo sa mga eroplano ng photonic layers.kristal. Ipinakita ito para sa isang photonic crystal ng 1st, 2nd at 3rd multiplicity ang pagkawala ng mga gaps ng banda, isang maramihang dalawa, tatlo, apat, ayon sa pagkakabanggit, kung ihahambing sa istraktura ng banda ng mga photonic crystal na may hindi maraming optical na haba ng mga layer. sa loob ng unit cell. Ang mga formula para sa 1st, 2nd at 3rd multiplicity ay sinubukan gamit ang transfer matrix method at 3D finite difference numerical simulation sa time domain. Ang kaso ng 2nd multiplicity ay na-verify nang eksperimento sa saklaw ng dalas ng THz mula 0.1 hanggang 1 THz. Ang mga nakuhang formula ay maaaring gamitin upang bumuo ng mga filter ng broadband batay sa mga photonic na kristal para sa pang-industriya, militar at medikal na mga aplikasyon nang hindi kinakailangang i-modelo ang istraktura ng banda ng isang photonic na kristal sa iba't ibang mga mathematical na pakete.
Ang gawain ay bahagyang suportado ng grant No. 14.132.21.1421 sa loob ng balangkas ng Federal Target Program na "Scientific and Scientific-Pedagogical Personnel of Innovative Russia" para sa 2009-2013.
Panitikan
1. Vendik I.B., Vendik O.G. Mga metamaterial at ang kanilang aplikasyon sa teknolohiya ng microwave (Pagsusuri) // Journal ng teknikal na pisika. - St. Petersburg Electrotechnical University "LETI". - 2013. - T. 83. - Isyu. 1. - S. 3-26.
2. Vozianova A.V., Khodzitsky M.K. Masking coating batay sa spiral resonator // Siyentipiko at teknikal na bulletin ng mga teknolohiya ng impormasyon, mekanika at optika. - 2012. - No. 4 (80). -MULA. 28-34.
3. Terekhov Yu.E., Khodzitsky M.K., Belokopytov G.V. Mga katangian ng metafilms para sa saklaw ng dalas ng terahertz na may scaling ng mga geometric na parameter // Siyentipiko at teknikal na bulletin ng mga teknolohiya ng impormasyon, mekanika at optika. - 2013. - Hindi. 1 (83). - S. 55-60.
4. Yablonovitch E. Inhibited Spontaneous Emission sa Solid-State Physics and Electronics // Mga Sulat sa Pagsusuri ng Pisikal. - 1987. - V. 58. - Hindi. 20. - P. 2059-2062.
5. Figotin A., Kuchment P. Band-Gap Structure ng Spectra ng Periodic Dielectric at Acoustic Media. II. Two-Dimensional Photonic Crystals // SIAM Journal on Applied Mathematics. - 1996. - V. 56. - Bilang 6. - P. 1561-1620.
6. Smolyaninov Igor I., Davis Christopher C. Super-resolution na optical microscopy batay sa photonic crystal na materyales // Pisikal na pagsusuri B. - 2005. - V. 72. - P. 085442.
7. Kosaka Hideo, Kawashima Takayuki, Tomita Akihisa. Superprism phenomena sa photonic crystals // Pisikal na pagsusuri B. - 1998. - V. 58. - No. 16. - P. 10096-10099.
8. Kurt Hamza, Erim Muhammed Necip, Erim Nur. Iba't ibang photonic crystal bio-sensor configuration batay sa optical surface modes // Department of Electrical and Electronics Engineering. - 2012. - V. 165. - Hindi. 1. - P. 68-75.
9. Ozbay E., Michel E., Tuttle G., Biswas R., Sigalas M., at Ho K.M. Micromachined millimeter-wave photonic band-gap crystals // Appl. Phys. Sinabi ni Lett. - 1994. - V. 64. - Hindi. 16. - P. 2059-2061.
10. Jin C., Cheng B., Li Z., Zhang D., Li L.M., Zhang Z.Q. Dalawang dimensional na metallic photonic crystal sa hanay ng THz // Opt. commun. - 1999. - V. 166. - Bilang 9. - P. 9-13.
11. Nusinsky Inna at Hardy Amos A. Band-gap analysis ng one-dimensional photonic crystals at mga kondisyon para sa gap closing // Physical review B. - 2006. - V. 73. - P. 125104.
12. Bass F.G., Bulgakov A.A., Tetervov A.P. Mga katangian ng high-frequency ng semiconductors na may mga superlattice. - M.: Agham. Ch. ed. Phys.-Math. lit., 1989. - 288 p.
13. Ipinanganak M., Wolf E. Mga Batayan ng optika. - M.: Agham. Ch. ed. Phys.-Math. lit., 1973. - 733 p.
14. Gregory I.S., Tribe W.R., Baker C. Continuous-wave terahertz system na may 60 dB dynamic range // Applied Phisics Letters. - 2005. - V. 86. - P. 204104.
Denisultanov Alaudi Khozhbaudievich
Khodzitsky Mikhail Konstantinovich
St. Petersburg National Research University of Information Technologies, Mechanics and Optics, estudyante, [email protected]
St. Petersburg National Research University of Information Technologies, Mechanics and Optics, Kandidato ng Phys.-Math. agham, katulong, [email protected]
) — isang materyal na ang istraktura ay nailalarawan sa pamamagitan ng isang panaka-nakang pagbabago sa refractive index sa 1, 2 o 3 spatial na direksyon.
Paglalarawan
Ang isang natatanging tampok ng photonic crystals (PC) ay ang pagkakaroon ng spatially periodic na pagbabago sa refractive index. Depende sa bilang ng mga spatial na direksyon kung saan pana-panahong nagbabago ang refractive index, ang mga photonic na kristal ay tinatawag na one-dimensional, two-dimensional at three-dimensional, o dinaglat bilang 1D PC, 2D PC at 3D PC (D - mula sa English na dimensyon) , ayon sa pagkakabanggit. Karaniwan, ang istraktura ng 2D PC at 3D PC ay ipinapakita sa fig.
Ang pinaka-kapansin-pansing katangian ng mga photonic crystal ay ang pagkakaroon sa isang 3D PC na may sapat na malaking kaibahan sa mga refractive index ng mga bahagi ng ilang spectral na rehiyon, na tinatawag na kabuuang photonic band gaps (PBGs): ang pagkakaroon ng radiation na may photon energy na kabilang sa Ang PBG sa gayong mga kristal ay imposible. Sa partikular, ang radiation na ang spectrum ay kabilang sa PBG ay hindi tumagos sa PC mula sa labas, hindi maaaring umiral dito, at ganap na makikita mula sa hangganan. Ang pagbabawal ay nilalabag lamang kung may mga depekto sa istruktura o kung limitado ang laki ng PC. Sa kasong ito, sadyang nilikha ang mga linear na depekto ay may maliit na pagkalugi ng baluktot (hanggang sa micron radii ng curvature), ang mga point defect ay mga miniature resonator. Ang praktikal na pagpapatupad ng mga potensyal na posibilidad ng 3D PC batay sa malawak na posibilidad ng pagkontrol sa mga katangian ng mga light (photon) beam ay nagsisimula pa lamang. Ito ay nahahadlangan ng kakulangan ng mga epektibong pamamaraan para sa paglikha ng mga de-kalidad na 3D PC, mga pamamaraan para sa naka-target na pagbuo ng mga lokal na inhomogeneities, mga linear at point defect sa mga ito, pati na rin ang mga pamamaraan para sa interfacing sa iba pang mga photonic at electronic device.
Makabuluhang higit na pag-unlad ang nagawa patungo sa praktikal na aplikasyon ng mga 2D PC, na ginagamit, bilang panuntunan, sa anyo ng planar (pelikula) na mga photonic na kristal o sa anyo ng (PCF) (tingnan ang mga detalye sa mga nauugnay na artikulo).
Ang mga PCF ay isang two-dimensional na istraktura na may depekto sa gitnang bahagi, na pinahaba sa patayo na direksyon. Bilang panimulang bagong uri ng mga optical fiber, ang mga PCF ay nagbibigay ng mga pagkakataon para sa pagdadala ng mga light wave at pagkontrol sa mga light signal na hindi naa-access sa iba pang mga uri.
Ang mga one-dimensional na PC (1D PCs) ay isang multilayer na istraktura ng mga alternating layer na may iba't ibang refractive index. Sa klasikal na optika, matagal bago ang paglitaw ng terminong "photonic crystal", kilalang-kilala na sa gayong mga pana-panahong istruktura ang likas na katangian ng pagpapalaganap ng mga light wave ay nagbabago nang malaki dahil sa mga phenomena ng interference at diffraction. Halimbawa, ang multilayer reflective coatings ay matagal nang malawakang ginagamit para sa paggawa ng mga salamin at film interference filter, at volumetric Bragg gratings bilang spectral selector at filter. Matapos ang terminong PC ay naging malawakang ginagamit, ang naturang layered media, kung saan ang refractive index ay pana-panahong nagbabago sa isang direksyon, ay nagsimulang maiugnay sa klase ng isang-dimensional na photonic crystals. Sa perpendicular light incidence, ang spectral dependence ng reflection coefficient mula sa multilayer coatings ay ang tinatawag na "Bragg table" - sa ilang mga wavelength, ang reflection coefficient ay mabilis na lumalapit sa pagkakaisa na may pagtaas sa bilang ng mga layer. Mga light wave na bumabagsak sa spectral range na ipinapakita sa fig. b arrow, ay halos ganap na makikita mula sa pana-panahong istraktura. Ayon sa terminolohiya ng FK, ang hanay ng mga wavelength na ito at ang kaukulang hanay ng mga photon energies (o ang energy band) ay ipinagbabawal para sa mga light wave na nagpapalaganap patayo sa mga layer.
Ang potensyal para sa mga praktikal na aplikasyon ng mga PC ay napakalaki dahil sa mga natatanging posibilidad ng pagkontrol ng mga photon at hindi pa ganap na ginalugad. Walang alinlangan na sa mga darating na taon ay ipapanukala ang mga bagong kagamitan at elemento ng istruktura, posibleng sa panimula ay naiiba sa mga ginagamit o binuo ngayon.
Malaking mga prospect para sa paggamit ng mga PC sa photonics ay natanto pagkatapos ng paglalathala ng isang artikulo ni E. Yablonovich, kung saan iminungkahi na gumamit ng mga PC na may ganap na mga PBG upang kontrolin ang spontaneous emission spectrum.
Kabilang sa mga photonic device na maaaring asahan sa malapit na hinaharap ay ang mga sumusunod:
- mga ultra-maliit na low-threshold na FK laser;
- napakaliwanag na mga PC na may kinokontrol na spectrum ng paglabas;
- subminiature FK waveguides na may micron bending radius;
- photonic integrated circuit na may mataas na antas ng pagsasama batay sa mga planar na PC;
- pinaliit na FK spectral na mga filter, kabilang ang mga mahimig;
- FK device ng random access optical memory;
- FK optical signal processing device;
- paraan para sa paghahatid ng high-power laser radiation batay sa PCF na may hollow core.
Ang pinaka-nakatutukso, ngunit din ang pinakamahirap na ipatupad ang aplikasyon ng mga three-dimensional na PC ay ang paglikha ng napakalaking volumetrically integrated complexes ng photonic at electronic device para sa pagproseso ng impormasyon.
Kasama sa iba pang potensyal na gamit para sa 3D photonic crystal ang paggawa ng mga artipisyal na alahas na nakabatay sa opal.
Ang mga photonic na kristal ay matatagpuan din sa kalikasan, na nagbibigay ng karagdagang mga kulay ng kulay sa mundo sa paligid natin. Kaya, ang mother-of-pearl coating ng mga shell ng mollusks, tulad ng haliotis, ay may 1D FC structure, ang antennae ng sea mouse at ang bristles ng polychaete worm ay 2D FC, at natural semiprecious opals at wings ng African swallowtail. Ang mga butterflies (Papilio ulysses) ay natural na three-dimensional na photonic crystal.
Mga Ilustrasyon
|
a– istraktura ng dalawang-dimensional (itaas) at tatlong-dimensional (ibaba) PC; b ay ang band gap ng isang one-dimensional na PC na nabuo ng quarter-wavelength na mga layer ng GaAs/AlxOy (ang band gap ay ipinapakita ng isang arrow); sa ay ang inverted nickel FC, na nakuha ng mga kawani ng FNM Moscow State University. M.V. Lomonosova N.A. Sapolotova, K.S. Napolsky at A.A. Eliseev |
2
Panimula Mula noong sinaunang panahon, ang isang tao na nakahanap ng isang photonic na kristal ay nabighani sa isang espesyal na iridescent play ng liwanag dito. Napag-alaman na ang iridescent na pag-apaw ng mga kaliskis at balahibo ng iba't ibang mga hayop at insekto ay dahil sa pagkakaroon ng mga superstructure sa kanila, na tumanggap ng pangalang photonic crystals para sa kanilang mga reflective properties. Ang mga photonic na kristal ay matatagpuan sa kalikasan sa/sa: mineral (calcite, labradorite, opal); sa mga pakpak ng mga butterflies; mga shell ng salagubang; ang mga mata ng ilang mga insekto; algae; kaliskis ng isda; mga balahibo ng paboreal. 3
Photonic crystals Ito ay isang materyal na ang istraktura ay nailalarawan sa pamamagitan ng isang panaka-nakang pagbabago sa refractive index sa spatial na direksyon Photonic crystal batay sa aluminum oxide. M. DEUBEL, G.V. FREYMANN, MARTIN WEGENER, SURESH PEREIRA, KURT BUSCH AT COSTAS M. SOUKOULIS “Direktang laser writing ng three-dimensional photonic-crystal templates para sa telekomunikasyon”// Nature materials Vol. 3, P
Kaunting kasaysayan… 1887 Si Rayleigh ang unang nag-imbestiga sa pagpapalaganap ng mga electromagnetic wave sa pana-panahong mga istruktura, na kahalintulad sa one-dimensional na photonic crystal na Photonic Crystals - ang termino ay ipinakilala noong huling bahagi ng 1980s. upang tukuyin ang optical analogue ng semiconductors. Ito ay mga artipisyal na kristal na gawa sa isang translucent dielectric kung saan ang mga "butas" ng hangin ay nilikha sa isang maayos na paraan. 5
Photonic crystals - ang kinabukasan ng enerhiya sa mundo Ang mataas na temperatura na photonic crystal ay maaaring kumilos hindi lamang bilang isang mapagkukunan ng enerhiya, kundi pati na rin bilang napakataas na kalidad na mga detektor (enerhiya, kemikal) at mga sensor. Ang mga photonic na kristal na nilikha ng mga siyentipiko ng Massachusetts ay batay sa tungsten at tantalum. Ang tambalang ito ay may kakayahang gumana nang kasiya-siya sa napakataas na temperatura. Hanggang ˚С. Upang masimulan ng photonic na kristal ang pag-convert ng isang uri ng enerhiya sa isa pa, na maginhawa para sa paggamit, gagawin ang anumang pinagmulan (thermal, radio emission, hard radiation, sikat ng araw, atbp.). 6
7
Batas sa pagpapakalat ng mga electromagnetic wave sa isang photonic na kristal (diagram ng mga pinahabang zone). Ang kanang bahagi ay nagpapakita para sa isang naibigay na direksyon sa kristal ang relasyon sa pagitan ng dalas? at ang mga halaga ng ReQ (solid curves) at ImQ (dashed curve sa stop zone omega -
Photonic Gap Theory Noon lamang 1987 nang ipinakilala ni Eli Yablonovitch ng Bell Communications Research (ngayon ay isang propesor sa UCLA) ang paniwala ng isang electromagnetic band gap. Upang palawakin ang abot-tanaw: Lecture ni Eli Yablonovitch yablonovitch-uc-berkeley/view Lecture ni John Pendry john-pendry-imperial-college/view 9
Sa kalikasan, matatagpuan din ang mga photonic crystal: sa mga pakpak ng African swallowtail butterflies, ang mother-of-pearl coating ng mga shell ng mollusks, tulad ng galiotis, barnacles ng sea mouse at bristles ng polychaete worm. Larawan ng isang opal na pulseras. Ang Opal ay isang natural na kristal na photonic. Tinatawag itong "bato ng mapanlinlang na pag-asa" 10
11
Walang pag-init at photochemical na pagkasira ng pigment coating" title="(!LANG: Mga bentahe ng FA-based na mga filter kaysa sa mekanismo ng pagsipsip (absorbing mechanism) para sa mga buhay na organismo: Ang interference coloring ay hindi nangangailangan ng pagsipsip at pagwawaldas ng light energy, => walang pag-init at photochemical na pagkasira ng pigment coating" class="link_thumb"> 12 !} Mga kalamangan ng mga filter na nakabatay sa FA kaysa sa mekanismo ng pagsipsip (absorbing mechanism) para sa mga buhay na organismo: Ang pangkulay ng interference ay hindi nangangailangan ng pagsipsip at pagwawaldas ng liwanag na enerhiya, => walang pag-init at pagkasira ng photochemical ng pigment coating. Ang mga paru-paro na naninirahan sa mga mainit na klima ay may iridescent na pakpak, at ang istraktura ng photonic na kristal sa ibabaw ay natagpuan upang mabawasan ang pagsipsip ng liwanag at, samakatuwid, ang pag-init ng mga pakpak. Ang sea mouse ay gumagamit ng mga photonic crystal sa loob ng mahabang panahon. 12 walang pag-init at pagkasira ng photochemical ng pigment coating "> walang pag-init at pagkasira ng photochemical ng pigment coating. Ang mga butterflies na naninirahan sa isang mainit na klima ay may iridescent wing pattern, at ang istraktura ng photonic crystal sa ibabaw, tulad ng nangyari, ay binabawasan. ang pagsipsip ng liwanag at, dahil dito, ang pag-init ng mga pakpak. Ang sea mouse ay gumagamit na ng mga photonic crystal sa pagsasanay sa loob ng mahabang panahon. , => walang pag-init at photochemical na pagkasira ng pigment"> title="Mga kalamangan ng mga filter na nakabatay sa FA kaysa sa mekanismo ng pagsipsip (absorbing mechanism) para sa mga buhay na organismo: Ang pangkulay ng interference ay hindi nangangailangan ng pagsipsip at pagwawaldas ng liwanag na enerhiya, => walang pag-init at pagkasira ng photochemical ng pigment coating"> !}
Morpho didius iridescent butterfly at micrograph ng pakpak nito bilang isang halimbawa ng diffractive biological microstructure. Iridescent natural opal (semi-precious stone) at imahe ng microstructure nito, na binubuo ng mga malapit na spheres ng silicon dioxide. 13
Pag-uuri ng mga kristal na photonic 1. One-dimensional. Kung saan pana-panahong nagbabago ang refractive index sa isang spatial na direksyon tulad ng ipinapakita sa figure. Sa figure na ito, ang simbolong Λ ay tumutukoy sa panahon ng pagbabago ng refractive index, at ang mga refractive index ng dalawang materyales (ngunit sa pangkalahatan, anumang bilang ng mga materyales ay maaaring naroroon). Ang nasabing mga kristal na photonic ay binubuo ng mga layer ng iba't ibang mga materyales na kahanay sa bawat isa na may iba't ibang mga indeks ng repraktibo at maaaring magpakita ng kanilang mga katangian sa isang spatial na direksyon na patayo sa mga layer. labing-apat
2. Dalawang-dimensional. Kung saan pana-panahong nagbabago ang refractive index sa dalawang spatial na direksyon tulad ng ipinapakita sa figure. Sa figure na ito, ang isang photonic na kristal ay nilikha ng mga rectangular na rehiyon na may refractive index ng n1, na nasa isang medium na may refractive index ng n2. Sa kasong ito, ang mga rehiyon na may refractive index n1 ay inayos sa isang two-dimensional cubic lattice. Ang ganitong mga kristal na photonic ay maaaring magpakita ng kanilang mga katangian sa dalawang spatial na direksyon, at ang hugis ng mga rehiyon na may refractive index n1 ay hindi limitado sa mga parihaba, tulad ng sa figure, ngunit maaaring maging anuman (mga bilog, ellipse, arbitrary, atbp.). Ang kristal na sala-sala kung saan ang mga rehiyon na ito ay iniutos ay maaari ding magkakaiba, at hindi lamang kubiko, tulad ng sa figure. labinlima
3. Tatlong-dimensional. Kung saan pana-panahong nagbabago ang refractive index sa tatlong spatial na direksyon. Ang ganitong mga photonic na kristal ay maaaring magpakita ng kanilang mga katangian sa tatlong spatial na direksyon, at maaari silang katawanin bilang isang hanay ng mga volumetric na rehiyon (mga sphere, cube, atbp.) na inayos sa isang three-dimensional na kristal na sala-sala. 16
Mga Application ng Photonic Crystals Ang unang aplikasyon ay spectral channel separation. Sa maraming mga kaso, hindi isa, ngunit ilang mga light signal ang naglalakbay kasama ang isang optical fiber. Minsan kailangan nilang ayusin - upang ipadala ang bawat isa sa isang hiwalay na landas. Halimbawa - isang optical cable ng telepono, kung saan mayroong ilang mga pag-uusap sa parehong oras sa iba't ibang mga wavelength. Ang isang photonic na kristal ay isang mainam na tool para sa "pag-ukit" ng nais na wavelength mula sa stream at idirekta ito sa kung saan ito kinakailangan. Ang pangalawa ay isang krus para sa mga light flux. Ang nasabing aparato, na nagpoprotekta sa mga light channel mula sa magkaparehong impluwensya kapag sila ay pisikal na tumatawid, ay talagang kinakailangan kapag lumilikha ng isang magaan na computer at magaan na mga chip ng computer. 17
Photonic crystal sa telekomunikasyon Hindi gaanong maraming taon ang lumipas mula noong simula ng mga unang pag-unlad, dahil naging malinaw sa mga mamumuhunan na ang mga photonic na kristal ay mga optical na materyales na may panimula na bagong uri at mayroon silang magandang kinabukasan. Ang output ng pagbuo ng mga photonic crystal ng optical range sa antas ng komersyal na aplikasyon, malamang, ay magaganap sa larangan ng telekomunikasyon. labing-walo
21
Mga kalamangan at kawalan ng mga pamamaraan ng lithographic at holographic para sa pagkuha ng FC Pluses: mataas na kalidad ng nabuong istraktura. Mabilis na bilis ng produksyon Dali ng mass production Mga disadvantages Kailangan ng mamahaling kagamitan Posibleng pagkasira ng talim ng gilid Kahirapan sa paggawa ng mga setup 22
Ang isang close-up sa ibaba ay nagpapakita ng natitirang pagkamagaspang ng pagkakasunud-sunod ng 10 nm. Ang parehong pagkamagaspang ay makikita sa aming SU-8 na mga template na ginawa ng holographic lithography. Ito ay malinaw na nagpapakita na ang pagkamagaspang na ito ay hindi nauugnay sa proseso ng katha, ngunit sa halip sa panghuling resolusyon ng photoresist. 24
Upang ilipat ang mga pangunahing wavelength ng PBG sa telecommunication mode mula 1.5 µm at 1.3 µm, kinakailangan na magkaroon ng distansya ng pagkakasunud-sunod na 1 µm o mas kaunti sa eroplano ng mga rod. Ang mga gawa-gawang sample ay may problema: ang mga rod ay nagsisimulang makipag-ugnayan sa isa't isa, na humahantong sa isang hindi kanais-nais na malaking pagpuno ng fraction. Solusyon: Pagbabawas ng diameter ng baras, kaya pinupunan ang fraction, sa pamamagitan ng pag-ukit sa oxygen plasma 26
Optical na katangian ng isang PC Dahil sa periodicity ng medium, ang pagpapalaganap ng radiation sa loob ng isang photonic crystal ay nagiging katulad ng paggalaw ng isang electron sa loob ng isang ordinaryong kristal sa ilalim ng pagkilos ng isang pana-panahong potensyal. Sa ilalim ng ilang partikular na kundisyon, nabubuo ang mga gaps sa istraktura ng banda ng isang PC, katulad ng mga ipinagbabawal na electronic band sa natural na mga kristal. 27
Ang isang two-dimensional na periodic photonic crystal ay nakukuha sa pamamagitan ng pagbuo ng periodic structure ng vertical dielectric rods na nakatanim sa square-nest na paraan sa isang silicon dioxide substrate. Sa pamamagitan ng paglalagay ng "mga depekto" sa isang photonic na kristal, posible na lumikha ng mga waveguide na, baluktot sa anumang anggulo, ay nagbibigay ng 100% transmission Dalawang-dimensional na photonic na istruktura na may bandgap 28
Isang bagong paraan para sa pagkuha ng isang istraktura na may polarization-sensitive photonic band gaps Pagbuo ng isang diskarte sa pagsasama-sama ng istraktura ng isang photonic band gap sa iba pang optical at optoelectronic na mga aparato Pagmamasid sa mga hangganan ng short-at long-wave band. Ang layunin ng karanasan ay: 29
Ang pangunahing mga kadahilanan na tumutukoy sa mga katangian ng isang photonic band gap (PBG) na istraktura ay ang repraktibo na kaibahan, ang proporsyon ng mataas at mababang mga indeks ng materyal sa sala-sala, at ang pagsasaayos ng mga elemento ng sala-sala. Ang pagsasaayos ng waveguide na ginamit ay maihahambing sa isang semiconductor laser. Ang array ay napakaliit (100 nm ang lapad) na mga butas ay nakaukit sa core ng waveguide, na bumubuo ng hexagonal grating 30
Fig.2a Sketch ng sala-sala at Brillouin zone na naglalarawan ng mga direksyon ng symmetry sa isang pahalang na close-packed na sala-sala. b, c Pagsukat ng mga katangian ng paghahatid sa isang 19-nm photonic grating. 31 Brillouin zone na may simetriko na direksyon
Fig.4 Mga larawan ng electric field ng mga profile ng mga naglalakbay na alon na tumutugma sa banda 1 (a) at banda 2 (b), malapit sa K point para sa TM polarization. Sa a, ang field ay may parehong reflective symmetry tungkol sa y-z plane gaya ng plane wave, kaya dapat itong madaling makipag-ugnayan sa papasok na plane wave. Sa kabaligtaran, sa b ang field ay walang simetriko, na hindi pinapayagan ang pakikipag-ugnayang ito na mangyari. 33
Mga konklusyon: Ang mga istruktura ng PBG ay maaaring gamitin bilang mga salamin at elemento para sa direktang kontrol ng emisyon sa mga semiconductor laser. Ang pagpapakita ng mga konsepto ng PBG sa waveguide geometry ay magbibigay-daan sa pagsasakatuparan ng mga napaka-compact na optical na elemento. na magiging posible na gumamit ng mga non-linear effect 34
Sa huling dekada, ang pag-unlad ng microelectronics ay bumagal, dahil ang mga limitasyon sa bilis ng karaniwang mga aparatong semiconductor ay halos naabot na. Ang pagtaas ng bilang ng mga pag-aaral ay nakatuon sa pagbuo ng mga lugar na kahalili sa semiconductor electronics - ito ay spintronics, microelectronics na may superconducting elements, photonics, at ilang iba pa.
Ang bagong prinsipyo ng paghahatid at pagproseso ng impormasyon gamit ang isang light signal, sa halip na isang electrical signal, ay maaaring mapabilis ang pagsisimula ng isang bagong yugto sa panahon ng impormasyon.
Mula sa mga simpleng kristal hanggang sa photonic
Ang batayan ng mga elektronikong aparato sa hinaharap ay maaaring mga photonic crystals - ito ay mga sintetikong order na materyales kung saan ang dielectric na pare-pareho ay nagbabago nang pana-panahon sa loob ng istraktura. Sa kristal na sala-sala ng isang tradisyunal na semiconductor, ang regularidad, ang periodicity ng pag-aayos ng mga atom ay humahantong sa pagbuo ng tinatawag na istraktura ng enerhiya ng banda - na may pinapayagan at ipinagbabawal na mga zone. Ang isang electron na ang enerhiya ay nahuhulog sa pinapayagang banda ay maaaring lumipat sa kristal, habang ang isang elektron na may enerhiya sa band gap ay "naka-lock".
Sa pamamagitan ng pagkakatulad sa isang ordinaryong kristal, lumitaw ang ideya ng isang photonic na kristal. Sa loob nito, ang periodicity ng permittivity ay nagiging sanhi ng paglitaw ng mga photonic zone, sa partikular, ang ipinagbabawal na zone, sa loob kung saan ang pagpapalaganap ng liwanag na may isang tiyak na haba ng daluyong ay pinigilan. Iyon ay, ang pagiging transparent sa isang malawak na spectrum ng electromagnetic radiation, ang mga photonic crystal ay hindi nagpapadala ng liwanag na may napiling wavelength (katumbas ng dalawang beses ang panahon ng istraktura kasama ang haba ng optical path).
Ang mga kristal na photonic ay maaaring magkaroon ng iba't ibang sukat. Ang mga one-dimensional (1D) na kristal ay isang multilayer na istraktura ng mga alternating layer na may iba't ibang refractive index. Ang dalawang-dimensional na photonic crystals (2D) ay maaaring katawanin bilang isang pana-panahong istraktura ng mga rod na may iba't ibang permitivity. Ang mga unang sintetikong prototype ng mga photonic na kristal ay tatlong-dimensional at nilikha noong unang bahagi ng 1990s ng mga kawani ng sentro ng pananaliksik Bell Labs(USA). Upang makakuha ng pana-panahong sala-sala sa isang dielectric na materyal, ang mga Amerikanong siyentipiko ay nag-drill ng mga cylindrical na butas sa paraang makakuha ng isang three-dimensional na network ng mga voids. Upang ang materyal ay maging isang photonic na kristal, ang permittivity nito ay binago sa isang panahon na 1 sentimetro sa lahat ng tatlong dimensyon.
Ang mga natural na analogue ng photonic crystal ay mother-of-pearl coatings ng shells (1D), antennae ng sea mouse, polychaete worm (2D), wings ng African sailboat butterfly at semi-precious stones, tulad ng opal (3D).
Ngunit kahit ngayon, kahit na sa tulong ng mga pinakamoderno at mamahaling pamamaraan ng electron lithography at anisotropic ion etching, mahirap gumawa ng walang depektong three-dimensional na mga kristal na photonic na may kapal na higit sa 10 mga istrukturang selula.
Ang mga photonic crystal ay dapat makahanap ng malawak na aplikasyon sa mga photonic integrated na teknolohiya, na sa hinaharap ay papalitan ang mga electrical integrated circuit sa mga computer. Kapag ang impormasyon ay ipinadala gamit ang mga photon sa halip na mga electron, ang pagkonsumo ng kuryente ay mababawasan nang husto, ang mga frequency ng orasan at mga rate ng paglilipat ng impormasyon ay tataas.
Titanium oxide photonic crystal
Ang Titanium oxide TiO 2 ay may isang hanay ng mga natatanging katangian tulad ng mataas na refractive index, katatagan ng kemikal at mababang toxicity, na ginagawa itong pinaka-promising na materyal para sa paglikha ng isang-dimensional na photonic crystal. Kung isasaalang-alang natin ang mga photonic na kristal para sa mga solar cell, ang titanium oxide ay nanalo dito dahil sa mga katangian ng semiconductor nito. Ang isang pagtaas sa kahusayan ng mga solar cell gamit ang isang semiconductor layer na may periodic photonic crystal structure, kabilang ang titanium oxide photonic crystals, ay dati nang ipinakita.
Ngunit sa ngayon, ang paggamit ng mga photonic na kristal batay sa titanium dioxide ay limitado sa pamamagitan ng kakulangan ng isang reproducible at murang teknolohiya para sa kanilang paglikha.
Sina Nina Sapoletova, Sergei Kushnir at Kirill Napolsky, mga miyembro ng Faculty of Chemistry at Faculty of Materials Sciences ng Moscow State University, ay nagpabuti ng synthesis ng one-dimensional photonic crystals batay sa porous titanium oxide films.
"Ang anodizing (electrochemical oxidation) ng mga metal na balbula, kabilang ang aluminyo at titanium, ay isang epektibong paraan para sa pagkuha ng mga porous oxide na pelikula na may mga channel na may sukat na nanometer," paliwanag ni Kirill Napolsky, pinuno ng electrochemical nanostructuring group, Candidate of Chemical Sciences.
Ang anodizing ay karaniwang isinasagawa sa isang two-electrode electrochemical cell. Dalawang metal plate, isang katod at isang anode, ay ibinababa sa solusyon ng electrolyte, at isang electric boltahe ang inilapat. Ang hydrogen ay inilabas sa katod, at ang electrochemical oxidation ng metal ay nangyayari sa anode. Kung ang boltahe na inilapat sa cell ay pana-panahong binago, pagkatapos ay isang porous film na may porosity na tinukoy sa kapal ay nabuo sa anode.
Ang epektibong refractive index ay mababago kung pana-panahong nagbabago ang diameter ng butas sa loob ng istraktura. Ang mga pamamaraan ng titanium anodizing na binuo nang mas maaga ay hindi pinapayagan ang pagkuha ng mga materyales na may mataas na antas ng periodicity ng istraktura. Ang mga chemist mula sa Moscow State University ay nakabuo ng isang bagong paraan ng metal anodizing na may voltage modulation depende sa anodizing charge, na nagpapahintulot sa paglikha ng porous anodic metal oxides na may mataas na katumpakan. Ang mga posibilidad ng bagong pamamaraan ay ipinakita ng mga chemist gamit ang isang-dimensional na mga kristal na photonic mula sa anodic titanium oxide bilang isang halimbawa.
Bilang resulta ng pagbabago ng anodizing boltahe ayon sa sinusoidal na batas sa hanay na 40-60 Volts, nakuha ng mga siyentipiko ang mga nanotubes ng anodic titanium oxide na may pare-pareho ang panlabas na diameter at pana-panahong pagbabago ng panloob na diameter (tingnan ang figure).
"Ang mga pamamaraan ng anodizing na ginamit nang mas maaga ay hindi pinapayagan ang pagkuha ng mga materyales na may mataas na antas ng periodicity ng istraktura. Nakabuo kami ng bagong pamamaraan, ang pangunahing bahagi nito ay sa lugar ng kinaroroonan(kaagad sa panahon ng synthesis) pagsukat ng anodizing charge, na ginagawang posible na kontrolin nang may mataas na katumpakan ang kapal ng mga layer na may iba't ibang porosity sa nabuo na oxide film, "paliwanag ng isa sa mga may-akda ng trabaho, kandidato ng agham ng kemikal na si Sergey Kushnir.
Ang binuo na pamamaraan ay magpapasimple sa paglikha ng mga bagong materyales na may modulated na istraktura batay sa anodic metal oxides. "Kung isasaalang-alang natin ang paggamit ng mga photonic na kristal mula sa anodic titanium oxide sa mga solar cell bilang isang praktikal na aplikasyon ng pamamaraan, kung gayon ang isang sistematikong pag-aaral ng impluwensya ng mga parameter ng istruktura ng naturang mga kristal na photonic sa kahusayan ng pag-convert ng liwanag sa mga solar cell ay nananatili sa isagawa,” tinukoy ni Sergey Kushnir.
