რა არის ფოტონის კრისტალი. ფოტონიკური კრისტალების მიღების მეთოდები
ილია პოლონჩუკი, ფიზიკა-მათემატიკის მეცნიერებათა დოქტორი, მოსკოვის ფიზიკა-ტექნიკური ინსტიტუტის პროფესორი, წამყვანი მკვლევარი, ეროვნული კვლევითი ცენტრი "კურჩატოვის ინსტიტუტი"
მიკროელექტრონიკის გამოყენებამ ინფორმაციის დამუშავებისა და საკომუნიკაციო სისტემებში ძირეულად შეცვალა მსოფლიო. ეჭვგარეშეა, რომ კვლევითი სამუშაოების ბუმის შედეგები ფოტონიკური კრისტალების ფიზიკის და მათზე დაფუძნებული მოწყობილობების სფეროში მნიშვნელობით იქნება შედარებული ნახევარ საუკუნეზე მეტი ხნის წინ ინტეგრირებული მიკროელექტრონიკის შექმნასთან. ახალი ტიპის მასალები შესაძლებელს გახდის შექმნას ოპტიკური მიკროსქემები ნახევარგამტარული ელექტრონიკის ელემენტების "გამოსახულებასა და მსგავსებაში" და, თავის მხრივ, იპოვის ინფორმაციის გადაცემის, შენახვისა და დამუშავების ფუნდამენტურად ახალ მეთოდებს, რომლებიც დღეს მუშავდება ფოტონის კრისტალებზე. გამოყენება მომავლის ნახევარგამტარულ ელექტრონიკაში. გასაკვირი არ არის, რომ კვლევის ეს სფერო ერთ-ერთი ყველაზე ცხელია მსოფლიოს უდიდეს სამეცნიერო ცენტრებში, მაღალტექნოლოგიურ კომპანიებსა და სამხედრო-სამრეწველო კომპლექსის საწარმოებში. რუსეთი, რა თქმა უნდა, არ არის გამონაკლისი. უფრო მეტიც, ფოტონიკური კრისტალები ეფექტური საერთაშორისო თანამშრომლობის საგანია. მაგალითად, მოვიყვანოთ ათ წელზე მეტი ხნის თანამშრომლობა შპს რუსული Kintech Lab-სა და ცნობილ ამერიკულ კომპანია General Electric-ს შორის.
ფოტონური კრისტალების ისტორია
ისტორიულად, სამგანზომილებიან ბადეებზე ფოტონების გაფანტვის თეორია ინტენსიურად განვითარდა ტალღის სიგრძის რეგიონიდან ~ 0,01-1 ნმ, რომელიც მდებარეობს რენტგენის დიაპაზონში, სადაც ფოტონური კრისტალის კვანძები თავად ატომებია. 1986 წელს ელი იაბლონოვიჩმა ლოს-ანჯელესის კალიფორნიის უნივერსიტეტიდან შემოგვთავაზა სამგანზომილებიანი დიელექტრიკული სტრუქტურის შექმნის იდეა, ჩვეულებრივი კრისტალების მსგავსი, რომელშიც გარკვეული სპექტრული ზოლის ელექტრომაგნიტური ტალღები ვერ გავრცელდა. ასეთ სტრუქტურებს უწოდებენ ფოტონიკური ზოლის სტრუქტურებს ან ფოტონის კრისტალებს. 5 წლის შემდეგ, ასეთი ფოტონიკური კრისტალი დამზადდა მილიმეტრიული ხვრელების გაბურღით მასალაში მაღალი გარდატეხის ინდექსით. ასეთი ხელოვნური კრისტალი, რომელსაც მოგვიანებით უწოდეს იაბლონოვიტი, არ გადასცემდა მილიმეტრიან ტალღის გამოსხივებას და ფაქტობრივად გააცნობიერა ფოტონიკური სტრუქტურა ზოლიანი უფსკრულით (სხვათა შორის, ფაზური ანტენის მასივები ასევე შეიძლება მიეკუთვნებოდეს ფიზიკურ ობიექტებს იმავე კლასს).
ფოტონიკური სტრუქტურები, რომლებშიც აკრძალულია ელექტრომაგნიტური (კერძოდ, ოპტიკური) ტალღების გავრცელება გარკვეული სიხშირის დიაპაზონში ერთი, ორი ან სამი მიმართულებით, შეიძლება გამოყენებულ იქნას ამ ტალღების კონტროლისთვის ოპტიკური ინტეგრირებული მოწყობილობების შესაქმნელად. ამჟამად, ფოტონიკური სტრუქტურების იდეოლოგია საფუძვლად უდევს არაზღვრული ნახევარგამტარული ლაზერების, იშვიათ დედამიწის იონების, მაღალი Q რეზონატორების, ოპტიკური ტალღების, სპექტრალური ფილტრების და პოლარიზატორების შექმნას. ფოტონიკის კრისტალების შესწავლა ახლა მიმდინარეობს ორ ათზე მეტ ქვეყანაში, მათ შორის რუსეთში, და ამ სფეროში პუბლიკაციების რაოდენობა, ასევე სიმპოზიუმების, სამეცნიერო კონფერენციებისა და სკოლების რაოდენობა ექსპონენტურად იზრდება.
ფოტონის კრისტალში მიმდინარე პროცესების გასაგებად, ის შეიძლება შევადაროთ ნახევარგამტარ კრისტალს, ხოლო ფოტონების გავრცელება მუხტის მატარებლების მოძრაობით - ელექტრონები და ხვრელები. მაგალითად, იდეალურ სილიკონში ატომები განლაგებულია ალმასის მსგავს კრისტალურ სტრუქტურაში და, მყარი მდგომარეობის ზოლის თეორიის თანახმად, დამუხტული მატარებლები, რომლებიც მრავლდებიან კრისტალში, ურთიერთქმედებენ ატომური ბირთვების ველის პერიოდულ პოტენციალთან. ეს არის დაშვებული და აკრძალული ზოლების წარმოქმნის მიზეზი - კვანტური მექანიკა კრძალავს ელექტრონების არსებობას ენერგიებით, რომლებიც შეესაბამება ენერგეტიკულ დიაპაზონს, რომელსაც ეწოდება ზოლის უფსკრული. ჩვეულებრივი კრისტალების მსგავსად, ფოტონური კრისტალები შეიცავს უაღრესად სიმეტრიულ ერთეული უჯრედის სტრუქტურას. უფრო მეტიც, თუ ჩვეულებრივი კრისტალის სტრუქტურა განისაზღვრება ატომების პოზიციებით კრისტალურ ქსელში, მაშინ ფოტონიკური კრისტალის სტრუქტურა განისაზღვრება საშუალო დიელექტრიკული მუდმივის პერიოდული სივრცითი მოდულაციით (მოდულაციის მასშტაბი შედარებულია ურთიერთმოქმედი გამოსხივების ტალღის სიგრძე).
ფოტონიკური გამტარები, იზოლატორები, ნახევარგამტარები და ზეგამტარები
ანალოგიის გაგრძელებით, ფოტონიკური კრისტალები შეიძლება დაიყოს გამტარებად, იზოლატორებად, ნახევარგამტარებად და ზეგამტარებად.
ფოტონიკურ დირიჟორებს აქვთ ფართო დაშვებული ზოლები. ეს არის გამჭვირვალე სხეულები, რომლებშიც სინათლე გადის დიდ მანძილზე პრაქტიკულად არ შეიწოვება. ფოტონის კრისტალების სხვა კლასს, ფოტოურ იზოლატორებს, აქვს ფართო ზოლის უფსკრული. ამ მდგომარეობას აკმაყოფილებენ, მაგალითად, ფართო დიაპაზონის მრავალშრიანი დიელექტრიკული სარკეები. ჩვეულებრივი გაუმჭვირვალე მედიისგან განსხვავებით, რომელშიც სინათლე სწრაფად იშლება სიცხეში, ფოტონიკური იზოლატორები არ შთანთქავენ სინათლეს. რაც შეეხება ფოტონიკურ ნახევარგამტარებს, მათ აქვთ ვიწრო ზოლის უფსკრული იზოლატორებთან შედარებით.
ფოტონის კრისტალებზე დაფუძნებული ტალღები გამოიყენება ფოტონიკური ტექსტილის დასამზადებლად (სურათზე). ასეთი ტექსტილი ახლახან გამოჩნდა და მისი გამოყენების ფარგლებიც კი ჯერ კიდევ არ არის სრულად რეალიზებული. მისგან შეგიძლიათ გააკეთოთ, მაგალითად, ინტერაქტიული ტანსაცმელი, ან შეგიძლიათ გააკეთოთ რბილი ჩვენება
ფოტო: emt-photoniccrystal.blogspot.com
იმისდა მიუხედავად, რომ ფოტონური ზოლებისა და ფოტონიკური კრისტალების იდეა ოპტიკაში მხოლოდ ბოლო რამდენიმე წლის განმავლობაში დამკვიდრდა, სტრუქტურების თვისებები, რომლებსაც აქვთ რეფრაქციული ინდექსის ფენიანი ცვლილება, დიდი ხანია ცნობილია ფიზიკოსებისთვის. ასეთი სტრუქტურების ერთ-ერთი პირველი პრაქტიკულად მნიშვნელოვანი გამოყენება იყო საფარების წარმოება უნიკალური ოპტიკური მახასიათებლებით, რომლებიც გამოიყენებოდა მაღალეფექტური სპექტრული ფილტრების შესაქმნელად და არასასურველი არეკვლის შესამცირებლად ოპტიკური ელემენტებიდან (ასეთ ოპტიკას უწოდებენ დაფარული) და დიელექტრიკულ სარკეებს ასახვის კოეფიციენტით 100-მდე. % როგორც 1D ფოტონიკური სტრუქტურების კიდევ ერთი ცნობილი მაგალითი, შეიძლება აღინიშნოს ნახევარგამტარული ლაზერები განაწილებული უკუკავშირით, ასევე ოპტიკური ტალღების გამტარები ფიზიკური პარამეტრების პერიოდული გრძივი მოდულაციით (პროფილი ან რეფრაქციული ინდექსი).
რაც შეეხება ჩვეულებრივ კრისტალებს, ბუნება მათ ძალიან გულუხვად გვაძლევს. ბუნებაში ფოტონური კრისტალები იშვიათობაა. ამიტომ, თუ გვსურს გამოვიყენოთ ფოტონის კრისტალების უნიკალური თვისებები, იძულებულნი ვართ შევიმუშაოთ მათი ზრდის სხვადასხვა მეთოდი.
როგორ გავზარდოთ ფოტონის კრისტალი
სამგანზომილებიანი ფოტონიკის კრისტალის შექმნა ხილული ტალღის სიგრძის დიაპაზონში იყო მასალების მეცნიერების ერთ-ერთი მთავარი პრიორიტეტი ბოლო ათი წლის განმავლობაში, რისთვისაც მკვლევართა უმეტესობა ორი ფუნდამენტურად განსხვავებულ მიდგომაზე გაამახვილა ყურადღება. ერთ-ერთი მათგანი იყენებს თესლის თარგის მეთოდს (თარგი) - შაბლონის მეთოდს. ეს მეთოდი ქმნის წინაპირობებს სინთეზირებული ნანოსისტემების თვითორგანიზებისთვის. მეორე მეთოდი არის ნანოლითოგრაფია.
მეთოდთა პირველ ჯგუფს შორის ყველაზე გავრცელებულია ის, რომელიც იყენებს მონოდისპერსულ კოლოიდურ სფეროებს, როგორც შაბლონებს ფორების პერიოდული სისტემით მყარი ნივთიერებების შესაქმნელად. ეს მეთოდები შესაძლებელს ხდის ლითონების, არალითონების, ოქსიდების, ნახევარგამტარების, პოლიმერების და ა.შ. დაფუძნებული ფოტონის კრისტალების მიღებას. პირველ ეტაპზე, მსგავსი ზომის კოლოიდური სფეროები თანაბრად "შეფუთულია" სამგანზომილებიანი (ზოგჯერ ორგანზომილებიანი) ჩარჩოების სახით, რომლებიც შემდგომში მოქმედებს როგორც შაბლონები, როგორც ბუნებრივი ოპალის ანალოგი. მეორე ეტაპზე, შაბლონის სტრუქტურაში სიცარიელეები გაჟღენთილია სითხით, რომელიც შემდგომში იქცევა მყარ ჩარჩოში სხვადასხვა ფიზიკური და ქიმიური გავლენის ქვეშ. შაბლონის სიცარიელის ნივთიერებით შევსების სხვა მეთოდებია ან ელექტროქიმიური მეთოდები ან CVD (ქიმიური ორთქლის დეპონირება) მეთოდი.
ბოლო ეტაპზე შაბლონი (კოლოიდური სფეროები) ამოღებულია მისი ბუნებიდან გამომდინარე, დაშლის ან თერმული დაშლის პროცესების გამოყენებით. მიღებულ სტრუქტურებს ხშირად მოიხსენიებენ, როგორც ორიგინალური კოლოიდური კრისტალების საპირისპირო ასლებს ან "უკუ ოპალებს".
პრაქტიკული გამოყენებისთვის, ფოტონის კრისტალში დეფექტების გარეშე ადგილები არ უნდა აღემატებოდეს 1000 μm2-ს. მაშასადამე, კვარცის და პოლიმერული სფერული ნაწილაკების მოწესრიგების პრობლემა ერთ-ერთი ყველაზე მნიშვნელოვანია ფოტო კრისტალების შექმნაში.
მეთოდთა მეორე ჯგუფში, ერთფოტონიანი ფოტოლითოგრაფია და ორფოტონიანი ფოტოლითოგრაფია საშუალებას იძლევა შექმნას სამგანზომილებიანი ფოტონი კრისტალები 200 ნმ გარჩევადობით და გამოიყენოს ზოგიერთი მასალის თვისება, როგორიცაა პოლიმერები, რომლებიც მგრძნობიარეა ერთ და ორფოტონიანი დასხივება და შეუძლია შეცვალოს მათი თვისებები ამ გამოსხივების გავლენის ქვეშ. ელექტრონული სხივის ლითოგრაფია არის ძვირადღირებული, მაგრამ მაღალი სიზუსტის ტექნიკა ორგანზომილებიანი ფოტონიკური კრისტალების წარმოებისთვის. ამ მეთოდით, ფოტორეზისტი, რომელიც ცვლის თავის თვისებებს ელექტრონული სხივის მოქმედებით, დასხივდება სხივით კონკრეტულ ადგილებში, რათა შექმნას სივრცითი ნიღაბი. დასხივების შემდეგ, ფოტორეზისტის ნაწილი ირეცხება, ხოლო დანარჩენს იყენებენ ნიღბად შემდგომ ტექნოლოგიურ ციკლში ამოსაჭრელად. ამ მეთოდის მაქსიმალური გარჩევადობაა 10 ნმ. იონური სხივის ლითოგრაფია პრინციპში მსგავსია, ელექტრონული სხივის ნაცვლად მხოლოდ იონური სხივი გამოიყენება. იონური სხივის ლითოგრაფიის უპირატესობები ელექტრონული სხივის ლითოგრაფიასთან შედარებით არის ის, რომ ფოტორეზისტი უფრო მგრძნობიარეა იონური სხივების მიმართ, ვიდრე ელექტრონული სხივები და არ არსებობს „სიახლოვის ეფექტი“, რომელიც ზღუდავს ყველაზე მცირე ფართობის ზომას ელექტრონული სხივის ლითოგრაფიაში.
მოდი ასევე აღვნიშნოთ ფოტონის კრისტალების ზრდის რამდენიმე სხვა მეთოდი. ეს მოიცავს ფოტონური კრისტალების სპონტანური წარმოქმნის მეთოდებს, ოქროპირის მეთოდებს და ჰოლოგრაფიულ მეთოდებს.
ფოტონი მომავალი
პროგნოზები ისეთივე საშიშია, რამდენადაც მაცდური. თუმცა, პროგნოზები ფოტონიკური კრისტალური მოწყობილობების მომავლის შესახებ ძალიან ოპტიმისტურია. ფოტონიკური კრისტალების გამოყენების სფერო პრაქტიკულად ამოუწურავია. ამჟამად მსოფლიო ბაზარზე უკვე გამოჩნდა (ან უახლოეს მომავალში გამოჩნდება) მოწყობილობები ან მასალები, რომლებიც იყენებენ ფოტონის კრისტალების უნიკალურ მახასიათებლებს. ეს არის ლაზერები ფოტონიკური კრისტალებით (დაბალი და არაბარიერი ლაზერები); ტალღები, რომლებიც დაფუძნებულია ფოტოურ კრისტალებზე (ისინი უფრო კომპაქტურია და აქვთ უფრო დაბალი დანაკარგები ჩვეულებრივ ბოჭკოებთან შედარებით); მასალები უარყოფითი რეფრაქციული ინდექსით, რომლებიც შესაძლებელს ხდის სინათლის ფოკუსირებას ტალღის სიგრძეზე მცირე წერტილზე; ფიზიკოსების ოცნება - სუპერპრიზმები; ოპტიკური შესანახი და ლოგიკური მოწყობილობები; დისპლეები ფოტონის კრისტალების საფუძველზე. ფოტონიკური კრისტალები ასევე შეასრულებენ ფერის მანიპულირებას. უკვე შემუშავებულია მოქნილი დიდი ფორმატის დისპლეი ფოტონის კრისტალებზე მაღალი სპექტრული დიაპაზონით, ინფრაწითელი გამოსხივებიდან ულტრაიისფერ გამოსხივებამდე, რომელშიც თითოეული პიქსელი არის ფოტონის კრისტალი - სილიციუმის მიკროსფეროების მასივი, რომელიც მდებარეობს სივრცეში მკაცრად განსაზღვრული გზით. იქმნება ფოტონიკური ზეგამტარები. ასეთი ზეგამტარები შეიძლება გამოყენებულ იქნას ოპტიკური ტემპერატურის სენსორების შესაქმნელად, რომლებიც, თავის მხრივ, იმუშავებენ მაღალ სიხშირეებზე და თავსებადია ფოტონულ იზოლატორებთან და ნახევარგამტარებთან.
ადამიანი მხოლოდ ფოტონის კრისტალების ტექნოლოგიურ გამოყენებას გეგმავს და ზღვის თაგვი (Aphrodite aculeata) დიდი ხანია ახორციელებს მათ პრაქტიკაში. ამ ჭიის ბეწვს აქვს ისეთი გამოხატული ირიდული ფენომენი, რომ მას შეუძლია შერჩევითად აირეკლოს სინათლე 100%-მდე ეფექტურობით სპექტრის მთელ ხილულ რეგიონში - წითელიდან მწვანემდე და ლურჯამდე. ასეთი სპეციალიზებული "ბორტზე" ოპტიკური კომპიუტერი ეხმარება ამ ჭიას გადარჩენაში 500 მ-მდე სიღრმეზე. დარწმუნებით შეიძლება ითქვას, რომ ადამიანის ინტელექტი გაცილებით შორს წავა ფოტონიკური კრისტალების უნიკალური თვისებების გამოყენებით.
ფოტონური კრისტალები (PC) არის სტრუქტურები, რომლებიც ხასიათდება სივრცეში გამტარიანობის პერიოდული ცვლილებით. კომპიუტერების ოპტიკური თვისებები ძალიან განსხვავდება უწყვეტი მედიის ოპტიკური თვისებებისგან. გამოსხივების გავრცელება ფოტონის კრისტალის შიგნით, საშუალო სიხშირის გამო, ხდება ელექტრონის მოძრაობის მსგავსი ჩვეულებრივი კრისტალის შიგნით პერიოდული პოტენციალის მოქმედებით. შედეგად, ელექტრომაგნიტურ ტალღებს ფოტონიკურ კრისტალებში აქვს ზოლის სპექტრი და კოორდინატთა დამოკიდებულება, როგორც ელექტრონების ბლოხის ტალღები ჩვეულებრივ კრისტალებში. გარკვეულ პირობებში, კომპიუტერის ზოლის სტრუქტურაში ჩნდება ხარვეზები, ისევე როგორც ბუნებრივ კრისტალებში აკრძალული ელექტრონული ზოლები. სპეციფიკური თვისებებიდან გამომდინარე (ელემენტების მასალა, მათი ზომა და გახეხვის პერიოდი), კომპიუტერის სპექტრს შეუძლია შექმნას ორივე სრულიად სიხშირით აკრძალული ზონა, რომლისთვისაც გამოსხივების გავრცელება შეუძლებელია მისი პოლარიზაციისა და მიმართულების მიუხედავად და ნაწილობრივ აკრძალულია ( გაჩერების ზონები), რომლებშიც შეიძლება გავრცელდეს მხოლოდ შერჩეული მიმართულებით.
ფოტონური კრისტალები საინტერესოა როგორც ფუნდამენტური თვალსაზრისით, ასევე მრავალი გამოყენებისთვის. ფოტონიკური კრისტალების, ოპტიკური ფილტრების, ტალღების (კერძოდ, ოპტიკურ-ბოჭკოვანი საკომუნიკაციო ხაზების) საფუძველზე იქმნება და განვითარებულია მოწყობილობები, რომლებიც თერმული გამოსხივების კონტროლის საშუალებას იძლევა, შემოთავაზებულია ლაზერული კონსტრუქციები ქვედა ტუმბოს ზღურბლით, ფოტონის კრისტალების საფუძველზე.
არეკვლის, გადაცემის და შთანთქმის სპექტრების შეცვლის გარდა, მეტალ-დიელექტრიკულ ფოტონიკურ კრისტალებს აქვთ ფოტონური მდგომარეობების სპეციფიკური სიმკვრივე. მდგომარეობების შეცვლილმა სიმკვრივემ შეიძლება მნიშვნელოვნად იმოქმედოს ატომის ან მოლეკულის აღგზნებული მდგომარეობის სიცოცხლეზე, რომელიც მოთავსებულია ფოტონის კრისტალის შიგნით და, შესაბამისად, შეცვალოს ლუმინესცენციის ბუნება. მაგალითად, თუ გადასვლის სიხშირე ინდიკატორის მოლეკულაში, რომელიც მდებარეობს ფოტოურ კრისტალში, მოხვდება ზოლის უფსკრულით, მაშინ ამ სიხშირეზე ლუმინესცენცია ჩახშობილი იქნება.
FC-ები იყოფა სამ ტიპად: ერთგანზომილებიანი, ორგანზომილებიანი და სამგანზომილებიანი.
ერთ-, ორ- და სამგანზომილებიანი ფოტონიკური კრისტალები. სხვადასხვა ფერები შეესაბამება სხვადასხვა დიელექტრიკული მუდმივების მქონე მასალებს.
ერთგანზომილებიანი არის პერსონალური კომპიუტერები სხვადასხვა მასალისგან დამზადებული მონაცვლეობითი ფენებით.
ერთგანზომილებიანი კომპიუტერის ელექტრონული გამოსახულება, რომელიც გამოიყენება ლაზერში, როგორც ბრაგის მრავალშრიანი სარკე.
ორგანზომილებიან FK-ებს შეიძლება ჰქონდეთ უფრო მრავალფეროვანი გეომეტრია. ეს მოიცავს, მაგალითად, უსასრულო სიგრძის ცილინდრების მასივებს (მათი განივი ზომა გაცილებით მცირეა, ვიდრე გრძივი) ან ცილინდრული ხვრელების პერიოდული სისტემები.
ელექტრონული გამოსახულებები, ორგანზომილებიანი წინ და უკანა FK სამკუთხა გისოსებით.
სამგანზომილებიანი კომპიუტერების სტრუქტურები ძალიან მრავალფეროვანია. ამ კატეგორიაში ყველაზე გავრცელებულია ხელოვნური ოპალები - სფერული დიფუზორების მოწესრიგებული სისტემები. არსებობს ოპალის ორი ძირითადი ტიპი: სწორი და საპირისპირო (შებრუნებული) ოპალი. პირდაპირი ოპალიდან უკუ ოპალზე გადასვლა ხორციელდება ყველა სფერული ელემენტის ღრუებით (ჩვეულებრივ ჰაერით) ჩანაცვლებით, ხოლო ამ ღრუებს შორის სივრცე ივსება გარკვეული მასალით.
ქვემოთ მოცემულია კომპიუტერის ზედაპირი, რომელიც არის სწორი ოპალი კუბური გისოსებით, რომელიც დაფუძნებულია თვითორგანიზებულ სფერულ პოლისტიროლის მიკრონაწილაკებზე.
კომპიუტერის შიდა ზედაპირი კუბური გისოსებით, რომელიც დაფუძნებულია თვითორგანიზებულ სფერულ პოლისტიროლის მიკრონაწილაკებზე.
შემდეგი სტრუქტურა არის ინვერსიული ოპალი, რომელიც სინთეზირებულია მრავალსაფეხურიანი ქიმიური პროცესის შედეგად: პოლიმერული სფერული ნაწილაკების თვითშეკრება, მიღებულ მასალაში სიცარიელეების გაჟღენთვა ნივთიერებით და პოლიმერული მატრიცის მოცილება ქიმიური ჭედვით.
კვარცის შებრუნებული ოპალის ზედაპირი. ფოტო გადაღებულია ელექტრონული მიკროსკოპის გამოყენებით.
სამგანზომილებიანი FC-ების კიდევ ერთი სახეობაა "ხის წყობის" ტიპის სტრუქტურები (ლოგინი), რომლებიც წარმოიქმნება მართკუთხა პარალელეპიპედებით გადაკვეთილი, როგორც წესი, სწორი კუთხით.
კომპიუტერის ელექტრონული ფოტო ლითონის პარალელეპიპედებიდან.
წარმოების მეთოდები
FC-ების გამოყენება პრაქტიკაში მნიშვნელოვნად შეზღუდულია მათი წარმოების უნივერსალური და მარტივი მეთოდების არარსებობით. ჩვენს დროში FC-ის შექმნის რამდენიმე მიდგომა განხორციელდა. ორი ძირითადი მიდგომა აღწერილია ქვემოთ.
მათგან პირველი არის ეგრეთ წოდებული თვითორგანიზაციის ან თვითშეკრების მეთოდი. ფოტონური კრისტალის თვითაწყობისას გამოიყენება კოლოიდური ნაწილაკები (ყველაზე გავრცელებულია მონოდისპერსიული სილიციუმის ან პოლისტიროლის ნაწილაკები), რომლებიც სითხეშია და სითხის აორთქლებისას დეპონირდება მოცულობაში. როდესაც ისინი ერთმანეთზე "დეპონირდება", ისინი ქმნიან სამგანზომილებიან პერსონალურ კომპიუტერს და, პირობებიდან გამომდინარე, დალაგებულია კუბურ სახეზე ორიენტირებულ ან ექვსკუთხა ბროლის ბადეში. ეს მეთოდი საკმაოდ ნელია, FC-ის ფორმირებას შეიძლება რამდენიმე კვირა დასჭირდეს. ასევე, მის ნაკლოვანებებს შორისაა დეპონირების პროცესში დეფექტების გამოჩენის ცუდად კონტროლირებადი პროცენტი.
თვითაწყობის მეთოდის ერთ-ერთი სახეობაა ე.წ. ეს მეთოდი გულისხმობს სითხის გაფილტვრას, რომელშიც ნაწილაკები განლაგებულია მცირე ფორების მეშვეობით, და იძლევა FC-ის წარმოქმნის საშუალებას ამ ფორებში სითხის ნაკადის სიჩქარით განსაზღვრული სიჩქარით. ჩვეულებრივი დეპონირების მეთოდთან შედარებით, ეს მეთოდი ბევრად უფრო სწრაფია, თუმცა მისი გამოყენების დეფექტების პროცენტული მაჩვენებელიც უფრო მაღალია.
აღწერილი მეთოდების უპირატესობებში შედის ის ფაქტი, რომ ისინი იძლევიან დიდი ზომის კომპიუტერის ნიმუშების ფორმირებას (რამდენიმე კვადრატულ სანტიმეტრამდე ფართობით).
მეორე ყველაზე პოპულარული მეთოდი FC-ის წარმოებისთვის არის ოქროვის მეთოდი. 2D პერსონალური კომპიუტერების დასამზადებლად, ჩვეულებრივ, გამოიყენება ატვირთული სხვადასხვა მეთოდი. ეს მეთოდები დაფუძნებულია დიელექტრიკის ან ლითონის ზედაპირზე წარმოქმნილი ფოტორეზისტული ნიღბის (რომელიც განსაზღვრავს, მაგალითად, ნახევარსფეროების მასივს) გამოყენებას და განსაზღვრავს ამოტვიფრული რეგიონის გეომეტრიას. ამ ნიღბის მიღება შესაძლებელია სტანდარტული ფოტოლითოგრაფიის მეთოდით, რასაც მოჰყვება უშუალოდ ნიმუშის ზედაპირის ქიმიური გრავირება ფოტორეზისტით. ამ შემთხვევაში, შესაბამისად, იმ ადგილებში, სადაც მდებარეობს ფოტორეზისტი, ხდება ფოტორეზისტის ზედაპირი, ხოლო ფოტორეზისტის გარეშე, დიელექტრიკი ან ლითონი. პროცესი გრძელდება მანამ, სანამ არ მიაღწევს სასურველ სიღრმეს, რის შემდეგაც ფოტორეზისტი ჩამოირეცხება.
ამ მეთოდის მინუსი არის ფოტოლითოგრაფიის პროცესის გამოყენება, რომლის საუკეთესო სივრცითი გარჩევადობა განისაზღვრება რეილის კრიტერიუმით. ამიტომ, ეს მეთოდი შესაფერისია კომპიუტერის შესაქმნელად, ზოლიანი უფსკრულით, რომელიც, როგორც წესი, დევს სპექტრის ახლო ინფრაწითელ რეგიონში. ყველაზე ხშირად, სასურველი გარჩევადობის მისაღწევად გამოიყენება ფოტოლითოგრაფიის კომბინაცია ელექტრონული სხივის ლითოგრაფიასთან. ეს მეთოდი ძვირადღირებული, მაგრამ უაღრესად ზუსტი მეთოდია კვაზიორგანზომილებიანი კომპიუტერების დასამზადებლად. ამ მეთოდით, ფოტორეზისტი, რომელიც ცვლის თავის თვისებებს ელექტრონული სხივის მოქმედებით, დასხივდება კონკრეტულ ადგილებში, რათა შექმნას სივრცითი ნიღაბი. დასხივების შემდეგ, ფოტორეზისტის ნაწილი ირეცხება, ხოლო დარჩენილი ნაწილი გამოიყენება ოხრაციის ნიღბად შემდგომ ტექნოლოგიურ ციკლში. ამ მეთოდის მაქსიმალური გარჩევადობა არის დაახლოებით 10 ნმ.
პარალელები ელექტროდინამიკასა და კვანტურ მექანიკას შორის
მაქსველის განტოლებების ნებისმიერი ამონახსნი, წრფივი მედიის შემთხვევაში და თავისუფალი მუხტებისა და დენის წყაროების არარსებობის შემთხვევაში, შეიძლება წარმოდგენილი იყოს როგორც ფუნქციების ზედმეტად ჰარმონიული დროში რთული ამპლიტუდებით, სიხშირედან გამომდინარე: , სად არის ან , ან .
ვინაიდან ველები რეალურია, მაშასადამე, და შეიძლება დაიწეროს, როგორც ფუნქციების სუპერპოზიცია დროში ჰარმონიული დადებითი სიხშირით:
ჰარმონიული ფუნქციების გათვალისწინება საშუალებას გვაძლევს გადავიდეთ მაქსველის განტოლებების სიხშირის ფორმაზე, რომელიც არ შეიცავს დროის წარმოებულებს:
სადაც ამ განტოლებებში ჩართული ველების დროზე დამოკიდებულება წარმოდგენილია როგორც , . ჩვენ ვვარაუდობთ, რომ მედია იზოტროპულია და მაგნიტური გამტარიანობა არის .
ველის მკაფიოდ გამოხატვისას, განტოლების ორივე მხრიდან დახვევას და მეორე განტოლების პირველში ჩანაცვლებას, მივიღებთ:
სად არის სინათლის სიჩქარე ვაკუუმში.
სხვა სიტყვებით რომ ვთქვათ, ჩვენ მივიღეთ საკუთარი მნიშვნელობის პრობლემა:
ოპერატორისთვის
სადაც დამოკიდებულება განისაზღვრება განსახილველი სტრუქტურით.
მიღებული ოპერატორის საკუთარი ფუნქციები (რეჟიმები) უნდა აკმაყოფილებდეს პირობას
მდებარეობს როგორც
ამ შემთხვევაში, პირობა სრულდება ავტომატურად, რადგან როტორის განსხვავება ყოველთვის ნულოვანია.
ოპერატორი წრფივია, რაც ნიშნავს, რომ საკუთრივ მნიშვნელობის ამოცანის ამონახსნების ნებისმიერი წრფივი კომბინაცია იგივე სიხშირით ასევე იქნება გამოსავალი. შეიძლება აჩვენოს, რომ იმ შემთხვევაში, თუ ეს ოპერატორი არის ჰერმიტიული, ანუ ნებისმიერი ვექტორული ფუნქციისთვის
სადაც წერტილოვანი პროდუქტი განისაზღვრება როგორც
ვინაიდან ოპერატორი ჰერმიტიულია, შესაბამისად, მისი საკუთრივ მნიშვნელობები რეალურია. ასევე შეიძლება აჩვენოს, რომ 0" align="absmiddle">-ზე, საკუთარი მნიშვნელობები არაუარყოფითია და, შესაბამისად, სიხშირეები რეალურია.
სხვადასხვა სიხშირის შესაბამისი საკუთრივ ფუნქციების სკალარული ნამრავლი ყოველთვის ნულია. თანაბარი სიხშირის შემთხვევაში, ეს სულაც არ არის ასე, მაგრამ ყოველთვის შესაძლებელია მუშაობა მხოლოდ ასეთი საკუთრივ ფუნქციების ორთოგონალური ხაზოვანი კომბინაციებით. უფრო მეტიც, ყოველთვის შესაძლებელია საფუძვლების შექმნა ჰერმიტის ოპერატორის ორთოგონალური საკუთრივ ფუნქციებიდან.
თუ პირიქით, ველს გამოვხატავთ მნიშვნელობით, მივიღებთ განზოგადებულ საკუთრივ მნიშვნელობას:
რომელშიც ოპერატორები უკვე იმყოფებიან განტოლების ორივე მხარეს (ამ შემთხვევაში, განტოლების მარცხენა მხარეს ოპერატორის მიერ გაყოფის შემდეგ, ის ხდება არაჰერმიტიული). ზოგიერთ შემთხვევაში, ეს ფორმულირება უფრო მოსახერხებელია.
გაითვალისწინეთ, რომ როდესაც განტოლება შეიცვლება საკუთარი მნიშვნელობებით, სიხშირე შეესატყვისება ახალ ამონახს. ამ ფაქტს მასშტაბურობა ჰქვია და დიდი პრაქტიკული მნიშვნელობა აქვს. მიკრონის რიგით დამახასიათებელი ზომების მქონე ფოტონიკური კრისტალების წარმოება ტექნიკურად რთულია. თუმცა, ტესტირების მიზნებისთვის შესაძლებელია ფოტონული კრისტალის მოდელის დამზადება წერტილითა და ელემენტის ზომით სანტიმეტრის რიგით, რომელიც იმუშავებს სანტიმეტრის რეჟიმში (ამ შემთხვევაში უნდა იქნას გამოყენებული მასალები, რომლებსაც ექნებათ დაახლოებით იგივე ნებართვა სანტიმეტრის სიხშირის დიაპაზონში, როგორც სიმულირებული მასალები).
მოდით გავატაროთ ზემოთ აღწერილი თეორიის ანალოგი კვანტურ მექანიკასთან. კვანტურ მექანიკაში განიხილება სკალარული ტალღის ფუნქცია, რომელიც იღებს კომპლექსურ მნიშვნელობებს. ელექტროდინამიკაში ის ვექტორულია და კომპლექსური დამოკიდებულება შემოღებულია მხოლოდ მოხერხებულობისთვის. ამ ფაქტის შედეგი, კერძოდ, არის ის, რომ ფოტონების კრისტალში ფოტონების ზოლის სტრუქტურა განსხვავებული იქნება სხვადასხვა პოლარიზაციის მქონე ტალღებისთვის, ელექტრონების ზოლის სტრუქტურებისგან განსხვავებით.
როგორც კვანტურ მექანიკაში, ასევე ელექტროდინამიკაში, პრობლემა მოგვარებულია ჰერმიტის ოპერატორის საკუთრივ მნიშვნელობებისთვის. კვანტურ მექანიკაში, ჰერმიტიული ოპერატორები შეესაბამება დაკვირვებადობას.
და ბოლოს, კვანტურ მექანიკაში, თუ ოპერატორი წარმოდგენილია ჯამის სახით, საკუთრივ მნიშვნელობის განტოლების ამონახსნი შეიძლება დაიწეროს როგორც , ანუ პრობლემა იყოფა სამ ერთგანზომილებიანად. ელექტროდინამიკაში ეს შეუძლებელია, რადგან ოპერატორი „აკავშირებს“ სამივე კოორდინატს, თუნდაც ისინი გამოყოფილი იყოს. ამ მიზეზით, ელექტროდინამიკაში მხოლოდ ძალიან შეზღუდული რაოდენობის ამოცანებს აქვს ანალიტიკური გადაწყვეტილებები. კერძოდ, კომპიუტერის დიაპაზონის სპექტრის ზუსტი ანალიტიკური გადაწყვეტილებები გვხვდება ძირითადად ერთგანზომილებიანი კომპიუტერებისთვის. სწორედ ამიტომ, რიცხვითი სიმულაცია მნიშვნელოვან როლს თამაშობს ფოტონის კრისტალების თვისებების გამოთვლაში.
ბენდის სტრუქტურა
ფოტონის კრისტალს ახასიათებს ფუნქციის პერიოდულობა:
თვითნებური თარგმანის ვექტორი წარმოდგენილია როგორც
სადაც არის პრიმიტიული ტრანსლაციის ვექტორები და არის მთელი რიცხვები.
ბლოხის თეორემით, ოპერატორის საკუთრივ ფუნქციები შეიძლება შეირჩეს ისე, რომ მათ ჰქონდეთ თვითმფრინავის ტალღის ფორმა გამრავლებული ფუნქციაზე, რომელსაც აქვს იგივე პერიოდულობა, როგორც FK:
სადაც არის პერიოდული ფუნქცია. ამ შემთხვევაში, მნიშვნელობები შეიძლება შეირჩეს ისე, რომ ისინი მიეკუთვნებიან პირველ ბრილუინის ზონას.
ამ გამოხატვის ჩანაცვლებით ფორმულირებულ საკუთრივ მნიშვნელობის პრობლემაში, მივიღებთ საკუთარი მნიშვნელობის განტოლებას
საკუთრივ ფუნქციები უნდა იყოს პერიოდული და აკმაყოფილებდეს პირობას.
შეიძლება აჩვენოს, რომ ვექტორის თითოეულ მნიშვნელობას შეესაბამება რეჟიმის უსასრულო სიმრავლე სიხშირეების დისკრეტული სიმრავლით, რომლებსაც აღმავალი თანმიმდევრობით დავთვლით ინდექსით. ვინაიდან ოპერატორი მუდმივად დამოკიდებულია ზე, სიხშირე ფიქსირებულ ინდექსზე ასევე მუდმივად დამოკიდებულია. უწყვეტი ფუნქციების ნაკრები წარმოადგენს FK-ის ზოლის სტრუქტურას. ფოტონური კრისტალის ზოლის სტრუქტურის შესწავლა შესაძლებელს ხდის ინფორმაციის მოპოვებას მისი ოპტიკური თვისებების შესახებ. ნებისმიერი დამატებითი სიმეტრიის არსებობა FK-ში საშუალებას გვაძლევს შემოვიფარგლოთ ბრილუინის ზონის გარკვეულ ქვედომეინში, რომელსაც ეწოდება შეუქცევადი. ხსნარები, რომლებიც მიეკუთვნება ამ შეუქცევად ზონას, ამრავლებენ ხსნარებს მთელი ბრილუინის ზონისთვის.
მარცხნივ: 2D ფოტონიკური კრისტალი, რომელიც შედგება ცილინდრებისგან, რომლებიც შეფუთულია კვადრატულ გისოსებში. მარჯვნივ: პირველი ბრილუინის ზონა, რომელიც შეესაბამება კვადრატულ გისოსს. ლურჯი სამკუთხედი შეესაბამება ბრილუინის შეუქცევად ზონას. გ, მდა X- მაღალი სიმეტრიის წერტილები კვადრატული გისოსისთვის.
სიხშირის ინტერვალებს, რომლებიც არ შეესაბამება რაიმე რეჟიმს ტალღის ვექტორის ნებისმიერი რეალური მნიშვნელობისთვის, ეწოდება ზოლის უფსკრული. ასეთი ზონების სიგანე იზრდება PC-ში ნებართვის კონტრასტის მატებასთან ერთად (ფოტონური კრისტალის შემადგენელი ელემენტების ნებადართულობის თანაფარდობა). თუ აკრძალული ზოლის შიგნით მდებარე სიხშირის გამოსხივება წარმოიქმნება ასეთ ფოტონულ კრისტალს, ის მასში ვერ გავრცელდება (ეს შეესაბამება ტალღის ვექტორის კომპლექსურ მნიშვნელობას). ასეთი ტალღის ამპლიტუდა ექსპონენტურად იშლება კრისტალის შიგნით (გამქრალი ტალღა). ამას ეფუძნება ფოტონიკური კრისტალის ერთ-ერთი თვისება: სპონტანური ემისიის (კერძოდ, მისი ჩახშობის) კონტროლის შესაძლებლობა. თუ ასეთი გამოსხივება კომპიუტერზე მოდის გარედან, მაშინ ის მთლიანად აისახება ფოტონის კრისტალზე. ეს ეფექტი არის კომპიუტერის გამოყენების საფუძველი ამრეკლავი ფილტრებისთვის, ასევე რეზონატორებისა და ტალღების გამტარებისთვის მაღალი ამრეკლავი კედლებით.
როგორც წესი, დაბალი სიხშირის რეჟიმები ძირითადად კონცენტრირებულია ფენებში დიდი დიელექტრიკული მუდმივით, ხოლო მაღალი სიხშირის რეჟიმები ძირითადად კონცენტრირებულია ქვედა დიელექტრიკული მუდმივის მქონე ფენებში. ამიტომ, პირველ ზონას ხშირად დიელექტრიკულ ზონას უწოდებენ, ხოლო მის შემდეგ ზონას საჰაერო ზონას.
ერთგანზომილებიანი კომპიუტერის ზოლის სტრუქტურა, რომელიც შეესაბამება ტალღების გავრცელებას ფენების პერპენდიკულარულად. სამივე შემთხვევაში თითოეულ ფენას აქვს 0,5 სისქე ა, სად ა- FC პერიოდი. მარცხნივ: თითოეულ ფენას აქვს იგივე ნებართვა ε
= 13. ცენტრი: ალტერნატიული ფენების ნებართვას აქვს მნიშვნელობები ε
= 12 და ε
= 13. მარჯვნივ: ε
= 1 და ε
= 13.
სამზე ნაკლები ზომების მქონე კომპიუტერის შემთხვევაში, არ არის სრული ზოლის ხარვეზები ყველა მიმართულებისთვის, რაც არის ერთი ან ორი მიმართულების არსებობის შედეგი, რომლის გასწვრივ კომპიუტერი ერთგვაროვანია. ინტუიციურად, ეს შეიძლება აიხსნას იმით, რომ ტალღა არ განიცდის მრავალჯერადი ანარეკლს ამ მიმართულებების გასწვრივ, რაც საჭიროა ზოლის უფსკრულის ფორმირებისთვის.
ამის მიუხედავად, შესაძლებელია ერთგანზომილებიანი კომპიუტერების შექმნა, რომლებიც ასახავს კომპიუტერზე მოხვედრილ ტალღებს ნებისმიერი კუთხით.
ერთგანზომილებიანი კომპიუტერის ზოლის სტრუქტურა წერტილით ა, რომელშიც მონაცვლე ფენების სისქეებია 0,2 ადა 0.8 ადა მათი ნებადართულობა - ε
= 13 და ε
= 1, შესაბამისად. ფიგურის მარცხენა ნაწილი შეესაბამება ტალღის გავრცელების მიმართულებას ფენების პერპენდიკულარულად (0, 0, კ z), ხოლო მარჯვენა - ფენების გასწვრივ მიმართულებით (0, კ y, 0). ზოლის უფსკრული არსებობს მხოლოდ ფენების პერპენდიკულარული მიმართულებით. გაითვალისწინეთ, რომ როდესაც კ y > 0, დეგენერაცია ამოღებულია ორი განსხვავებული პოლარიზაციისთვის.
ოპალის გეომეტრიის მქონე კომპიუტერის ზოლის სტრუქტურა ნაჩვენებია ქვემოთ. ჩანს, რომ ამ კომპიუტერს აქვს მთლიანი ზოლის უფსკრული ტალღის სიგრძეზე დაახლოებით 1,5 მკმ და ერთი გაჩერების ზოლი, მაქსიმალური ასახვით ტალღის სიგრძეზე 2,5 მკმ. სილიკონის მატრიცის ამოღების დროის ცვლილებით ინვერსიული ოპალის დამზადების ერთ-ერთ ეტაპზე და, შესაბამისად, სფეროების დიამეტრის შეცვლით, შესაძლებელია ზოლის უფსკრული ტალღის სიგრძის გარკვეულ დიაპაზონში ლოკალიზაცია. ავტორები აღნიშნავენ, რომ მსგავსი მახასიათებლების მქონე სტრუქტურა შეიძლება გამოყენებულ იქნას სატელეკომუნიკაციო ტექნოლოგიებში. რადიაცია ზოლის უფსკრული სიხშირეზე შეიძლება ლოკალიზდეს კომპიუტერის მოცულობის შიგნით და საჭირო არხის უზრუნველყოფის შემთხვევაში, მას შეუძლია გავრცელდეს პრაქტიკულად დაკარგვის გარეშე. ასეთი არხი შეიძლება ჩამოყალიბდეს, მაგალითად, ფოტონიკური კრისტალური ელემენტების ამოღებით გარკვეული ხაზის გასწვრივ. როდესაც არხი მოხრილია, ელექტრომაგნიტური ტალღა ასევე იცვლის მიმართულებას, იმეორებს არხის ფორმას. ამრიგად, ასეთი კომპიუტერი უნდა იყოს გამოყენებული, როგორც გადამცემი ერთეული ემიტირებულ მოწყობილობასა და ოპტიკურ მიკროჩიპს შორის, რომელიც ამუშავებს სიგნალს.
არეკვლის სპექტრის შედარება GL მიმართულებით, გაზომილი ექსპერიმენტულად, და ზოლის სტრუქტურა გამოთვლილი სიბრტყის ტალღის გაფართოების მეთოდით ინვერსიული სილიციუმის (Si) ოპალისთვის სახეზე ორიენტირებული კუბური გისოსით (ჩასმა გვიჩვენებს ბრილუინის პირველ ზონას). სილიციუმის მოცულობითი წილი არის 22%. გახეხვის პერიოდი 1,23 მკმ
ერთგანზომილებიანი კომპიუტერების შემთხვევაში, გამშვებობის ყველაზე მცირე კონტრასტიც კი საკმარისია ზოლის უფსკრულის შესაქმნელად. როგორც ჩანს, სამგანზომილებიანი დიელექტრიკული პერსონალური პერსონალური კომპიუტერებისთვის შეიძლება გაკეთდეს მსგავსი დასკვნა: ვივარაუდოთ სრული ზოლის არსებობა დიელექტრიკული ნებართვის ნებისმიერ მცირე კონტრასტზე იმ შემთხვევაში, თუ ბრილუინის ზონის საზღვარზე ვექტორს აქვს იგივე მოდული ყველა მიმართულებით (რომელიც შეესაბამება სფერულ ბრილუინის ზონას). თუმცა, ბუნებაში არ არსებობს სამგანზომილებიანი კრისტალები სფერული ბრილუინის ზონით. როგორც წესი, მას აქვს საკმაოდ რთული მრავალკუთხა ფორმა. ამრიგად, აღმოჩნდება, რომ ზოლის უფსკრული სხვადასხვა მიმართულებით არსებობს სხვადასხვა სიხშირეზე. მხოლოდ იმ შემთხვევაში, თუ დიელექტრიკული კონტრასტი საკმარისად დიდია, შეიძლება სხვადასხვა მიმართულებით გაჩერების ზოლები გადაფარონ და შექმნან სრული ზოლის უფსკრული ყველა მიმართულებით. სფერულთან ყველაზე ახლოს (და, შესაბამისად, ბლოხის ვექტორის მიმართულებისგან ყველაზე დამოუკიდებელი) არის პირველი ბრილუინის ზონა სახეზე ორიენტირებული კუბური (fcc) და ბრილიანტის გისოსებით, რაც ამ სტრუქტურის მქონე 3D კომპიუტერებს ყველაზე შესაფერისს ხდის მთლიანი ზოლის უფსკრულის შესაქმნელად. სპექტრი. ამავდროულად, ასეთი კომპიუტერების სპექტრებში მთლიანი დიაპაზონის ხარვეზების გამოჩენისთვის საჭიროა დიელექტრიკულ მუდმივში დიდი კონტრასტი. თუ ჭრილის ფარდობით სიგანეს აღვნიშნავთ როგორც , მაშინ 5\%" align="absmiddle"> მნიშვნელობების მისაღწევად, საჭიროა კონტრასტი ბრილიანტის და fcc ბადეებისთვის, შესაბამისად. , იმის გათვალისწინებით, რომ ყველა კომპიუტერი მიღებული ექსპერიმენტები არ არის იდეალური და სტრუქტურის დეფექტებმა შეიძლება მნიშვნელოვნად შეამციროს ზოლის უფსკრული.
პირველი ბრილუინის ზონა კუბური სახეზე ორიენტირებული გისოსისა და მაღალი სიმეტრიის წერტილებისგან.
დასასრულს, ჩვენ კიდევ ერთხელ აღვნიშნავთ კომპიუტერების ოპტიკური თვისებების მსგავსებას ელექტრონების თვისებებთან კვანტურ მექანიკაში, როდესაც განვიხილავთ ზოლის სტრუქტურას. თუმცა, არის მნიშვნელოვანი განსხვავება ფოტონებსა და ელექტრონებს შორის: ელექტრონებს აქვთ ძლიერი ურთიერთქმედება ერთმანეთთან. მაშასადამე, „ელექტრონული“ პრობლემები, როგორც წესი, მოითხოვს მრავალელექტრონული ეფექტების გათვალისწინებას, რაც მნიშვნელოვნად ზრდის პრობლემის განზომილებას, რაც ხშირად აიძულებს გამოიყენოს არასაკმარისი ზუსტი მიახლოებები, ხოლო კომპიუტერში, რომელიც შედგება უმნიშვნელო არაწრფივი ელემენტებისაგან. ოპტიკური პასუხი, ეს სირთულე არ არის.
თანამედროვე ოპტიკის პერსპექტიული სფეროა რადიაციის კონტროლი ფოტონიკური კრისტალების დახმარებით. კერძოდ, log-piles PC-ები შეისწავლეს სანდიას ლაბორატორიაში, რათა მიღწეულიყო მეტალის ფოტონიკის კრისტალების ემისიის მაღალი სელექციურობა ახლო ინფრაწითელ დიაპაზონში, ერთდროულად გამოსხივების ძლიერი ჩახშობის დროს შუა IR დიაპაზონში (<20мкм). В этих работах было показано, что для таких ФК излучение в среднем ИК диапазоне сильно подавлено из-за наличия в спектре ФК полной фотонной щели. Однако качество полной фотонной щели падает с ростом температуры из-за увеличения поглощения в вольфраме, что приводит к низкой селективности излучения при высоких температурах.
კირჩჰოფის კანონის თანახმად, რადიაციის შესახებ თერმული წონასწორობის დროს, ნაცრისფერი სხეულის (ან ზედაპირის) ემისიურობა მისი შთანთქმის პროპორციულია. ამიტომ, მეტალის კომპიუტერების ემისიურობის შესახებ ინფორმაციის მისაღებად, შეიძლება მათი შთანთქმის სპექტრების შესწავლა. კომპიუტერის შემცველ ხილულ დიაპაზონში (ნმ) გამოსხივების სტრუქტურის მაღალი სელექციურობის მისაღწევად, აუცილებელია ისეთი პირობების არჩევა, რომლებშიც ხილულ დიაპაზონში შთანთქმა დიდია და IR-ში ჩახშობილი.
ჩვენს ნამუშევრებში, http, დეტალურად გავაანალიზეთ ვოლფრამის ელემენტებით ფოტონიკის კრისტალის შთანთქმის სპექტრის ცვლილება და ოპალის გეომეტრიით მისი ყველა გეომეტრიული პარამეტრის ცვლილებით: გისოსების პერიოდი, ვოლფრამის ელემენტების ზომა და რაოდენობა. ფენების კომპიუტერის ნიმუშში. ასევე გაკეთდა ანალიზი კომპიუტერის დეფექტების შთანთქმის სპექტრზე გავლენის შესახებ, რომლებიც წარმოიქმნება მისი წარმოების დროს.
ნანო ზომის სტრუქტურების და ფოტონიკური კრისტალების ფოტონიკის იდეა დაიბადა ოპტიკური ზოლის სტრუქტურის შექმნის შესაძლებლობის ანალიზის დროს. ითვლებოდა, რომ ოპტიკური ზოლის სტრუქტურაში, ისევე როგორც ნახევარგამტარული ზოლის სტრუქტურაში, უნდა არსებობდეს დაშვებული და აკრძალული მდგომარეობები სხვადასხვა ენერგიის მქონე ფოტონებისთვის. თეორიულად შემოგვთავაზეს საშუალების მოდელი, რომელშიც მედის პერიოდული პოტენციალის სახით გამოყენებულია გარემოს გამტარიანობის ან რეფრაქციული ინდექსის პერიოდული ცვლილებები. ამრიგად, დაინერგა კონცეფცია "ფოტონური ზოლის უფსკრული" "ფოტონურ კრისტალში".
ფოტონიკური კრისტალიარის ზერეული, რომელშიც ხელოვნურად იქმნება ველი, და მისი პერიოდი ზომით აღემატება მთავარი გისოსის პერიოდს. ფოტონური კრისტალი არის ნახევრად გამჭვირვალე დიელექტრიკი გარკვეული პერიოდული სტრუქტურით და უნიკალური ოპტიკური თვისებებით.
პერიოდული სტრუქტურა წარმოიქმნება უმცირესი ხვრელებისგან, რომლებიც პერიოდულად ცვლიან დიელექტრიკულ მუდმივას r. ამ ხვრელების დიამეტრი ისეთია, რომ მათში გადის მკაცრად განსაზღვრული სიგრძის სინათლის ტალღები. ყველა სხვა ტალღა შეიწოვება ან აირეკლება.
იქმნება ფოტონური ზოლები, რომლებშიც სინათლის გავრცელების ფაზური სიჩქარე დამოკიდებულია ე. ბროლში სინათლე ვრცელდება თანმიმდევრულად და ჩნდება აკრძალული სიხშირეები გავრცელების მიმართულებიდან გამომდინარე. ბრაგის დიფრაქცია ფოტონური კრისტალებისთვის ხდება ოპტიკური ტალღის სიგრძის დიაპაზონში.
ასეთ კრისტალებს უწოდებენ ფოტონიკური ზოლის მასალებს (PBG). კვანტური ელექტრონიკის თვალსაზრისით, აინშტაინის კანონი სტიმულირებული ემისიის შესახებ არ მოქმედებს ასეთ აქტიურ მედიაში. ამ კანონის შესაბამისად, გამოწვეული ემისიის და შთანთქმის მაჩვენებლები ტოლია და აგზნების ჯამი N 2და აუღელვებელი
ატომები JV არის A, + N., = N.მერე ანუ 50%.
ფოტონიკურ კრისტალებში შესაძლებელია მოსახლეობის 100%-იანი ინვერსია. ეს შესაძლებელს ხდის ტუმბოს სიმძლავრის შემცირებას და ბროლის არასაჭირო გათბობას.
თუ ბროლზე გავლენას ახდენს ხმის ტალღები, მაშინ სინათლის ტალღის სიგრძე და ბროლისთვის დამახასიათებელი სინათლის ტალღის მოძრაობის მიმართულება შეიძლება შეიცვალოს. ფოტონური კრისტალების გამორჩეული თვისება არის ასახვის კოეფიციენტის პროპორციულობა რსინათლე სპექტრის გრძელ ტალღის ნაწილში მისი სიხშირის კვადრატში co 2, და არა როგორც რეილის გაფანტვისას რ~ 4-დან. ოპტიკური სპექტრის მოკლე ტალღის კომპონენტი აღწერილია გეომეტრიული ოპტიკის კანონებით.
ფოტონიკური კრისტალების სამრეწველო შექმნისას აუცილებელია სამგანზომილებიანი ზელატების შექმნის ტექნოლოგია. ეს ძალიან რთული ამოცანაა, ვინაიდან სტანდარტული რეპლიკაციის ტექნიკა ლითოგრაფიის მეთოდების გამოყენებით მიუღებელია 3D ნანოსტრუქტურების შესაქმნელად.
მკვლევართა ყურადღება კეთილშობილმა ოპალმა მიიპყრო (სურ. 2.23). არის თუ არა მინერალი Si() 2? პ 1.0 ჰიდროქსიდის ქვეკლასი. ბუნებრივ ოპალებში გლობულების სიცარიელე ივსება სილიციუმის დიოქსიდისა და მოლეკულური წყლით. ნანოელექტრონიკის თვალსაზრისით, ოპალები არის სილიციუმის დიოქსიდის მჭიდროდ შეფუთული (ძირითადად კუბური კანონის მიხედვით) ნანოსფეროები (გლობულები). როგორც წესი, ნანოსფეროების დიამეტრი 200-600 ნმ დიაპაზონშია. სილიციუმის გლობულების შეფუთვა ქმნის სამგანზომილებიან გისოსს. ასეთი სუპერქსელები შეიცავს 140-400 ნმ ზომის სტრუქტურულ სიცარიელეს, რომელიც შეიძლება შეივსოს ნახევარგამტარული, ოპტიკურად აქტიური და მაგნიტური მასალებით. ოპალის მსგავს სტრუქტურაში შესაძლებელია სამგანზომილებიანი გისოსის შექმნა ნანომასშტაბიანი სტრუქტურით. ოპალური ოპალის მატრიცის სტრუქტურა შეიძლება იყოს 3E ფოტონიკური კრისტალის ფუნქცია.
შემუშავებულია დაჟანგული მაკროფოროვანი სილიკონის ტექნოლოგია. ამ ტექნოლოგიური პროცესის საფუძველზე შეიქმნა სამგანზომილებიანი სტრუქტურები სილიციუმის დიოქსიდის ქინძისთავების სახით (სურ. 2.24).
ამ სტრუქტურებში აღმოჩენილია ფოტონური ზოლები. ზოლის უფსკრული პარამეტრების შეცვლა შესაძლებელია ლითოგრაფიული პროცესების სტადიაზე ან ქინძისთავის სტრუქტურის სხვა მასალებით შევსებით.
ფოტონიკური კრისტალების საფუძველზე შეიქმნა ლაზერების სხვადასხვა დიზაინი. ფოტონიკურ კრისტალებზე დაფუძნებული ოპტიკური ელემენტების კიდევ ერთი კლასი არის ფოტონოკრისტალური ბოჭკოები(FKV). Მათ აქვთ
ბრინჯი. 2.23.სინთეზური ოპალის სტრუქტურა (ა)და ბუნებრივი ოპალები (ბ)"
" წყარო: გუდილინი E.A.[და ა.შ.]. ნანოსამყაროს სიმდიდრე. ფოტო ესე მატერიის სიღრმიდან; რედ. იუ.დ.ტრეტიაკოვა. M.: BINOM. ცოდნის ლაბორატორია, 2010 წ.
ბრინჯი. 2.24.
ზოლის უფსკრული მოცემული ტალღის სიგრძის დიაპაზონში. ჩვეულებრივი ოპტიკური ბოჭკოებისგან განსხვავებით, ფოტონიკურ ბოჭკოებს აქვთ უნარი გადაიტანონ ნულოვანი დისპერსიის ტალღის სიგრძე სპექტრის ხილულ რეგიონში. ამ შემთხვევაში გათვალისწინებულია ხილული სინათლის გავრცელების სოლიტონის რეჟიმების პირობები.
საჰაერო მილების ზომის და, შესაბამისად, ბირთვის ზომის შეცვლით, შესაძლებელია გაიზარდოს სინათლის გამოსხივების სიმძლავრის კონცენტრაცია, ბოჭკოების არაწრფივი თვისებები. ბოჭკოსა და მოპირკეთების გეომეტრიის ცვლილებით, ძლიერი არაწრფივი და დაბალი დისპერსიის ოპტიმალური კომბინაცია შეიძლება მიღებულ იქნას ტალღის სიგრძის სასურველ დიაპაზონში.
ნახ. 2.25 წარედგინება FCF-ს. ისინი იყოფა ორ ტიპად. პირველ ტიპს მოიხსენიებენ FKV უწყვეტი სინათლის სახელმძღვანელო ბირთვით. სტრუქტურულად, ასეთი ბოჭკო დამზადებულია კვარცის შუშის ბირთვის სახით ფოტონიკური ბროლის გარსში. ასეთი ბოჭკოების ტალღური თვისებები უზრუნველყოფილია როგორც მთლიანი შიდა ასახვის ეფექტით, ასევე ფოტონიკური კრისტალის ზოლის თვისებებით. ამიტომ, დაბალი რიგის რეჟიმები ვრცელდება ასეთ ბოჭკოებში ფართო სპექტრულ დიაპაზონში. მაღალი რიგის რეჟიმები გადადის გარსში და იქ იშლება. ამ შემთხვევაში, კრისტალის ტალღოვანი თვისებები ნულოვანი რიგის რეჟიმებისთვის განისაზღვრება მთლიანი შიდა ასახვის ეფექტით. ფოტონური კრისტალის ზოლის სტრუქტურა ვლინდება მხოლოდ ირიბად.
მეორე ტიპის FKV-ს აქვს ღრუ სინათლის სახელმძღვანელო ბირთვი. სინათლეს შეუძლია გავრცელდეს როგორც ბოჭკოების ბირთვში, ასევე საფარის მეშვეობით. ბირთვში
ბრინჯი. 2.25.
ა -განყოფილება უწყვეტი სინათლის სახელმძღვანელო ბირთვით;
6 - განყოფილება ღრუ სინათლის მიმართული საცხოვრებელი ძაფით, გარდატეხის ინდექსი ნაკლებია გარსის საშუალო რეფრაქციულ ინდექსზე. ეს შესაძლებელს ხდის მნიშვნელოვნად გაზარდოს ტრანსპორტირებული რადიაციის სიმძლავრე. ამჟამად შეიქმნა ბოჭკოები, რომლებსაც აქვთ ტალღის სიგრძეზე 0,58 დბ/კმ დანაკარგი. X= 1,55 μm, რაც ახლოსაა დანაკარგთან სტანდარტულ ერთრეჟიმიან ბოჭკოში (0,2 დბ/კმ).
ფოტონიკური კრისტალური ბოჭკოების სხვა უპირატესობებს შორის, ჩვენ აღვნიშნავთ შემდეგს:
- ერთი რეჟიმის რეჟიმი ყველა გამოთვლილი ტალღის სიგრძისთვის;
- ძირითადი მოდის ლაქების ცვლილების ფართო სპექტრი;
- დისპერსიის კოეფიციენტის მუდმივი და მაღალი მნიშვნელობა 1,3-1,5 მკმ ტალღის სიგრძისთვის და ნულოვანი დისპერსიული ტალღის სიგრძე ხილულ სპექტრში;
- კონტროლირებადი პოლარიზაციის მნიშვნელობები, ჯგუფის სიჩქარის დისპერსიები, გადაცემის სპექტრი.
ბოჭკოები ფოტონიკური ბროლის საფარით ფართოდ გამოიყენება პრობლემების გადასაჭრელად ოპტიკაში, ლაზერულ ფიზიკაში და განსაკუთრებით სატელეკომუნიკაციო სისტემებში. ბოლო დროს, ინტერესი მიიპყრო სხვადასხვა რეზონანსმა, რომელიც წარმოიქმნება ფოტონის კრისტალებში. პოლარტონის ეფექტები ფოტონის კრისტალებში ხდება ელექტრონისა და ფოტონის რეზონანსების ურთიერთქმედების დროს. ოპტიკურ ტალღის სიგრძეზე გაცილებით მცირე პერიოდის მქონე მეტალო-დიელექტრიკული ნანოსტრუქტურების შექმნისას შესაძლებელია სიტუაციის რეალიზება, რომელშიც პირობები რ.
ფოტონიკის განვითარების ძალიან მნიშვნელოვანი პროდუქტია სატელეკომუნიკაციო ბოჭკოვანი სისტემები. მათი ფუნქციონირება ეფუძნება საინფორმაციო სიგნალის ელექტრო-ოპტიკური გადაქცევის პროცესებს, მოდულირებული ოპტიკური სიგნალის გადაცემას ბოჭკოვანი შუქის სახელმძღვანელოზე და ინვერსიული ოპტოელექტრონული გარდაქმნის პროცესებზე.
ბოლო ათწლეულის განმავლობაში, მიკროელექტრონიკის განვითარება შენელდა, რადგან სტანდარტული ნახევარგამტარული მოწყობილობების სიჩქარის ლიმიტები უკვე პრაქტიკულად მიღწეულია. მზარდი კვლევები ეძღვნება ნახევარგამტარული ელექტრონიკის ალტერნატიული სფეროების განვითარებას - ეს არის სპინტრონიკა, მიკროელექტრონიკა სუპერგამტარი ელემენტებით, ფოტონიკა და სხვა.
ინფორმაციის გადაცემისა და დამუშავების ახალ პრინციპს მსუბუქი სიგნალის და არა ელექტრული სიგნალის გამოყენებით შეუძლია დააჩქაროს ინფორმაციის ეპოქაში ახალი ეტაპის დაწყება.
მარტივი კრისტალებიდან ფოტონიკამდე
მომავლის ელექტრონული მოწყობილობების საფუძველი შეიძლება იყოს ფოტონიკური კრისტალები - ეს არის სინთეზური მოწესრიგებული მასალები, რომლებშიც დიელექტრიკული მუდმივი პერიოდულად იცვლება სტრუქტურის შიგნით. ტრადიციული ნახევარგამტარის ბროლის ბადეში ატომების განლაგების კანონზომიერება, პერიოდულობა იწვევს ეგრეთ წოდებული ზოლის ენერგიის სტრუქტურის წარმოქმნას - დაშვებული და აკრძალული ზონებით. ელექტრონს, რომლის ენერგიაც დაშვებულ ზოლში მოხვდება, შეუძლია კრისტალში გადაადგილება, ხოლო ზოლის უფსკრულის მქონე ელექტრონი „ჩაკეტილია“.
ჩვეულებრივი კრისტალის ანალოგიით, გაჩნდა ფოტონის კრისტალის იდეა. მასში პერმიტიულობის პერიოდულობა იწვევს ფოტონიკური ზონების, კერძოდ, აკრძალული ზონის გაჩენას, რომლის ფარგლებშიც ითრგუნება გარკვეული ტალღის სიგრძის სინათლის გავრცელება. ანუ, ელექტრომაგნიტური გამოსხივების ფართო სპექტრისთვის გამჭვირვალე ფოტონური კრისტალები არ გადასცემენ სინათლეს შერჩეული ტალღის სიგრძით (ტოლია სტრუქტურის ორჯერ პერიოდს ოპტიკური ბილიკის სიგრძეზე).
ფოტონიკურ კრისტალებს შეიძლება ჰქონდეთ განსხვავებული ზომები. ერთგანზომილებიანი (1D) კრისტალები არის მონაცვლეობითი ფენების მრავალშრიანი სტრუქტურა სხვადასხვა რეფრაქციული მაჩვენებლით. ორგანზომილებიანი ფოტონიკური კრისტალები (2D) შეიძლება წარმოდგენილი იყოს ღეროების პერიოდული სტრუქტურის სახით სხვადასხვა ნებართვით. ფოტონიკური კრისტალების პირველი სინთეზური პროტოტიპები იყო სამგანზომილებიანი და შეიქმნა 1990-იანი წლების დასაწყისში კვლევითი ცენტრის თანამშრომლების მიერ. ბელი ლაბორატორიები(ᲐᲨᲨ). დიელექტრიკულ მასალაში პერიოდული გისოსების მისაღებად ამერიკელმა მეცნიერებმა გაბურღეს ცილინდრული ხვრელები ისე, რომ მიეღოთ სიცარიელეების სამგანზომილებიანი ქსელი. იმისათვის, რომ მასალა გადაიქცეს ფოტონულ კრისტალად, მისი გამტარობა მოდულირებული იყო 1 სანტიმეტრის პერიოდით სამივე განზომილებაში.
ფოტონიკური კრისტალების ბუნებრივი ანალოგებია ჭურვების დედის მარგალიტის საფარი (1D), ზღვის თაგვის ანტენები, პოლიქაეტის ჭია (2D), აფრიკული მცურავი პეპლის ფრთები და ნახევრადძვირფასი ქვები, როგორიცაა ოპალი (3D).
მაგრამ დღესაც კი, ელექტრონული ლითოგრაფიისა და ანიზოტროპული იონების ამოფრქვევის ყველაზე თანამედროვე და ძვირადღირებული მეთოდების დახმარებითაც კი, ძნელია დეფექტების გარეშე სამგანზომილებიანი ფოტო კრისტალების წარმოება 10-ზე მეტი სტრუქტურული უჯრედის სისქით.
ფოტონურ კრისტალებს ფართო გამოყენება უნდა ჰპოვონ ფოტონურ ინტეგრირებულ ტექნოლოგიებში, რომლებიც მომავალში ჩაანაცვლებენ კომპიუტერებში ელექტრულ ინტეგრირებულ სქემებს. როდესაც ინფორმაცია ელექტრონების ნაცვლად ფოტონების გამოყენებით გადაიცემა, ენერგიის მოხმარება მკვეთრად შემცირდება, საათის სიხშირეები და ინფორმაციის გადაცემის სიჩქარე გაიზრდება.
ტიტანის ოქსიდის ფოტონიკური კრისტალი
ტიტანის ოქსიდს TiO 2 აქვს უნიკალური მახასიათებლების ნაკრები, როგორიცაა მაღალი რეფრაქციული ინდექსი, ქიმიური სტაბილურობა და დაბალი ტოქსიკურობა, რაც მას ყველაზე პერსპექტიულ მასალად აქცევს ერთგანზომილებიანი ფოტონიკური კრისტალების შესაქმნელად. თუ გავითვალისწინებთ მზის უჯრედების ფოტოურ კრისტალებს, მაშინ ტიტანის ოქსიდი იმარჯვებს აქ მისი ნახევარგამტარული თვისებების გამო. ადრე ნაჩვენები იყო მზის უჯრედების ეფექტურობის ზრდა ნახევარგამტარული ფენის გამოყენებით პერიოდული ფოტო კრისტალური სტრუქტურით, მათ შორის ტიტანის ოქსიდის ფოტონიკური კრისტალები.
მაგრამ ჯერჯერობით, ტიტანის დიოქსიდზე დაფუძნებული ფოტონიკის კრისტალების გამოყენება შეზღუდულია მათი შექმნისთვის რეპროდუცირებადი და იაფი ტექნოლოგიის არარსებობით.
ნინა საპოლეტოვამ, სერგეი კუშნირმა და კირილ ნაპოლსკიმ, მოსკოვის სახელმწიფო უნივერსიტეტის ქიმიის და მასალათმცოდნეობის ფაკულტეტის წევრებმა, გააუმჯობესეს ერთგანზომილებიანი ფოტონიკის კრისტალების სინთეზი, რომელიც დაფუძნებულია ფოროვანი ტიტანის ოქსიდის ფილმებზე.
„სარქვლის ლითონების, მათ შორის ალუმინის და ტიტანის, ანოდირება (ელექტროქიმიური დაჟანგვა) ეფექტური მეთოდია ნანომეტრის ზომის არხებით ფოროვანი ოქსიდის ფილმების მისაღებად“, განმარტა კირილ ნაპოლსკიმ, ელექტროქიმიური ნანოსტრუქტურული ჯგუფის ხელმძღვანელმა, ქიმიურ მეცნიერებათა კანდიდატმა.
ანოდიზაცია ჩვეულებრივ ხორციელდება ორ ელექტროდის ელექტროქიმიურ უჯრედში. ორი ლითონის ფირფიტა, კათოდი და ანოდი, ჩაედინება ელექტროლიტის ხსნარში და გამოიყენება ელექტრული ძაბვა. წყალბადი გამოიყოფა კათოდზე, ხოლო ლითონის ელექტროქიმიური დაჟანგვა ხდება ანოდზე. თუ უჯრედზე გამოყენებული ძაბვა პერიოდულად იცვლება, მაშინ ანოდზე წარმოიქმნება ფოროვანი ფილმი სისქეში მითითებული ფორიანობით.
ეფექტური რეფრაქციული ინდექსი მოდულირებული იქნება, თუ ფორების დიამეტრი პერიოდულად იცვლება სტრუქტურაში. ადრე შემუშავებული ტიტანის ანოდირების ტექნიკა არ იძლეოდა სტრუქტურის მაღალი ხარისხის პერიოდულობის მასალების მოპოვების საშუალებას. მოსკოვის სახელმწიფო უნივერსიტეტის ქიმიკოსებმა შეიმუშავეს ლითონის ანოდიზაციის ახალი მეთოდი ძაბვის მოდულაციით, რომელიც დამოკიდებულია ანოდირების მუხტზე, რაც საშუალებას გაძლევთ შექმნათ ფოროვანი ანოდური ლითონის ოქსიდები მაღალი სიზუსტით. ახალი ტექნიკის შესაძლებლობები აჩვენეს ქიმიკოსებმა, მაგალითად, ანოდიური ტიტანის ოქსიდის ერთგანზომილებიანი ფოტონიკური კრისტალების გამოყენებით.
სინუსოიდური კანონის მიხედვით 40-60 ვოლტის დიაპაზონში ანოდირების ძაბვის შეცვლის შედეგად მეცნიერებმა მიიღეს ანოდიური ტიტანის ოქსიდის ნანომილები მუდმივი გარე დიამეტრით და პერიოდულად ცვალებადი შიდა დიამეტრით (იხ. სურათი).
„ადრე გამოყენებული ანოდიზაციის მეთოდები არ იძლეოდა სტრუქტურის მაღალი ხარისხის პერიოდულობის მასალების მოპოვების საშუალებას. ჩვენ შევიმუშავეთ ახალი მეთოდოლოგია, რომლის ძირითადი კომპონენტია ადგილზე(დაუყოვნებლივ სინთეზის დროს) ანოდირების მუხტის გაზომვა, რაც შესაძლებელს ხდის მაღალი სიზუსტით აკონტროლოთ ფენების სისქე სხვადასხვა ფორიანობით წარმოქმნილ ოქსიდის ფილმში, ”- განმარტა ნაშრომის ერთ-ერთმა ავტორმა, ქიმიურ მეცნიერებათა კანდიდატმა სერგეი კუშნირმა.
შემუშავებული ტექნიკა გაამარტივებს ახალი მასალების შექმნას მოდულირებული სტრუქტურით, რომელიც დაფუძნებულია ანოდურ ლითონის ოქსიდებზე. „თუკი მზის უჯრედებში ანოდიური ტიტანის ოქსიდიდან ფოტონიკის კრისტალების გამოყენებას განვიხილავთ, როგორც ტექნიკის პრაქტიკულ გამოყენებას, მაშინ რჩება ასეთი ფოტონური კრისტალების სტრუქტურული პარამეტრების გავლენის სისტემატური შესწავლა მზის უჯრედებში სინათლის გარდაქმნის ეფექტურობაზე. განხორციელდეს“, - დააზუსტა სერგეი კუშნირმა.
ფოტონური კრისტალების უჩვეულო თვისებები გახდა უამრავი ნაშრომის და, ბოლო დროს, მონოგრაფიის საგანი. შეგახსენებთ, რომ ფოტონიკური კრისტალები ისეთი ხელოვნური მედიაა, რომლებშიც დიელექტრიკული პარამეტრების პერიოდული ცვლილების გამო (იგულისხმება რეფრაქციული ინდექსი), ელექტრომაგნიტური ტალღების (სინათლის) გავრცელების თვისებები მსგავსი ხდება რეალურ კრისტალებში გავრცელებულ ელექტრონების თვისებებთან. შესაბამისად, ტერმინი „ფოტონური კრისტალი“ ხაზს უსვამს ფოტონებისა და ელექტრონების მსგავსებას. ფოტონების თვისებების კვანტიზაცია იწვევს იმ ფაქტს, რომ ელექტრომაგნიტური ტალღის სპექტრში, რომელიც გავრცელდება ფოტონის კრისტალში, შეიძლება გამოჩნდეს აკრძალული ზოლები, რომლებშიც ფოტონის მდგომარეობების სიმკვრივე ნულის ტოლია.
სამგანზომილებიანი ფოტონიკური კრისტალი აბსოლუტური ზოლებით პირველად იქნა რეალიზებული ელექტრომაგნიტური ტალღებისთვის მიკროტალღურ დიაპაზონში. აბსოლუტური დიაპაზონის არსებობა ნიშნავს, რომ ელექტრომაგნიტური ტალღები გარკვეულ სიხშირის დიაპაზონში ვერ გავრცელდება მოცემულ კრისტალში ნებისმიერი მიმართულებით, რადგან ფოტონების მდგომარეობის სიმკვრივე, რომელთა ენერგია შეესაბამება ამ სიხშირის დიაპაზონს, უდრის ნულს ბროლის ნებისმიერ წერტილში. . ნამდვილი კრისტალების მსგავსად, ფოტონიკური კრისტალები შეიძლება იყოს გამტარები, ნახევარგამტარები, იზოლატორები და სუპერგამტარები ზოლის უფსკრულის არსებობისა და თვისებების მიხედვით. თუ ფოტონის კრისტალის ზოლის უფსკრულის "დეფექტებია", მაშინ შესაძლებელია ფოტონის "დაჭერა" "დეფექტის" მიერ, ისევე როგორც ელექტრონი ან ხვრელი დაჭერილი ზოლის უფსკრულის შესაბამისი მინარევით. ნახევარგამტარის.
ასეთ გავრცელებულ ტალღებს ენერგიით, რომელიც მდებარეობს ზოლის უფსკრულის შიგნით, დეფექტის რეჟიმებს უწოდებენ.
ფოტონიკური კრისტალების მეტამატერიალური რეფრაქცია
როგორც უკვე აღვნიშნეთ, ფოტონური კრისტალის უჩვეულო თვისებები შეინიშნება, როდესაც ბროლის ერთეული უჯრედის ზომები მასში გავრცელებული ტალღის სიგრძის რიგია. ნათელია, რომ იდეალური ფოტონიკური კრისტალები სინათლის ხილულ დიაპაზონში შეიძლება მხოლოდ სუბმიკრონული ტექნოლოგიების გამოყენებით წარმოიქმნას. თანამედროვე მეცნიერებისა და ტექნოლოგიების დონე შესაძლებელს ხდის ასეთი სამგანზომილებიანი კრისტალების შექმნას.
ფოტონიკის კრისტალების გამოყენება საკმაოდ მრავალრიცხოვანია - ოპტიკური იზოლატორები, ოპტიკური იზოლატორები, გადამრთველები, მულტიპლექსატორები და ა.შ. პრაქტიკული თვალსაზრისით, ერთ-ერთი უაღრესად მნიშვნელოვანი სტრუქტურაა ფოტონო-კრისტალური ოპტიკური ბოჭკოები. ისინი პირველად დამზადდა მინის კაპილარების ნაკრებისგან, რომლებიც აწყობილი იყო მკვრივ პაკეტში, რომელიც შემდეგ ექვემდებარებოდა ჩვეულებრივ ნახატს. შედეგი იყო ოპტიკური ბოჭკო, რომელიც შეიცავდა რეგულარულად დაშორებულ ხვრელებს, დამახასიათებელი ზომით დაახლოებით 1 μm. შემდგომში მიიღეს სხვადასხვა კონფიგურაციის და სხვადასხვა თვისებების ოპტიკური ფოტონო-კრისტალური ბოჭკოები (სურ. 9).
ბურღვის ახალი მეთოდი შემუშავდა რადიოინჟინერიისა და ელექტრონიკის ინსტიტუტში და რუსეთის მეცნიერებათა აკადემიის ბოჭკოვანი ოპტიკის კვლევით ცენტრში ფოტონო-კრისტალური სინათლის სახელმძღვანელოების შესაქმნელად. ჯერ კვარცის სქელ სამუშაო ნაწილზე გაბურღეს მექანიკური ხვრელები ნებისმიერი მატრიცით, შემდეგ კი სამუშაო ნაწილის დახატვა. შედეგად მიღებული იქნა მაღალი ხარისხის ფოტონოკრისტალური ბოჭკო. ასეთ ბოჭკოებში ადვილია სხვადასხვა ფორმისა და ზომის დეფექტების შექმნა, რათა მათში ერთდროულად აღფრთოვანდეს სინათლის რამდენიმე რეჟიმი, რომელთა სიხშირეები დევს ფოტონის ბროლის ზოლში. დეფექტებს, კერძოდ, შეიძლება ჰქონდეთ ღრუ არხის ფორმა, ასე რომ, სინათლე გავრცელდება არა კვარცში, არამედ ჰაერში, რამაც შეიძლება მნიშვნელოვნად შეამციროს დანაკარგები ფოტონის კრისტალური ბოჭკოების გრძელ მონაკვეთებში. ხილული და ინფრაწითელი გამოსხივების გავრცელებას ფოტონიკურ კრისტალურ ბოჭკოებში თან ახლავს სხვადასხვა ფიზიკური ფენომენი: რამანის გაფანტვა, ჰარმონიული შერევა, ჰარმონიული გენერაცია, რაც საბოლოოდ იწვევს სუპერკონტინიუმების წარმოქმნას.
არანაკლებ საინტერესოა ფიზიკური ეფექტებისა და შესაძლო აპლიკაციების შესწავლის თვალსაზრისით, ერთ და ორგანზომილებიანი ფოტონიკური კრისტალები. მკაცრად რომ ვთქვათ, ეს სტრუქტურები არ არის ფოტონიკური კრისტალები, მაგრამ ისინი შეიძლება ჩაითვალოს ასეთებად, როდესაც ელექტრომაგნიტური ტალღები ვრცელდება გარკვეული მიმართულებით. ტიპიური ერთგანზომილებიანი ფოტონიკური კრისტალი არის მრავალშრიანი პერიოდული სტრუქტურა, რომელიც შედგება სულ მცირე ორი ნივთიერების ფენებისგან ძალიან განსხვავებული რეფრაქციული ინდექსებით. თუ ელექტრომაგნიტური ტალღა ვრცელდება ნორმალურზე, ასეთ სტრუქტურაში ჩნდება აკრძალული ზოლი გარკვეული სიხშირეებისთვის. თუ სტრუქტურის ერთ-ერთი ფენა შეიცვალა სხვა რეფრაქციული ინდექსის მქონე ნივთიერებით ან შეიცვლება ერთი ფენის სისქე, მაშინ ასეთი ფენა იქნება დეფექტი, რომელსაც შეუძლია დაიჭიროს ტალღა, რომლის სიხშირე ზოლის უფსკრულშია.
მაგნიტური დეფექტის ფენის არსებობა დიელექტრიკულ არამაგნიტურ სტრუქტურაში იწვევს ტალღის ფარადეის ბრუნვის მრავალჯერად ზრდას ასეთ სტრუქტურაში გავრცელებისას და საშუალო ოპტიკური გამჭვირვალობის ზრდას.
ზოგადად რომ ვთქვათ, მაგნიტური ფენების არსებობამ ფოტონის კრისტალებში შეიძლება მნიშვნელოვნად შეცვალოს მათი თვისებები, პირველ რიგში, მიკროტალღურ დიაპაზონში. ფაქტია, რომ მიკროტალღურ დიაპაზონში ფერომაგნიტების მაგნიტური გამტარიანობა გარკვეული სიხშირის დიაპაზონში უარყოფითია, რაც ხელს უწყობს მათ გამოყენებას მეტამასალის შექმნაში. ასეთი ნივთიერებების კონიუგირებით მეტალის არამაგნიტურ ფენებთან ან სტრუქტურებთან, რომლებიც შედგება ცალკეული გამტარებისგან ან გამტარების პერიოდული სტრუქტურებისგან, შესაძლებელია წარმოიქმნას სტრუქტურები მაგნიტური და დიელექტრიკული გამტარობის უარყოფითი მნიშვნელობებით. ამის მაგალითია რუსეთის მეცნიერებათა აკადემიის რადიოინჟინერიისა და ელექტრონიკის ინსტიტუტში შექმნილი სტრუქტურები, რომლებიც შექმნილია მაგნიტოსტატიკური სპინის ტალღების "უარყოფითი" ასახვისა და რეფრაქციის გამოსავლენად. ასეთი სტრუქტურა არის იტრიუმის რკინის გარნიტის ფილმი ლითონის გამტარებით მის ზედაპირზე. თხელ ფერომაგნიტურ ფილმებში გავრცელებული მაგნიტოსტატიკური სპინის ტალღების თვისებები ძლიერ არის დამოკიდებული გარე მაგნიტურ ველზე. ზოგადად, ასეთი ტალღების ერთ-ერთი სახეობაა უკანა ტალღა, ამიტომ ტალღის ვექტორის და პოინტინგის ვექტორის სკალარული ნამრავლი ამ ტიპის ტალღისთვის უარყოფითია.
ფოტონიკურ კრისტალებში უკანა ტალღების არსებობა ასევე განპირობებულია თავად ბროლის თვისებების პერიოდულობით. კერძოდ, ტალღებისთვის, რომელთა ტალღის ვექტორები დევს ბრილუინის პირველ ზონაში, გავრცელების პირობა შეიძლება დაკმაყოფილდეს როგორც პირდაპირი ტალღებისთვის, ასევე იგივე ტალღებისთვის მეორე ბრილუენის ზონაში, როგორც ჩამორჩენილი. მეტამასალების მსგავსად, ფოტონიკურ კრისტალებსაც შეუძლიათ გამოავლინონ უჩვეულო თვისებები ტალღების გავრცელებაში, როგორიცაა „უარყოფითი“ რეფრაქცია.
თუმცა, ფოტონიკური კრისტალები შეიძლება იყოს მეტამასალა, რომლისთვისაც შესაძლებელია „ნეგატიური“ რეფრაქციის ფენომენი არა მხოლოდ მიკროტალღურ დიაპაზონში, არამედ ოპტიკური სიხშირის დიაპაზონშიც. ექსპერიმენტები ადასტურებს ფოტონიკურ კრისტალებში „უარყოფითი“ რეფრაქციის არსებობას ტალღებისთვის, რომელთა სიხშირეები აღემატება ბრილუინის ზონის ცენტრთან მდებარე პირველი აკრძალული ზონის სიხშირეს. ეს გამოწვეულია უარყოფითი ჯგუფის სიჩქარის ზემოქმედებით და, შედეგად, ტალღისთვის უარყოფითი რეფრაქციული ინდექსით. სინამდვილეში, ამ სიხშირის დიაპაზონში ტალღები უკან იხევს.
