ფოტონიკური კრისტალი. ფოტონური კრისტალების ელექტროქიმია მარტივი კრისტალებიდან ფოტონულ კრისტალებამდე
ფოტონიკური კრისტალების წარმოების მეთოდების კლასიფიკაცია.ბუნებაში ფოტონური კრისტალები იშვიათობაა. ისინი გამოირჩევიან სინათლის განსაკუთრებული მოლურჯო თამაშით - ოპტიკური ფენომენი, რომელსაც ირიზაცია ჰქვია (ბერძნულიდან თარგმნა - ცისარტყელა). ეს მინერალებია კალციტი, ლაბრადორიტი და ოპალი SiO 2 ×n∙H 2 O სხვადასხვა ჩანართებით. მათ შორის ყველაზე ცნობილია ოპალი - ნახევრად ძვირფასი მინერალი, რომელიც კოლოიდური კრისტალია, რომელიც შედგება მონოდისპერსიული სფერული სილიციუმის ოქსიდის გლობულებისგან. ამ უკანასკნელში სინათლის თამაშიდან მოდის ტერმინი ოპალესცენცია, რომელიც აღნიშნავს რადიაციის გაფანტვის განსაკუთრებულ ტიპს, რომელიც დამახასიათებელია მხოლოდ ამ ბროლისთვის.
ფოტონიკური კრისტალების წარმოების ძირითადი მეთოდები მოიცავს მეთოდებს, რომლებიც შეიძლება დაიყოს სამ ჯგუფად:
1. მეთოდები ფოტონური კრისტალების სპონტანური წარმოქმნის გამოყენებით. მეთოდების ეს ჯგუფი იყენებს კოლოიდურ ნაწილაკებს, როგორიცაა მონოდისპერსიული სილიკონის ან პოლისტიროლის ნაწილაკები, ისევე როგორც სხვა მასალები. ასეთი ნაწილაკები, რომლებიც აორთქლების დროს თხევად ორთქლში არიან, დეპონირდება გარკვეულ მოცულობაში. როდესაც ნაწილაკები ერთმანეთზე დგანან, ისინი ქმნიან სამგანზომილებიან ფოტონიკურ კრისტალს და განლაგებულია უპირატესად სახის ცენტრში ან ექვსკუთხა ბროლის ბადეში. ასევე შესაძლებელია თაფლისებრი მეთოდი, რომელიც ეფუძნება მცირე სპორების მეშვეობით სითხის გაფილტვრას, რომელშიც ნაწილაკებია განთავსებული. მიუხედავად იმისა, რომ თაფლისებრი მეთოდი შესაძლებელს ხდის კრისტალის წარმოქმნას შედარებით მაღალი სიჩქარით, რაც განისაზღვრება ფორებში სითხის ნაკადის სიჩქარით, თუმცა, ასეთ კრისტალებში დეფექტები წარმოიქმნება გაშრობისას. არსებობს სხვა მეთოდები, რომლებიც იყენებენ ფოტონური კრისტალების სპონტანურ წარმოქმნას, მაგრამ თითოეულ მეთოდს აქვს თავისი დადებითი და უარყოფითი მხარეები. ყველაზე ხშირად, ეს მეთოდები გამოიყენება სფერული კოლოიდური სილიკონის ნაწილაკების შესანახად, თუმცა, შედეგად მიღებული რეფრაქციული ინდექსის კონტრასტი შედარებით მცირეა.
2. მეთოდები ობიექტური ჭურვის გამოყენებით. მეთოდების ეს ჯგუფი იყენებს ნახევარგამტარულ ზედაპირზე წარმოქმნილ ფოტორეზისტულ ნიღაბს, რომელიც განსაზღვრავს ატრაკის რეგიონის გეომეტრიას. ასეთი ნიღბის გამოყენებით უმარტივესი ფოტონიკური კრისტალი წარმოიქმნება ნახევარგამტარის ზედაპირის გრავირებით, რომელიც არ არის დაფარული ფოტორეზისტით. ამ მეთოდის მინუსი არის ფოტოლითოგრაფიის გამოყენების აუცილებლობა მაღალი გარჩევადობით ათეულობით და ასეულობით ნანომეტრის დონეზე. ასევე, ფოკუსირებული იონების სხივები, როგორიცაა Ga, გამოიყენება ფოტონიკური კრისტალების დასამზადებლად ოხრებით. ასეთი იონური სხივები შესაძლებელს ხდის მასალის ნაწილის ამოღებას ფოტოლითოგრაფიისა და დამატებითი გრავირების გარეშე. აკრავის სიჩქარის გასაზრდელად და მისი ხარისხის გასაუმჯობესებლად, ასევე, მასალების დალექვის ზონებში შესანახად, გამოიყენება დამატებითი დამუშავება საჭირო გაზებით.
3. ჰოლოგრაფიული მეთოდები. ასეთი მეთოდები ეფუძნება ჰოლოგრაფიის პრინციპების გამოყენებას. ჰოლოგრაფიის დახმარებით ყალიბდება რეფრაქციული ინდექსის პერიოდული ცვლილებები სივრცითი მიმართულებით. ამისათვის გამოიყენეთ ორი ან მეტი თანმიმდევრული ტალღის ჩარევა, რომელიც ქმნის ელექტრომაგნიტური გამოსხივების ინტენსივობის პერიოდულ განაწილებას. ერთგანზომილებიანი ფოტონიკური კრისტალები იქმნება ორი ტალღის ჩარევით. ორგანზომილებიანი და სამგანზომილებიანი ფოტონიკური კრისტალები იქმნება სამი ან მეტი ტალღის ჩარევით.
ფოტონური კრისტალების წარმოების კონკრეტული მეთოდის არჩევა დიდწილად განისაზღვრება იმ გარემოებით, თუ რა განზომილებაა საჭირო სტრუქტურის დასამზადებლად - ერთგანზომილებიანი, ორგანზომილებიანი თუ სამგანზომილებიანი.
ერთგანზომილებიანი პერიოდული სტრუქტურები.ერთგანზომილებიანი პერიოდული სტრუქტურების მოპოვების უმარტივესი და ყველაზე გავრცელებული გზაა დიელექტრიკული ან ნახევარგამტარული მასალებისგან პოლიკრისტალური ფილმების ვაკუუმური ფენა-ფენა დეპონირება. ეს მეთოდი ფართოდ გავრცელდა ლაზერული სარკეების და ინტერფერენციული ფილტრების წარმოებაში პერიოდული სტრუქტურების გამოყენებასთან დაკავშირებით. ასეთ სტრუქტურებში, რეფრაქციული მაჩვენებლების მქონე მასალების გამოყენებისას, რომლებიც განსხვავდება დაახლოებით 2-ჯერ (მაგალითად, ZnSe და Na 3 AlF 6), შესაძლებელია შეიქმნას სპექტრული ასახვის ზოლები (ფოტონური ზოლები) 300 ნმ სიგანემდე, რომელიც მოიცავს თითქმის სპექტრის მთელი ხილული რეგიონი.
ბოლო ათწლეულების განმავლობაში ნახევარგამტარული ჰეტეროსტრუქტურების სინთეზის მიღწევებმა შესაძლებელს გახდის შექმნას მთლიანად ერთკრისტალური სტრუქტურები რეფრაქციული ინდექსის პერიოდული ცვლილებით ზრდის მიმართულებით მოლეკულური სხივის ეპიტაქსიის ან ორთქლის დეპონირების გამოყენებით ორგანული მეტალის ნაერთების გამოყენებით. ამჟამად, ასეთი სტრუქტურები არის ნახევარგამტარული ლაზერების ნაწილი ვერტიკალური ღრუებით. მასალების გარდატეხის ინდექსების მაქსიმალური მიღწევადი თანაფარდობა, როგორც ჩანს, შეესაბამება GaAs/Al 2 O 3 წყვილს და არის დაახლოებით 2. უნდა აღინიშნოს ასეთი სარკეების კრისტალური სტრუქტურის მაღალი სრულყოფილება და ფორმირების სიზუსტე. ფენის სისქე ერთი გახეხვის პერიოდის დონეზე (დაახლოებით 0,5 ნმ).
ბოლო დროს გამოვლინდა ფოტოლითოგრაფიული ნიღბისა და შერჩევითი ოქროვის გამოყენებით პერიოდული ერთგანზომილებიანი ნახევარგამტარული სტრუქტურების შექმნის შესაძლებლობა. სილიკონის ამოღებისას შესაძლებელია სტრუქტურების შექმნა 1 μm ან მეტი პერიოდის პერიოდით, ხოლო სილიციუმის და ჰაერის რეფრაქციული მაჩვენებლების თანაფარდობა არის 3.4 ახლო ინფრაწითელ რეგიონში, უპრეცედენტო მაღალი მნიშვნელობა მიუწვდომელია სინთეზის სხვა მეთოდებით. . ფიზიკურ-ტექნიკურ ინსტიტუტში მიღებული მსგავსი სტრუქტურის მაგალითი. A. F. Ioffe RAS (სანქტ-პეტერბურგი), ნაჩვენებია ნახ. 3.96.
ბრინჯი. 3.96. სილიკონ-ჰაერი პერიოდული სტრუქტურა, მიღებული ანიზოტროპული ოქროვით ფოტოლითოგრაფიული ნიღბის გამოყენებით (სტრუქტურის პერიოდი 8 μm)
ორგანზომილებიანი პერიოდული სტრუქტურები.ორგანზომილებიანი პერიოდული სტრუქტურების დამზადება შესაძლებელია ნახევარგამტარების, ლითონებისა და დიელექტრიკების შერჩევითი გრავირებით. შერჩევითი გრავირების ტექნოლოგია შემუშავებულია სილიკონისა და ალუმინისთვის მიკროელექტრონიკაში ამ მასალების ფართო გამოყენების გამო. მაგალითად, ფოროვანი სილიციუმი განიხილება, როგორც პერსპექტიული ოპტიკური მასალა, რომელიც შესაძლებელს გახდის ინტეგრირებული ოპტოელექტრონული სისტემების შექმნას ინტეგრაციის მაღალი ხარისხით. მოწინავე სილიკონის ტექნოლოგიების ერთობლიობამ კვანტური ზომის ეფექტებით და ფოტონური ზოლების ფორმირების პრინციპებით განაპირობა ახალი მიმართულების - სილიკონის ფოტონიკის განვითარება.
ნიღბების ფორმირებისთვის სუბმიკრონული ლითოგრაფიის გამოყენება შესაძლებელს ხდის სილიკონის სტრუქტურების შექმნას 300 ნმ ან ნაკლები პერიოდის განმავლობაში. ხილული გამოსხივების ძლიერი შთანთქმის გამო, სილიციუმის ფოტონიკური კრისტალები შეიძლება გამოყენებულ იქნას მხოლოდ სპექტრის ახლო და შუა ინფრაწითელ რეგიონებში. გრავირებისა და დაჟანგვის კომბინაცია, პრინციპში, შესაძლებელს ხდის პერიოდული სილიციუმის ოქსიდი-ჰაერის სტრუქტურების გაგრძელებას, მაგრამ ამავე დროს, დაბალი რეფრაქციული ინდექსის თანაფარდობა (კომპონენტი 1.45) არ იძლევა სრულფასოვანი ზოლის ფორმირების საშუალებას. ორ განზომილებაში.
პერსპექტიული ჩანს A 3 B 5 ნახევარგამტარული ნაერთების ორგანზომილებიანი პერიოდული სტრუქტურები, რომლებიც ასევე მიიღება შერჩევითი გრავირებით ლითოგრაფიული ნიღბების ან შაბლონების გამოყენებით. A 3 B 5 ნაერთები თანამედროვე ოპტოელექტრონიის ძირითადი მასალებია. InP და GaAs ნაერთებს აქვთ უფრო დიდი ზოლის უფსკრული, ვიდრე სილიციუმი და იგივე მაღალი რეფრაქციული ინდექსის მნიშვნელობები, როგორც სილიკონი, უდრის 3,55 და 3,6, შესაბამისად.
ძალიან საინტერესოა ალუმინის ოქსიდზე დაფუძნებული პერიოდული სტრუქტურები (ნახ. 3.97a). ისინი მიიღება მეტალის ალუმინის ელექტროქიმიური გრავირებით, რომლის ზედაპირზე ყალიბდება ნიღაბი ლითოგრაფიის გამოყენებით. ელექტრონული ლითოგრაფიული შაბლონების გამოყენებით, მიიღეს სრულყოფილი ორგანზომილებიანი პერიოდული სტრუქტურები, რომლებიც წააგავს თაფლის ბუჩქებს, რომელთა ფორების დიამეტრი 100 ნმ-ზე ნაკლებია. უნდა აღინიშნოს, რომ ალუმინის სელექციური ოხრახუში აკრავის პირობების გარკვეული კომბინაციის პირობებში შესაძლებელს ხდის რეგულარული სტრუქტურების მიღებას ყოველგვარი ნიღბის ან შაბლონის გამოყენების გარეშეც (ნახ. 3.97ბ). ამ შემთხვევაში ფორების დიამეტრი შეიძლება იყოს მხოლოდ რამდენიმე ნანომეტრი, რაც მიუწვდომელია თანამედროვე ლითოგრაფიული მეთოდებისთვის. ფორების პერიოდულობა დაკავშირებულია ელექტროქიმიური რეაქციის დროს ალუმინის ჟანგვის პროცესის თვითრეგულაციასთან. საწყისი გამტარი მასალა (ალუმინი) რეაქციის დროს იჟანგება Al 2 O 3-მდე. ალუმინის ოქსიდის ფილმი, რომელიც არის დიელექტრიკი, ამცირებს დენს და ანელებს რეაქციას. ამ პროცესების ერთობლიობა შესაძლებელს ხდის მიაღწიოს თვითშენარჩუნების რეაქციის რეჟიმს, რომლის დროსაც უწყვეტი გრავირება შესაძლებელი ხდება ფორებში დენის გავლის შედეგად და რეაქციის პროდუქტი ქმნის რეგულარულ თაფლისებრ სტრუქტურას. ფორების გარკვეული არარეგულარულობა (ნახ. 3.97b) განპირობებულია ორიგინალური პოლიკრისტალური ალუმინის ფირის მარცვლოვანი სტრუქტურით.
ბრინჯი. 3.97. Al 2 O 3-ის ორგანზომილებიანი ფოტონიკური კრისტალი: ა) დამზადებულია ლითოგრაფიული ნიღბის გამოყენებით; ბ) დამზადებულია ჟანგვის პროცესის თვითრეგულირების დახმარებით
ნანოფოროვანი ალუმინის ოპტიკური თვისებების შესწავლამ აჩვენა ამ მასალის უჩვეულოდ მაღალი გამჭვირვალობა ფორების მიმართულებით. Fresnel ასახვის არარსებობა, რომელიც აუცილებლად არსებობს ორ უწყვეტ მედიას შორის ინტერფეისზე, იწვევს გადაცემის მნიშვნელობებს 98% -მდე. ფორების პერპენდიკულარულ მიმართულებებში შეინიშნება მაღალი ანარეკლი არეკვლის კოეფიციენტით, რომელიც დამოკიდებულია დაცემის კუთხიდან.
ალუმინის ოქსიდის გამტარიანობის შედარებით დაბალი მნიშვნელობები, სილიციუმის, გალიუმის დარიშხანისა და ინდიუმის ფოსფიდისგან განსხვავებით, არ იძლევა ორ განზომილებაში სრულფასოვანი ზოლის ფორმირების საშუალებას. თუმცა, ამის მიუხედავად, ფოროვანი ალუმინის ოპტიკური თვისებები საკმაოდ საინტერესოა. მაგალითად, მას აქვს გამოხატული ანიზოტროპული სინათლის გაფანტვა, ასევე ორმხრივი გაფანტვა, რაც საშუალებას აძლევს მას გამოიყენოს პოლარიზაციის სიბრტყის ბრუნვაში. სხვადასხვა ქიმიური მეთოდების გამოყენებით შესაძლებელია ფორების შევსება სხვადასხვა ოქსიდებით, ასევე ოპტიკურად აქტიური მასალებით, როგორიცაა არაწრფივი ოპტიკური საშუალებები, ორგანული და არაორგანული ლუმინოფორები და ელექტროლუმინესცენტური ნაერთები.
სამგანზომილებიანი პერიოდული სტრუქტურები.სამგანზომილებიანი პერიოდული სტრუქტურები არის ობიექტები, რომლებსაც აქვთ ყველაზე დიდი ტექნოლოგიური სირთულეები ექსპერიმენტული განხორციელებისთვის. ისტორიულად, სამგანზომილებიანი ფოტონიკური კრისტალის შექმნის პირველ გზად ითვლება ე. იაბლონოვიჩის მიერ შემოთავაზებული მასალის მოცულობის ცილინდრული ხვრელების მექანიკური ბურღვის მეთოდი. ასეთი სამგანზომილებიანი პერიოდული სტრუქტურის დამზადება საკმაოდ შრომატევადი ამოცანაა, ამიტომ ბევრი მკვლევარი ცდილობდა ფოტონის კრისტალის შექმნას სხვა მეთოდებით. ამრიგად, ლინ-ფლემინგის მეთოდით სილიციუმის დიოქსიდის ფენა გამოიყენება სილიციუმის სუბსტრატზე, რომელშიც შემდეგ წარმოიქმნება პარალელური ზოლები, რომლებიც ივსება პოლიკრისტალური სილიკონით. გარდა ამისა, სილიციუმის დიოქსიდის გამოყენების პროცესი მეორდება, მაგრამ ზოლები იქმნება პერპენდიკულარული მიმართულებით. საჭირო რაოდენობის ფენების შექმნის შემდეგ, სილიციუმის ოქსიდი ამოღებულია გრავირებით. შედეგად წარმოიქმნება პოლისილიკონის ღეროების „ხის გროვა“ (სურ. 3.98). უნდა აღინიშნოს, რომ სუბმიკრონული ელექტრონული ლითოგრაფიისა და ანიზოტროპული იონური გრავირების თანამედროვე მეთოდების გამოყენება შესაძლებელს ხდის 10-ზე ნაკლები სტრუქტურული უჯრედის სისქის ფოტონური კრისტალების მიღებას.
ბრინჯი. 3.98. 3D ფოტონიკური სტრუქტურა პოლისილიკონის ღეროებიდან
ფართოდ გავრცელდა ხილული დიაპაზონისთვის ფოტონიკური კრისტალების შექმნის მეთოდები, რომლებიც დაფუძნებულია თვითორგანიზებული სტრუქტურების გამოყენებაზე. გლობულებიდან (ბურთებიდან) ფოტონიკური კრისტალების "აწყობის" იდეა ბუნებიდან არის ნასესხები. ცნობილია, მაგალითად, რომ ბუნებრივ ოპალებს აქვთ ფოტონიკური კრისტალების თვისებები. მისი ქიმიური შემადგენლობის მიხედვით, ბუნებრივი მინერალური ოპალი არის სილიციუმის დიოქსიდის ჰიდროგელი SiO 2 × H 2 O ცვლადი წყლის შემცველობით: SiO 2 - 65 - 90 wt. %; H 2 O - 4,5–20%; Al 2 O 3 - 9% -მდე; Fe 2 O 3 - 3% -მდე; TiO 2 - 5%-მდე. ელექტრონული მიკროსკოპის გამოყენებით დადგინდა, რომ ბუნებრივი ოპალები წარმოიქმნება α-SiO 2-ის მჭიდროდ შეფუთული სფერული ნაწილაკებით, ერთიანი ზომით, 150-450 ნმ დიამეტრით. თითოეული ნაწილაკი შედგება 5-50 ნმ დიამეტრის მცირე ზომის გლობულური წარმონაქმნებისაგან. გლობულის შეფუთვის სიცარიელე ივსება ამორფული სილიციუმის ოქსიდით. დიფრაქციული სინათლის ინტენსივობაზე გავლენას ახდენს ორი ფაქტორი: პირველი არის გლობულების "იდეალური" მკვრივი შეფუთვა, მეორე არის განსხვავება ამორფული და კრისტალური ოქსიდის SiO 2-ის რეფრაქციულ მაჩვენებლებში. კეთილშობილ შავ ოპალებს აქვთ სინათლის საუკეთესო თამაში (მათთვის რეფრაქციული ინდექსის მნიშვნელობებში განსხვავებაა ~ 0,02).
კოლოიდური ნაწილაკებისგან გლობულური ფოტო კრისტალების შექმნა შესაძლებელია სხვადასხვა გზით: ბუნებრივი დანალექი (დისპერსიული ფაზის დალექვა სითხეში ან აირში გრავიტაციული ველის ან ცენტრიდანული ძალების გავლენის ქვეშ), ცენტრიფუგაცია, ფილტრაცია მემბრანების გამოყენებით, ელექტროფორეზი და ა.შ. სფერული ნაწილაკები მოქმედებენ როგორც კოლოიდური ნაწილაკები პოლისტირონი, პოლიმეთილ მეთაკრილატი, სილიციუმის დიოქსიდის α-SiO 2 ნაწილაკები.
ნალექის ბუნებრივი მეთოდი ძალიან ნელი პროცესია, რომელიც მოითხოვს რამდენიმე კვირას ან თვეებსაც კი. ცენტრიფუგაცია დიდწილად აჩქარებს კოლოიდური კრისტალების წარმოქმნის პროცესს, მაგრამ ამ გზით მიღებული მასალები ნაკლებად არის მოწესრიგებული, რადგან დეპონირების მაღალი სიჩქარით, ნაწილაკების ზომით განცალკევებას დრო არ აქვს. დალექვის პროცესის დასაჩქარებლად გამოიყენება ელექტროფორეზი: იქმნება ვერტიკალური ელექტრული ველი, რომელიც „ცვლის“ ნაწილაკების სიმძიმეს მათი ზომის მიხედვით. ასევე გამოიყენება კაპილარული ძალების გამოყენებაზე დაფუძნებული მეთოდები. მთავარი იდეა ისაა, რომ კაპილარული ძალების მოქმედებით, კრისტალიზაცია ხდება მენისკის საზღვარზე ვერტიკალურ სუბსტრატსა და სუსპენზიას შორის, და გამხსნელის აორთქლებისას, იქმნება წვრილად მოწესრიგებული სტრუქტურა. გარდა ამისა, გამოიყენება ვერტიკალური ტემპერატურული გრადიენტი, რაც შესაძლებელს ხდის პროცესის სიჩქარისა და შექმნილი ბროლის ხარისხის უკეთ ოპტიმიზაციას კონვექციური დენების გამო. ზოგადად, ტექნიკის არჩევანი განისაზღვრება მიღებული კრისტალების ხარისხისა და მათ წარმოებაზე დახარჯული დროის მოთხოვნებით.
ბუნებრივი დალექვით სინთეზური ოპალის ზრდის ტექნოლოგიური პროცესი შეიძლება დაიყოს რამდენიმე ეტაპად. თავდაპირველად მზადდება სფერული სილიციუმის ოქსიდის გლობულების მონოდისპერსული (დიამეტრის ~5% გადახრა) სუსპენზია. ნაწილაკების საშუალო დიამეტრი შეიძლება განსხვავდებოდეს ფართო დიაპაზონში: 200-დან 1000 ნმ-მდე. მონოდისპერსიული კოლოიდური სილიციუმის დიოქსიდის მიკრონაწილაკების მოპოვების ყველაზე ცნობილი მეთოდი ეფუძნება ტეტრაეტოქსიზილანის Si(C 2 H 4 OH) 4 ჰიდროლიზს წყალ-ალკოჰოლურ გარემოში ამონიუმის ჰიდროქსიდის, როგორც კატალიზატორის თანდასწრებით. ეს მეთოდი შეიძლება გამოყენებულ იქნას თითქმის იდეალური სფერული ფორმის გლუვი ზედაპირის მქონე ნაწილაკების მისაღებად მონოდისპერსიის მაღალი ხარისხით (დიამეტრის 3%-ზე ნაკლები გადახრით), ასევე 200 ნმ-ზე ნაკლები ზომის ნაწილაკების შესაქმნელად, ვიწრო ზომის განაწილებით. . ასეთი ნაწილაკების შიდა სტრუქტურა ფრაქტალურია: ნაწილაკები შედგება მჭიდროდ შეფუთული პატარა სფეროებისგან (დიამეტრის რამდენიმე ათეული ნანომეტრი) და თითოეული ასეთი სფერო იქმნება სილიციუმის პოლიჰიდროქსო კომპლექსებით, რომლებიც შედგება 10-100 ატომისგან.
შემდეგი ეტაპი არის ნაწილაკების დეპონირება (სურ. 3.99). შეიძლება რამდენიმე თვე გაგრძელდეს. დეპონირების საფეხურის დასრულების შემდეგ ყალიბდება მჭიდროდ შეფუთული პერიოდული სტრუქტურა. შემდეგ ნალექს აშრობენ და ადუღებენ დაახლოებით 600 ºС ტემპერატურაზე. დუღილის დროს სფეროები რბილდება და დეფორმირდება შეხების წერტილებში. შედეგად, სინთეზური ოპალის ფორიანობა ნაკლებია, ვიდრე იდეალური მკვრივი სფერული შეფუთვისთვის. ფოტონიკური კრისტალების ზრდის ღერძის მიმართულების პერპენდიკულურად, გლობულები ქმნიან მაღალ მოწესრიგებულ ექვსკუთხა მჭიდროდ შეფუთულ ფენებს.
ბრინჯი. 3.99. სინთეზური ოპალების ზრდის ეტაპები: ა) ნაწილაკების დეპონირება;
ბ) ნალექის გაშრობა; გ) ნიმუშის ანილირება
ნახ. 3.100a გვიჩვენებს სინთეზური ოპალის მიკროგრაფს, რომელიც მიღებულია ელექტრონული მიკროსკოპის სკანირებით. სფეროების ზომებია 855 ნმ. სინთეზურ ოპალებში ღია ფორიანობის არსებობა შესაძლებელს ხდის სიცარიელის შევსებას სხვადასხვა მასალებით. ოპალის მატრიცები არის ურთიერთდაკავშირებული ნანო ზომის ფორების სამგანზომილებიანი ქველატები. ფორების ზომები ასობით ნანომეტრამდეა, ხოლო ფორების დამაკავშირებელი არხების ზომები ათეულ ნანომეტრს აღწევს. ამ გზით მიიღება ნანოკომპოზიტები, რომლებიც დაფუძნებულია ფოტოურ კრისტალებზე. მთავარი მოთხოვნა მაღალი ხარისხის ნანოკომპოზიტების შექმნისას არის ნანოფოროვანი სივრცის შევსების სისრულე. შევსება ხორციელდება სხვადასხვა მეთოდით: ხსნარიდან შეყვანა დნობაში; გაჟღენთვა კონცენტრირებული ხსნარებით, რასაც მოჰყვება გამხსნელის აორთქლება; ელექტროქიმიური მეთოდები, ქიმიური ორთქლის დეპონირება და ა.შ.
ბრინჯი. 3.100. ფოტომიკროგრაფიები ფოტონი კრისტალები: ა) სინთეზური ოპალიდან;
ბ) პოლისტიროლის მიკროსფეროებიდან
სილიციუმის ოქსიდის შერჩევითი გრავირება ასეთი კომპოზიტებიდან იწვევს სივრცით მოწესრიგებული ნანოსტრუქტურების წარმოქმნას მაღალი ფორიანობით (მოცულობის 74%-ზე მეტი), რომელსაც ეწოდება შებრუნებული ან ინვერსიული ოპალები. ფოტონის კრისტალების მიღების ამ მეთოდს შაბლონის მეთოდს უწოდებენ. როგორც მოწესრიგებული მონოდისპერსიული კოლოიდური ნაწილაკები, რომლებიც ქმნიან ფოტოურ კრისტალს, შეუძლიათ იმოქმედონ არა მხოლოდ სილიციუმის ოქსიდის ნაწილაკებმა, არამედ, მაგალითად, პოლიმერულმა ნაწილაკებმაც. პოლისტიროლის მიკროსფეროებზე დაფუძნებული ფოტონიკური კრისტალის მაგალითი ნაჩვენებია ნახ. 3.100ბ
ნაჩვენებია, რომ რეზონატორში ფოტოდიოდების ჩართვის პოლარობიდან გამომდინარე, პასუხის სიხშირის ცვლა ხდება ზევით ან ქვევით სიხშირით, გაზრდილი განათებით. შემოთავაზებულია დაწყვილებული რგოლის რეზონატორების სისტემის გამოყენება, რათა გაზარდოს შესწავლილი რეზონატორების მგრძნობელობა განათების მნიშვნელობის მიმართ. ნაჩვენებია, რომ დაწყვილებულ რეზონატორებს შორის ფიქსირებული მანძილის შემთხვევაში, სისტემური პასუხის სიხშირის გაყოფა ლუწ (ნათელ) და კენტ (ბნელ) რეჟიმებზე ხდება სინათლის დახმარებით. ჩვენ დარწმუნებულები ვართ, რომ რეგულირებადი რგოლის რეზონატორების შექმნის შემოთავაზებული მეთოდი შესაძლებელს გახდის შექმნას სინათლის კონტროლირებადი მეტამასალების ახალი კლასი.
ამ სამუშაოს მხარი დაუჭირეს რუსეთის ფედერაციის განათლების სამინისტროს (შეთანხმებები No. 14.V37.21.1176 და No. 14.V37.21.1283), დინასტიის ფონდი, RFBR ფონდი (პროექტი No. 13-02-00411), და რუსეთის ფედერაციის პრეზიდენტის სტიპენდია ახალგაზრდა მეცნიერებისა და ასპირანტებისთვის 2012 წელს.
ლიტერატურა
1. Linden S., Enkrich C., Wegener M., Zhou J., Koschny T., Soukoulis C.M. მეტამასალების მაგნიტური პასუხი 100 ტერაჰერცზე // მეცნიერება. - 2004. - V. 306. - გვ 1351-1353.
2. შელბი რ., სმიტი დ.რ. და შულცი ს. რეფრაქციის უარყოფითი ინდექსის ექსპერიმენტული შემოწმება // მეცნიერება. - 2001. - V. 292. - გვ 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 როგორც Broadband Circular Polarizer // მეცნიერება. - 2009. - V. 325. - პ. 15131515.
4. Belov P.A., Hao Y. ქვეტალღური გამოსახულება ოპტიკურ სიხშირეებზე გადამცემი მოწყობილობის გამოყენებით, რომელიც ჩამოყალიბებულია პერიოდული ფენიანი მეტალო-დიელექტრული სტრუქტურით, რომელიც მოქმედებს არხების რეჟიმში // Physical Review B. - 2006. - V. 73. - P. 113110.
5. Leonhardti U. Optical conformal Mapping // მეცნიერება. - 2006. - V. 312. - P. 1777-1780 წწ.
6. კივშარ იუ.ს., ორლოვი ა.ა. რეგულირებადი და არაწრფივი მეტამატერიალები // საინფორმაციო ტექნოლოგიების, მექანიკისა და ოპტიკის სამეცნიერო და ტექნიკური ბიულეტენი. - 2012. - No3 (79). - C. 1-10.
7. შადრივოვი ი.ვ., მორისონი ს.კ. და ყივშარი იუ.ს. რეგულირებადი გაყოფილი რგოლის რეზონატორები არაწრფივი უარყოფითი ინდექსის მეტამატერიალებისთვის // Opt. გამოხატოს. - 2006. - V. 14. - P. 9344-9349.
8. კაპიტანოვა პ.ვ., მასლოვსკი ს.ი., შადრივოვი ი.ვ., ვოროშილოვი პ.მ., ფილონოვი დ.ს., ბელოვი პ.ა. და ყივშარი ი.ს. გაყოფილი რგოლის რეზონატორების კონტროლი შუქით // გამოყენებითი ფიზიკის ასოები. - V. 99. - P. 251914 (1-3).
9. Marques R., Martin F. და Sorolla M. მეტამატერიები უარყოფითი პარამეტრებით: თეორია, დიზაინი და მიკროტალღური აპლიკაციები. - NJ: Wiley & Sons, Inc., Hoboken, 2008. - 315 გვ.
კაპიტონოვა პოლინა ვიაჩესლავოვნა - სანკტ-პეტერბურგის ეროვნული კვლევითი უნივერსიტეტი
საინფორმაციო ტექნოლოგიები, მექანიკა და ოპტიკა, ტექნიკურ მეცნიერებათა კანდიდატი, მკვლევარი, [ელფოსტა დაცულია], [ელფოსტა დაცულია]
ბელოვი პაველ ალექსანდროვიჩი - სანკტ-პეტერბურგის ეროვნული კვლევითი უნივერსიტეტი
საინფორმაციო ტექნოლოგიები, მექანიკა და ოპტიკა, ფიზი.-მათემატიკის მეცნიერებათა დოქტორი. მეცნიერებები, მთავარი მკვლევარი, [ელფოსტა დაცულია]
ფოტონური კრისტალის ზოლის სტრუქტურის ანალიზი ფენების მრავალჯერადი ოპტიკური სიგრძით ტერაჰერცის დიაპაზონისთვის
ოჰ. დენისულთანოვი, მ.კ. ხოძიცკი
უსასრულო ფოტონიკის კრისტალის დისპერსიული განტოლებიდან მიღებულია ფორმულები ზოლის უფსკრულის საზღვრების, ზოლის უფსკრულის სიგანისა და ოპტიკური ფენის მრავალშრიანი სიგრძის მქონე ფოტონური კრისტალების ზოლის ცენტრების ზუსტი პოზიციის ზუსტი პოზიციისთვის. უჯრედი ტერაჰერცის სიხშირის დიაპაზონისთვის 0.1-დან 1 THz-მდე. ფორმულები დამოწმებულია ფოტონური კრისტალების რიცხვითი სიმულაციისას გადაცემის მატრიცის მეთოდით და დროის დომენის სასრული სხვაობის მეთოდით პირველი, მეორე და მესამე ოპტიკური სიგრძის სიმრავლისთვის ფოტონის კრისტალის ორ ფენის უჯრედში. მეორე სიმრავლის ფორმულები დადასტურებულია ექსპერიმენტულად. საკვანძო სიტყვები: ფოტონიკური კრისტალი, ზოლის უფსკრული, ათვლის სიხშირეები, მრავალჯერადი ოპტიკური სიგრძე, გადაცემის მატრიცა, მეტამატერიალი.
შესავალი
ბოლო წლებში უჩვეულო თვისებების მქონე ხელოვნური მედიის („მეტამასალის“) შესწავლამ მიიპყრო მეცნიერთა და ინჟინრების საკმაოდ დიდი წრის ინტერესი, რაც განპირობებულია ამ მედიის პერსპექტიული გამოყენებით ინდუსტრიულ და სამხედრო მრეწველობაში განვითარებაში. ახალი ტიპის ფილტრები, ფაზის გადამრთველები, სუპერლინზები, ნიღბიანი საფარები და ა.შ. დ. . მეტამასალის ერთ-ერთი სახეობაა ფოტონიკური კრისტალი, რომელიც წარმოადგენს პერიოდულ ფენოვან სტრუქტურას.
თხილამურების შეცვლის რეფრაქციული ინდექსი. ფოტონური კრისტალები (PC) აქტიურად გამოიყენება ლაზერულ ტექნოლოგიებში, საკომუნიკაციო საშუალებებში, ფილტრაციაში, ისეთი უნიკალური თვისებების გამო, როგორიცაა სპექტრში ზოლის სტრუქტურის არსებობა, სუპერრეზოლუცია, სუპერპრიზმის ეფექტი და ა.შ. . განსაკუთრებით საინტერესოა ტერაჰერცის (THz) დიაპაზონში ფოტონიკის კრისტალების შესწავლა ახალი ტიპის მასალებისა და ბიოლოგიური ობიექტების სპექტროსკოპიული, ტომოგრაფიული კვლევებისთვის. მკვლევარებმა უკვე შეიმუშავეს ორგანზომილებიანი და სამგანზომილებიანი კომპიუტერები THz სიხშირის დიაპაზონისთვის და შეისწავლეს მათი მახასიათებლები, მაგრამ, სამწუხაროდ, ამ დროისთვის არ არსებობს ზუსტი ფორმულები ფოტონის კრისტალის ზოლის სტრუქტურის მახასიათებლების გამოსათვლელად, როგორიცაა ზოლის უფსკრული, ზოლის უფსკრული ცენტრი, ზოლის უფსკრული საზღვრები. ამ სამუშაოს მიზანია მოიპოვოს ფორმულები ერთგანზომილებიანი ფოტონიკური კრისტალის მახასიათებლების გამოსათვლელად პირველი, მეორე და მესამე ოპტიკური სიგრძის სიმრავლისთვის ორ ფენიან PC უჯრედში და ამ ფორმულების გადამოწმება რიცხვითი სიმულაციის გამოყენებით გადაცემის მატრიცის გამოყენებით. მეთოდი და სასრული სხვაობის მეთოდი დროის დომენში, ასევე ექსპერიმენტი THz დიაპაზონის სიხშირეებზე.
ანალიტიკური და რიცხვითი მოდელირება
განვიხილოთ უსასრულო ფოტონიკური კრისტალი ფენების გარდატეხის მაჩვენებლებით ორშრიანი უჯრედის n1 და n2 და ფენის სისქის d1 და d2, შესაბამისად. ეს სტრუქტურა აღგზნებულია წრფივი პოლარიზებული განივი ელექტრული ტალღით (TE ტალღა). ტალღის ვექტორი k მიმართულია PC ფენების პერპენდიკულარულად (ნახ. 1). ასეთი კომპიუტერის დისპერსიულ განტოლებას, რომელიც მიღებულია Floquet-ის თეორემის და უწყვეტობის პირობის გამოყენებით ტანგენციალური ველის კომპონენტებისთვის ფენის საზღვარზე, აქვს შემდეგი ფორმა:
C08 [კვ (dx + d2)] = co8 [კგ d ^] x co $ [k2 d2] -0,5)
s bt [კგ e1] x bt [კგ e2
სადაც q არის ბლოხის ტალღის რიცხვი; k^ =
თუ არა რეფრაქცია; d1, d2 - ფენის სისქეები.
2 ლ x / x p1
; / - სიხშირე; pg, p2 - მაჩვენებელი
ბრინჯი. 1. განხილული ფენოვან-პერიოდული სტრუქტურა
L. და L 1! მე x. ] ლ! / ლ კანი! მე"
და "და | Г ¡4 1! 1) 1 1 N V და | 1 У " 11
0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6
სიხშირე / THz
ბრინჯი. 2. რთული ბლოხის ტალღური რიცხვის სიხშირის დისპერსია
(1) განტოლების გამოყენებით მიღებული რთული ბლოხის ტალღის რიცხვის დისპერსია ნაჩვენებია ნახ. 2. როგორც ჩანს ნახ. 2, ზოლის უფსკრულის საზღვრებზე, კოსინუსის არგუმენტი q(d1 + d2) მიიღებს მნიშვნელობებს ან 0 ან n. ამიტომ, ამ პირობის საფუძველზე შეგვიძლია გამოვთვალოთ
ფოტონიკური კრისტალის ათვლის სიხშირეების, ზოლის უფსკრულისა და ზოლის ცენტრების მნიშვნელობების დასადგენად. თუმცა, ორი შრის უჯრედის შიგნით ფენების არამრავალჯერადი ოპტიკური სიგრძის მქონე ფოტონიკური კრისტალისთვის, ამ ფორმულების მიღება შესაძლებელია მხოლოდ იმპლიციტური ფორმით. მკაფიო ფორმულების მისაღებად გამოყენებული უნდა იყოს მრავალი ოპტიკური სიგრძე: nxx = n2e2; pyoh = 2хп2ё2; pyoh = 3xn2ё2... . ნაშრომში განიხილებოდა ფორმულები 1-ლი, მე-2 და მე-3 სიმრავლისთვის.
პირველი სიმრავლის ფოტონიკური კრისტალისთვის (nxx = n2d2), სასაზღვრო სიხშირეების, სიგანეების ფორმულები
bandgap-ს და bandgap-ის ცენტრს აქვს შემდეგი ფორმა:
(/n 1 ლ (/n" და 1 ლ
0,256-1,5. „arcso81---I + 2ლ
a/ = /1 -/2; /33 = /+/2-; /pz =
/ 2a; /2 = i(t +1)
0,256-1,5. „, 1H -arsco81 ----- | + 2n(t +1)
სადაც /1 და /2 - აკრძალული ზონის დაბალი სიხშირის და მაღალი სიხშირის საზღვრები, შესაბამისად; ა/ - ზოლის უფსკრული; /33 არის აკრძალული ზონის ცენტრი; c არის სინათლის სიჩქარე; / - ნებადართულის ცენტრი
o n n2 ზონა 6 = - + -;
კომპიუტერისთვის ფენის პარამეტრებით nx = 2.9; n2 = 1.445; ex = 540 მკმ; e2 = 1084 μm მეორე ზოლის უფსკრულისთვის 0,1-1 THz დიაპაზონში, ადგილი აქვს ზოლის სტრუქტურის შემდეგი პარამეტრები: /1 = 0,1332 THz; /2 = 0,1541 THz; A/ = 0,0209 THz; /zz = 0.1437 THz.
კომპიუტერისთვის, რომლის ფენების ოპტიკური სიგრძე დაკავშირებულია nxx = 2n2d2 ტოლობით, მიღებულია ზოლის სტრუქტურის პარამეტრების შემდეგი ფორმულები:
4 + v + U v2-4 6 + 3v-4v2 -4
4 + v-V v2 - 4 6 + 3v + ^v2 - 4
2 + in -V in2 - 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
სადაც (/1 და /11), (/2 და /21), (/3 და /31), (/4 და /41) - დაბალი სიხშირის და მაღალი სიხშირის საზღვრები აკრძალულია
ny ზონები რიცხვებით (4t + 1), (4t + 2), (4t + 3), (4t + 4), შესაბამისად; c არის სინათლის სიჩქარე; P= - + -;
m = 0.1.2,.... ზოლის უფსკრული გამოითვლება როგორც A/ = /-/x; bandgap ცენტრი
, / + /x. d /sz = ^ ; /pz - ნებადართული ზონის ცენტრი.
FC-სთვის nx = 2.9 პარამეტრებით; n2 = 1.445; ex = 540 მკმ; e2 = 541,87 μm მეორე ზოლის უფსკრულისთვის 0,1-1 THz დიაპაზონში, გვაქვს
/2 = 0,116 THz; /2x = 0,14 THz; A/ = 0,024 THz; /zz = 0.128 THz.
ფოტონიკური კრისტალისთვის, რომლის ოპტიკური სიგრძე დაკავშირებულია nxx = 3n2d2 ტოლობით, მიღებულია ზოლის სტრუქტურის პარამეტრების შემდეგი ფორმულები:
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
სადაც (/1 და /11), (/2 და /2), (/3 და /) არის დაბალი სიხშირის და მაღალი სიხშირის დიაპაზონის ხარვეზები
რიცხვები (3მ+1), (3მ+2), (3მ+3), შესაბამისად; c არის სინათლის სიჩქარე; p = - + -; t = 0,1,2,....სიგანე
დიაპაზონის უფსკრული გამოითვლება როგორც D/ = / - /1; bandgap ცენტრი /zz =
ნებადართული ზონა.
კომპიუტერისთვის n1 = 2.9 პარამეტრებით; n2 = 1.445; = 540 მკმ; d2 = 361,24 μm მეორე ზოლის უფსკრულისთვის 0,1-1 THz დიაპაზონში, გვაქვს
/2 = 0,1283 THz; = 0.1591 THz; D/ = 0,0308 THz; /zz = 0.1437 THz.
სასრული სიგრძის კომპიუტერის სიმულაციისთვის აუცილებელია გადაცემის მატრიცების მეთოდის გამოყენება, რომელიც საშუალებას გაძლევთ გამოთვალოთ ტალღის ელექტრომაგნიტური ველის მნიშვნელობა, რომელიც გადის ფოტოურ კრისტალზე მე-2 ფენის თვითნებურ წერტილში. ერთი ფენისთვის გადაცემის მატრიცა ასეთია:
cos(k0 x n x p x sin(k0
: z x cos 0) x n x z x cos 0)
(-i / p) x sin(k0 x n x z x cos 0)
სადაც k0 = -; p = - cos 0; n = ; z - კოორდინატი Oz ღერძზე; 0 - ტალღის დაცემის კუთხე პირველ ფენაზე.
გადაცემის მატრიცების მეთოდის გამოყენებით, მათემატიკურ პაკეტში MATLAB, აშენდა ფოტონიკური კრისტალის ზოლის სტრუქტურა პირველი, მე-2 და მე-3 სიმრავლის ორშრიან უჯრედში ფენების ოპტიკური სიგრძეებისთვის), THz სიხშირის დიაპაზონში. (0=0-ისთვის) 10 ერთეული უჯრედით ზემოთ მითითებული ფენის პარამეტრებით (ნახ. 3).
როგორც ჩანს ნახ. 3, 1-ლი, მე-2 და მე-3 სიმრავლის კომპიუტერების გადაცემის სპექტრში, არის ზოლიანი ხარვეზები, რომლებიც მრავლდება, შესაბამისად, ორი, სამი და ოთხი, შედარებით არამრავალჯერადი ოპტიკური სიგრძის მქონე კომპიუტერების ზოლის სტრუქტურასთან. ფენები ერთეული უჯრედის შიგნით. სიმრავლის სამივე შემთხვევისთვის, ფარდობითი შეცდომა საბოლოო კომპიუტერის ზოლის სტრუქტურის პარამეტრების გამოთვლაში არ აღემატება 1%-ს უსასრულო კომპიუტერის ფორმულებთან შედარებით (ზოლის უფსკრული გამოითვლება გადაცემის 0,5 დონეზე. საბოლოო კომპიუტერი).
ასევე, ერთგანზომილებიანი კომპიუტერის სტრუქტურა გამოითვალა სასრული სხვაობის მეთოდით დროის დომენში CST Microwave Studio სამგანზომილებიანი მოდელირების პროგრამული პაკეტის გამოყენებით (ნახ. 4). შეიძლება დაინახოს საბოლოო კომპიუტერის ზოლის სტრუქტურის იგივე ქცევა, როგორც გადაცემის სპექტრისთვის, რომელიც მიღებულია გადაცემის მატრიცის მეთოდით. ფარდობითი შეცდომა სასრული კომპიუტერის ზოლის სტრუქტურის პარამეტრების გამოთვლაში ამ სიმულაციური პაკეტში არ აღემატება 3%-ს უსასრულო კომპიუტერის ფორმულებთან შედარებით.
ცჟ.მ.
პშშშშ) სშმ
pxx=3n2ё2 სიხშირე / THz
ბრინჯი. ნახ. 3. ფოტონიკური კრისტალის ზოლის სტრუქტურა სამი სიმრავლისთვის, ფენების ოპტიკური სიგრძე ორშრიან უჯრედში THz სიხშირის დიაპაზონში (ნომრები მიუთითებს დიაპაზონის უფსკრულის რიცხვს, ისრები მიუთითებს ჩამოსაშლელ
აკრძალული ადგილები)
ი-ე-ე თ ო
pyoh \u003d 2p2ё2 -YES / ut1
pxx=3n2ё2 სიხშირე, THz
ბრინჯი. სურ. 4. კომპიუტერის სამგანზომილებიანი მოდელი MA-ში (a) და კომპიუტერის გადაცემა სამი სიმრავლისთვის (b)
ექსპერიმენტული ნაწილი
მე-2 სიმრავლის შემთხვევა დამოწმებული იქნა ექსპერიმენტულად უწყვეტი THz სპექტროსკოპიის მეთოდით 0,1-1 THz დიაპაზონში. ფოტოგამტარ (FC) ანტენაზე ინფრაწითელი გამოსხივების სიხშირეების შერევის მეთოდი გამოყენებული იყო THz გამოსხივების წარმოქმნისთვის. მეორე FP ანტენა გამოიყენებოდა მიმღებად. კომპიუტერის გადამცემ და მიმღებ ანტენებს შორის დამონტაჟდა აწყობილი კომპიუტერი (ნახ. 5).
გამოკვლეულ ფოტოურ კრისტალს აქვს შემდეგი პარამეტრები: ორშრიანი უჯრედების რაოდენობა -3; ფენების რეფრაქციული მაჩვენებლები - nx = 2.9 და n2 = 1.445; ფენის სისქეები - ех = 540 μm და е2 = 520 μm (е2 21 მკმ ნაკლებია, ვიდრე იდეალური მე-2 სიმრავლის შემთხვევაში). ნახ. 5 გვიჩვენებს ექსპერიმენტული და თეორიული სპექტრების შედარებას 4 და 5 ზოლიანი უფსკრულისთვის. როგორც ექსპერიმენტული გრაფიკიდან ჩანს, ისევე როგორც სიმულაციისთვის, შეიმჩნევა ზოლის უფსკრული, რომელიც არის სამის ჯერადი, კომპიუტერის ზოლის სტრუქტურასთან შედარებით, ერთეული უჯრედის შიგნით ფენების არამრავალჯერადი ოპტიკური სიგრძით. მცირე შეუსაბამობა აკრძალული ზონების ცენტრების პოზიციებს შორის ექსპერიმენტულ და თეორიულში.
tic სპექტრი განპირობებულია ექსპერიმენტში ტეფლონის ფენების სისქის სხვაობით იდეალური მე-2 სიმრავლისგან.
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 სიხშირე, THz
Ექსპერიმენტი
მოდელირება
ბრინჯი. სურ. 5. დაყენების ფოტოსურათი, ფოტონიკური კრისტალის მოდელის ფოტოსურათი (a) და ფოტონიკის კრისტალის ექსპერიმენტული და თეორიული გამტარობის შედარებითი გრაფიკა სამი ელემენტით
უჯრედები (ბ)
დასკვნა
ამგვარად, მიღებული იქნა ზუსტი ფორმულები TE ტალღის შემთხვევისთვის ორშრიანი ერთეული უჯრედის შიგნით რამდენიმე ოპტიკური ფენის მქონე ერთგანზომილებიანი ფოტონიკის კრისტალების ზოლის სტრუქტურის პარამეტრების (ზოლის უფსკრული, დიაპაზონის საზღვრები და ზოლის უფსკრულის ცენტრი) გამოსათვლელად. ტალღის ვექტორით პერპენდიკულარული ფოტონური შრეების სიბრტყეებზე.კრისტალი. 1-ლი, მე-2 და მე-3 სიმრავლის ფოტონიკურ კრისტალზე ნაჩვენები იყო ზოლების უფსკრულის გაუჩინარება, მრავლობითი ორი, სამი, ოთხი, შესაბამისად, ფენების არამრავალჯერადი ოპტიკური სიგრძის მქონე ფოტონური კრისტალების ზოლის სტრუქტურასთან შედარებით. ერთეული უჯრედის შიგნით. 1-ლი, მე-2 და მე-3 სიმრავლის ფორმულები შემოწმდა გადაცემის მატრიცის მეთოდის და 3D სასრული სხვაობის რიცხვითი სიმულაციების გამოყენებით დროის დომენში. მე-2 სიმრავლის შემთხვევა დამოწმებული იქნა ექსპერიმენტულად THz სიხშირის დიაპაზონში 0.1-დან 1 THz-მდე. მიღებული ფორმულები შეიძლება გამოყენებულ იქნას ფართოზოლოვანი ფილტრების შესაქმნელად, რომელიც დაფუძნებულია ფოტონულ კრისტალებზე სამრეწველო, სამხედრო და სამედიცინო აპლიკაციებისთვის, სხვადასხვა მათემატიკურ პაკეტებში ფოტონის ზოლის სტრუქტურის მოდელირების საჭიროების გარეშე.
მუშაობა ნაწილობრივ მხარდაჭერილი იყო გრანტი No14.132.21.1421 ფედერალური სამიზნე პროგრამის „ინოვაციური რუსეთის სამეცნიერო და სამეცნიერო-პედაგოგიური პერსონალი“ 2009-2013 წლებში.
ლიტერატურა
1. Vendik I.B., Vendik O.G. მეტამატერიალები და მათი გამოყენება მიკროტალღურ ტექნოლოგიაში (მიმოხილვა) // ტექნიკური ფიზიკის ჟურნალი. – პეტერბურგის ელექტროტექნიკური უნივერსიტეტი „LETI“. - 2013. - T. 83. - გამოცემა. 1. - S. 3-26.
2. ვოზიანოვა A.V., Khodzitsky M.K. სპირალურ რეზონატორებზე დაფუძნებული დამღები საფარი // საინფორმაციო ტექნოლოგიების, მექანიკისა და ოპტიკის სამეცნიერო და ტექნიკური ბიულეტენი. - 2012. - No4 (80). - დან. 28-34.
3. ტერეხოვი იუ.ე., ხოძიცკი მ.კ., ბელოკოპიტოვი გ.ვ. მეტაფილმების მახასიათებლები ტერაჰერცის სიხშირის დიაპაზონისთვის გეომეტრიული პარამეტრების სკალირებით // საინფორმაციო ტექნოლოგიების, მექანიკისა და ოპტიკის სამეცნიერო და ტექნიკური ბიულეტენი. - 2013. - No1 (83). - S. 55-60.
4. Yablonovitch E. დათრგუნული სპონტანური ემისია მყარი მდგომარეობის ფიზიკაში და ელექტრონიკაში // ფიზიკური მიმოხილვის წერილები. - 1987. - V. 58. - No 20. - გვ 2059-2062 წწ.
5. ფიგოტინ ა., კუჩმენტ პ. პერიოდული დიელექტრიკული და აკუსტიკური მედიის სპექტრის სპექტრის ზოლის სტრუქტურა. II. ორგანზომილებიანი ფოტონიკური კრისტალები // SIAM Journal on Applied Mathematics. - 1996. - V. 56. - No 6. - გვ 1561-1620 წ.
6. Smolyaninov Igor I., Davis Christopher C. სუპერ გარჩევადობის ოპტიკური მიკროსკოპია, რომელიც დაფუძნებულია ფოტონოკრისტალურ მასალებზე // ფიზიკური მიმოხილვა B. - 2005. - V. 72. - P. 085442.
7. კოსაკა ჰიდეო, კავაშიმა ტაკაიუკი, ტომიტა აკიჰისა. სუპერპრიზმის ფენომენები ფოტონის კრისტალებში // ფიზიკური მიმოხილვა B. - 1998. - V. 58. - No 16. - P. 10096-10099.
8. კურტ ჰამზა, ერიმ მუჰამედ ნეციპი, ერიმ ნური. სხვადასხვა ფოტონიკური კრისტალური ბიო-სენსორის კონფიგურაციები დაფუძნებული ოპტიკური ზედაპირის რეჟიმებზე // ელექტრო და ელექტრონიკის ინჟინერიის დეპარტამენტი. - 2012. - V. 165. - No 1. - გვ 68-75.
9. Ozbay E., Michel E., Tuttle G., Biswas R., Sigalas M. და Ho K.M. მიკროდამუშავებული მილიმეტრიანი ტალღის ფოტონიკური ზოლიანი კრისტალები // აპლ. ფიზ. ლეტ. - 1994. - V. 64. - No 16. - გვ 2059-2061 წწ.
10. Jin C., Cheng B., Li Z., Zhang D., Li L.M., Zhang Z.Q. ორგანზომილებიანი მეტალის ფოტონიკური კრისტალი THz დიაპაზონში // Opt. კომუნი. - 1999. - V. 166. - No 9. - გვ. 9-13.
11. ნუსინსკი ინნა და ჰარდი ამოსი ა. ერთგანზომილებიანი ფოტონიკური კრისტალების ზოლიანი ანალიზი და უფსკრული დახურვის პირობები // ფიზიკური მიმოხილვა B. - 2006. - V. 73. - P. 125104.
12. ბასი F.G., Bulgakov A.A., Tetervov A.P. ნახევარგამტარების მაღალი სიხშირის თვისებები სუპერქსელებით. - მ.: მეცნიერება. ჩ. რედ. ფიზ.-მათ. ლიტ., 1989. - 288გვ.
13. დაბადებული მ., ვოლფ ე. ოპტიკის საფუძვლები. - მ.: მეცნიერება. ჩ. რედ. ფიზ.-მათ. ლიტ., 1973. - 733გვ.
14. Gregory I.S., Tribe W.R., Baker C. უწყვეტი ტალღის ტერაჰერცის სისტემა 60 dB დინამიური დიაპაზონით // Applied Physics Letters. - 2005. - V. 86. - გვ. 204104.
დენისულთანოვი ალაუდი ხოჟბაუდიევიჩი
ხოძიცკი მიხაილ კონსტანტინოვიჩი
სანქტ-პეტერბურგის ინფორმაციული ტექნოლოგიების, მექანიკისა და ოპტიკის ეროვნული კვლევითი უნივერსიტეტი, სტუდენტი, [ელფოსტა დაცულია]
სანქტ-პეტერბურგის ინფორმაციული ტექნოლოგიების, მექანიკისა და ოპტიკის ეროვნული კვლევითი უნივერსიტეტი, ფიზ.-მათემატიკის მეცნიერებათა კანდიდატი. მეცნიერებათა ასისტენტი, [ელფოსტა დაცულია]
) — მასალა, რომლის სტრუქტურა ხასიათდება რეფრაქციული ინდექსის პერიოდული ცვლილებით 1, 2 ან 3 სივრცითი მიმართულებით.
აღწერა
ფოტონური კრისტალების (PC) გამორჩეული თვისებაა რეფრაქციული ინდექსის სივრცითი პერიოდული ცვლილების არსებობა. სივრცითი მიმართულებების რაოდენობის მიხედვით, რომლებზეც რეფრაქციული ინდექსი პერიოდულად იცვლება, ფოტონიკურ კრისტალებს უწოდებენ ერთგანზომილებიან, ორგანზომილებიან და სამგანზომილებიანს, ან შემოკლებით 1D PC, 2D PC და 3D PC (D - ინგლისური განზომილებიდან) , შესაბამისად. პირობითად, 2D PC და 3D PC-ის სტრუქტურა ნაჩვენებია ნახ.
ფოტონური კრისტალების ყველაზე თვალსაჩინო მახასიათებელია 3D კომპიუტერში არსებობა გარკვეული სპექტრული რეგიონების კომპონენტების რეფრაქციულ ინდექსებში საკმარისად დიდი კონტრასტით, რომელსაც ეწოდება მთლიანი ფოტონის დიაპაზონი (PBG): გამოსხივების არსებობა ფოტონის ენერგიით, რომელიც ეკუთვნის PBG ასეთ კრისტალებში შეუძლებელია. კერძოდ, რადიაცია, რომლის სპექტრი ეკუთვნის PBG-ს, არ აღწევს კომპიუტერში გარედან, ვერ იარსებებს მასში და მთლიანად აისახება საზღვრიდან. აკრძალვა ირღვევა მხოლოდ იმ შემთხვევაში, თუ არსებობს სტრუქტურული დეფექტები ან თუ PC ზომა შეზღუდულია. ამ შემთხვევაში, მიზანმიმართულად შექმნილი ხაზოვანი დეფექტები არის მცირე მოხრის დანაკარგებით (მრუდის მიკრონი რადიუსამდე), წერტილოვანი დეფექტები არის მინიატურული რეზონატორები. 3D კომპიუტერის პოტენციური შესაძლებლობების პრაქტიკული განხორციელება, რომელიც დაფუძნებულია სინათლის (ფოტონური) სხივების მახასიათებლების კონტროლის ფართო შესაძლებლობებზე, ახლა იწყება. მას ხელს უშლის მაღალი ხარისხის 3D კომპიუტერების შექმნის ეფექტური მეთოდების არარსებობა, ადგილობრივი არაჰომოგენურობის მიზანმიმართული ფორმირების მეთოდები, მათში ხაზოვანი და წერტილოვანი დეფექტები, აგრეთვე სხვა ფოტონიკურ და ელექტრონულ მოწყობილობებთან ურთიერთობის მეთოდები.
მნიშვნელოვნად უფრო დიდი პროგრესია მიღწეული 2D კომპიუტერების პრაქტიკული გამოყენების მიმართულებით, რომლებიც, როგორც წესი, გამოიყენება პლანური (ფილმის) ფოტონიკური კრისტალების ან (PCF) სახით (დაწვრილებით იხილეთ შესაბამის სტატიებში).
PCFs არის ორგანზომილებიანი სტრუქტურა ცენტრალურ ნაწილში დეფექტით, წაგრძელებული პერპენდიკულარული მიმართულებით. როგორც ფუნდამენტურად ახალი ტიპის ოპტიკური ბოჭკოები, PCF-ები იძლევა შესაძლებლობას სინათლის ტალღების ტრანსპორტირებისთვის და სინათლის სიგნალების კონტროლისთვის, რომლებიც მიუწვდომელია სხვა ტიპებისთვის.
ერთგანზომილებიანი კომპიუტერები (1D კომპიუტერები) არის მონაცვლეობითი ფენების მრავალშრიანი სტრუქტურა სხვადასხვა რეფრაქციული ინდექსებით. კლასიკურ ოპტიკაში, ტერმინის "ფოტონური კრისტალის" გამოჩენამდე დიდი ხნით ადრე, კარგად იყო ცნობილი, რომ ასეთ პერიოდულ სტრუქტურებში სინათლის ტალღების გავრცელების ბუნება მნიშვნელოვნად იცვლება ჩარევისა და დიფრაქციის ფენომენების გამო. მაგალითად, მრავალშრიანი ამრეკლავი საფარები დიდი ხანია ფართოდ გამოიყენება სარკეების და ფირის ჩარევის ფილტრების და ბრაგგის მოცულობითი ბადეების, როგორც სპექტრული სელექტორებისა და ფილტრების დასამზადებლად. მას შემდეგ, რაც ტერმინი PC ფართოდ გამოიყენებოდა, ასეთი ფენიანი მედია, რომლებშიც რეფრაქციული ინდექსი პერიოდულად იცვლება ერთი მიმართულებით, დაიწყო მიკუთვნება ერთგანზომილებიანი ფოტონიკის კრისტალების კლასს. პერპენდიკულარული სინათლის სიხშირით, მრავალშრიანი საფარისგან ასახვის კოეფიციენტის სპექტრული დამოკიდებულება არის ეგრეთ წოდებული "ბრეგის ცხრილი" - გარკვეულ ტალღის სიგრძეზე, არეკვლის კოეფიციენტი სწრაფად უახლოვდება ერთიანობას ფენების რაოდენობის ზრდით. სინათლის ტალღები, რომლებიც ეცემა ნახ. b ისარი, თითქმის მთლიანად აისახება პერიოდული სტრუქტურიდან. FK-ის ტერმინოლოგიის მიხედვით, ტალღის სიგრძის ეს დიაპაზონი და ფოტონების ენერგიების შესაბამისი დიაპაზონი (ან ენერგიის ზოლი) აკრძალულია ფენების პერპენდიკულარულად გავრცელების სინათლის ტალღებისთვის.
კომპიუტერების პრაქტიკული გამოყენების პოტენციალი უზარმაზარია ფოტონების კონტროლის უნიკალური შესაძლებლობების გამო და ჯერ კიდევ არ არის ბოლომდე შესწავლილი. ეჭვგარეშეა, რომ უახლოეს წლებში იქნება შემოთავაზებული ახალი მოწყობილობები და სტრუქტურული ელემენტები, რომლებიც შესაძლოა ფუნდამენტურად განსხვავდებოდეს დღევანდელებისგან.
ფოტონიკაში კომპიუტერების გამოყენების უზარმაზარი პერსპექტივები გაჩნდა ე. იაბლონოვიჩის სტატიის გამოქვეყნების შემდეგ, რომელშიც შემოთავაზებული იყო კომპიუტერების გამოყენება სრული PBG-ებით სპონტანური ემისიის სპექტრის გასაკონტროლებლად.
ფოტონიკურ მოწყობილობებს შორის, რომლებიც შეიძლება მოსალოდნელია უახლოეს მომავალში, არის შემდეგი:
- ულტრაპატარა დაბალი ზღურბლის FK ლაზერები;
- სუპერნათელი კომპიუტერები კონტროლირებადი ემისიის სპექტრით;
- სუბმინიატურული FK ტალღები მიკრონის მოხრის რადიუსით;
- ფოტონიკური ინტეგრირებული სქემები ინტეგრაციის მაღალი ხარისხით დაფუძნებული პლანტურ კომპიუტერებზე;
- მინიატურული FK სპექტრალური ფილტრები, მათ შორის რეგულირებადი;
- შემთხვევითი წვდომის ოპტიკური მეხსიერების FK მოწყობილობები;
- FK ოპტიკური სიგნალის დამუშავების მოწყობილობები;
- ნიშნავს მაღალი სიმძლავრის ლაზერული გამოსხივების მიწოდებას PCF-ზე დაფუძნებული ღრუ ბირთვით.
სამგანზომილებიანი კომპიუტერების ყველაზე მაცდური, მაგრამ ასევე ყველაზე რთულად განსახორციელებელი არის ინფორმაციის დამუშავებისთვის ფოტონიკური და ელექტრონული მოწყობილობების სუპერ დიდი მოცულობითი ინტეგრირებული კომპლექსების შექმნა.
3D ფოტონიკური კრისტალების სხვა პოტენციური გამოყენება მოიცავს ხელოვნურ ოპალზე დაფუძნებული სამკაულების წარმოებას.
ფოტონური კრისტალები ასევე გვხვდება ბუნებაში, რაც დამატებით ფერებს აძლევს ჩვენს გარშემო არსებულ სამყაროს. ამრიგად, მოლუსკების ჭურვების დედის მარგალიტის საფარს, როგორიცაა ჰაიოტისი, აქვს 1D FC სტრუქტურა, ზღვის თაგვის ანტენები და პოლიქაეტის ჭიის ჯაგარი არის 2D FC და ბუნებრივი ნახევრადძვირფასი ოპალები და აფრიკული მერცხლის კუდის ფრთები. პეპლები (Papilio ulysses) ბუნებრივი სამგანზომილებიანი ფოტონიკური კრისტალებია.
ილუსტრაციები
|
ა– ორგანზომილებიანი (ზედა) და სამგანზომილებიანი (ქვედა) კომპიუტერის სტრუქტურა; ბარის ერთგანზომილებიანი კომპიუტერის დიაპაზონი, რომელიც წარმოიქმნება მეოთხედი ტალღის სიგრძის GaAs/AlxOy ფენებით (ზოლის უფსკრული ნაჩვენებია ისრით); inარის ინვერსიული ნიკელის FC, მიღებული FNM მოსკოვის სახელმწიფო უნივერსიტეტის თანამშრომლების მიერ. მ.ვ. ლომონოსოვა ნ.ა. საპოლოტოვა, კ.ს. ნაპოლსკი და ა.ა. ელისეევი |
2
შესავალი უძველესი დროიდან ადამიანი, რომელმაც იპოვა ფოტონის კრისტალი, მოხიბლული იყო მასში შუქის განსაკუთრებული მოლურჯო თამაშით. დადგინდა, რომ სხვადასხვა ცხოველისა და მწერების ქერცლებისა და ბუმბულის მოლურჯო გადაჭარბება გამოწვეულია მათზე ზესტრუქტურების არსებობით, რომლებმაც მიიღეს სახელწოდება ფოტონიკური კრისტალები მათი ამრეკლი თვისებებისთვის. ფოტონური კრისტალები ბუნებაში გვხვდება: მინერალებში (კალციტი, ლაბრადორიტი, ოპალი); პეპლების ფრთებზე; ხოჭოს ჭურვები; ზოგიერთი მწერის თვალები; წყალმცენარეები; თევზის სასწორები; ფარშევანგის ბუმბული. 3
ფოტონური კრისტალები ეს არის მასალა, რომლის სტრუქტურა ხასიათდება რეფრაქციული ინდექსის პერიოდული ცვლილებით სივრცითი მიმართულებით ფოტონიკური კრისტალი ალუმინის ოქსიდის საფუძველზე. მ.დეუბელი, გ.ვ. FREYMANN, MARTIN WEGENER, SURESH PEREIRA, KURT BUSCH AND COSTAS M. SOUKOULIS „სატელეკომუნიკაციო სამგანზომილებიანი ფოტონოკრისტალური შაბლონების პირდაპირი ლაზერული წერა“// Nature Material Vol. 3, პ
ცოტა ისტორია… 1887 რეილი იყო პირველი, ვინც გამოიკვლია ელექტრომაგნიტური ტალღების გავრცელება პერიოდულ სტრუქტურებში, რაც ანალოგიურია ერთგანზომილებიანი ფოტონიკური კრისტალების ფოტონიკური კრისტალების - ტერმინი შემოიღეს 1980-იანი წლების ბოლოს. ნახევარგამტარების ოპტიკური ანალოგის აღსანიშნავად. ეს არის ხელოვნური კრისტალები, რომლებიც დამზადებულია გამჭვირვალე დიელექტრიკისგან, რომელშიც ჰაერის „ხვრელები“ მოწესრიგებულად იქმნება. 5
ფოტონიკური კრისტალები - მსოფლიო ენერგიის მომავალი მაღალტემპერატურულ ფოტონიკურ კრისტალებს შეუძლიათ იმოქმედონ არა მხოლოდ როგორც ენერგიის წყარო, არამედ, როგორც უკიდურესად მაღალი ხარისხის დეტექტორები (ენერგია, ქიმიური) და სენსორები. მასაჩუსეტსის მეცნიერების მიერ შექმნილი ფოტონიკური კრისტალები ეფუძნება ვოლფრამისა და ტანტალის. ამ ნაერთს შეუძლია დამაკმაყოფილებლად იმუშაოს ძალიან მაღალ ტემპერატურაზე. ˚С-მდე. იმისათვის, რომ ფოტონიკურმა კრისტალმა დაიწყოს ერთი ტიპის ენერგიის მეორეში გადაქცევა, გამოსაყენებლად მოსახერხებელი, ნებისმიერი წყარო (თერმული, რადიო გამოსხივება, მყარი გამოსხივება, მზის შუქი და ა.შ.) ამას გააკეთებს. 6
7
ელექტრომაგნიტური ტალღების დისპერსიის კანონი ფოტონის კრისტალში (გაფართოებული ზონების დიაგრამა). მარჯვენა მხარე გვიჩვენებს კრისტალში მოცემულ მიმართულებას სიხშირეს შორის ურთიერთობას? და ReQ (მყარი მრუდები) და ImQ (დატეხილი მრუდი გაჩერების ზონაში ომეგა -
ფოტონიკური უფსკრული თეორია მხოლოდ 1987 წელს იყო, როდესაც ელი იაბლონოვიჩმა Bell Communications Research-მა (ამჟამად პროფესორი UCLA) წარმოადგინა ელექტრომაგნიტური ზოლის უფსკრულის ცნება. ჰორიზონტების გაფართოება: ლექცია ელი იაბლონოვიჩის yablonovitch-uc-berkeley/view ლექცია ჯონ პენდრის ჯონ პენდრის იმპერიული კოლეჯის/ნახვა 9
ბუნებაში ასევე გვხვდება ფოტონიკური კრისტალები: აფრიკული მერცხლის კუდის პეპლების ფრთებზე, მოლუსკების ნაჭუჭების დედის მარგალიტის საფარი, როგორიცაა გალიოტი, ზღვის თაგვის ბარნაკულები და პოლიქაეტის ჭიის ჯაგარი. ოპალის სამაჯურის ფოტო. ოპალი ბუნებრივი ფოტონიკური კრისტალია. მას უწოდებენ "მატყუარა იმედების ქვას" 10
11
არ არის პიგმენტური საფარის გათბობა და ფოტოქიმიური განადგურება" title="(!LANG: FA-ზე დაფუძნებული ფილტრების უპირატესობები ცოცხალი ორგანიზმებისთვის შთანთქმის მექანიზმთან შედარებით: ჩარევის შეღებვა არ საჭიროებს სინათლის ენერგიის შეწოვას და გაფრქვევას, => არ არის გათბობა და პიგმენტური საფარის ფოტოქიმიური განადგურება" class="link_thumb"> 12 !} FA-ზე დაფუძნებული ფილტრების უპირატესობები შთანთქმის მექანიზმთან შედარებით ცოცხალი ორგანიზმებისთვის: ინტერფერენციული შეღებვა არ საჭიროებს სინათლის ენერგიის შეწოვას და გაფრქვევას, => არ არის პიგმენტური საფარის გათბობა და ფოტოქიმიური განადგურება. ცხელ კლიმატში მცხოვრებ პეპლებს აქვთ ფრთების მოლურჯო ნიმუში და აღმოჩენილია, რომ ზედაპირზე ფოტონის კრისტალის სტრუქტურა ამცირებს სინათლის შთანთქმას და, შესაბამისად, ფრთების გათბობას. ზღვის თაგვი დიდი ხანია იყენებს ფოტონის კრისტალებს. 12 არ არის პიგმენტური საფარის გათბობა და ფოტოქიმიური განადგურება "> არ არის პიგმენტური საფარის გათბობა და ფოტოქიმიური განადგურება. ცხელ კლიმატში მცხოვრებ პეპლებს აქვთ მოლურჯო ფრთების ნიმუში, ხოლო ფოტონის კრისტალის სტრუქტურა ზედაპირზე, როგორც აღმოჩნდა, მცირდება. სინათლის შთანთქმა და, შესაბამისად, ფრთების გათბობა. ზღვის თაგვი უკვე დიდი ხანია იყენებს ფოტონის კრისტალებს პრაქტიკაში. => არ არის გათბობა და პიგმენტის ფოტოქიმიური განადგურება."> title="FA-ზე დაფუძნებული ფილტრების უპირატესობები ცოცხალი ორგანიზმებისთვის შთანთქმის მექანიზმთან შედარებით: ინტერფერენციული შეღებვა არ საჭიროებს სინათლის ენერგიის შეწოვას და გაფრქვევას, => არ არის პიგმენტური საფარის გათბობა და ფოტოქიმიური განადგურება."> !}
Morpho didius iridescent პეპელა და მისი ფრთის მიკროგრაფი, როგორც დიფრაქციული ბიოლოგიური მიკროსტრუქტურის მაგალითი. ირისისფერი ბუნებრივი ოპალი (ნახევრად ძვირფასი ქვა) და მისი მიკროსტრუქტურის გამოსახულება, რომელიც შედგება სილიციუმის დიოქსიდის მჭიდროდ შეფუთული სფეროებისგან. 13
ფოტონური კრისტალების კლასიფიკაცია 1. ერთგანზომილებიანი. რომელშიც რეფრაქციული ინდექსი პერიოდულად იცვლება ერთი სივრცითი მიმართულებით, როგორც ნაჩვენებია სურათზე. ამ ფიგურაში, სიმბოლო Λ აღნიშნავს გარდატეხის ინდექსის ცვლილების პერიოდს და ორი მასალის გარდატეხის მაჩვენებლებს (მაგრამ ზოგადად მასალის ნებისმიერი რაოდენობა შეიძლება იყოს წარმოდგენილი). ასეთი ფოტონიკური კრისტალები შედგება სხვადასხვა მასალის ფენებისგან, ერთმანეთის პარალელურად, სხვადასხვა რეფრაქციული მაჩვენებლით და შეუძლიათ თავიანთი თვისებების გამოვლენა ფენების პერპენდიკულარულად ერთი სივრცითი მიმართულებით. თოთხმეტი
2. ორგანზომილებიანი. რომელშიც რეფრაქციული ინდექსი პერიოდულად იცვლება ორი სივრცითი მიმართულებით, როგორც ნაჩვენებია სურათზე. ამ ფიგურაში ფოტონის კრისტალი იქმნება მართკუთხა უბნებით n1 გარდატეხის ინდექსით, რომლებიც განლაგებულია n2 რეფრაქციული ინდექსით გარემოში. ამ შემთხვევაში, n1 გარდატეხის ინდექსის მქონე რეგიონები დალაგებულია ორგანზომილებიანი კუბური გისოსებით. ასეთ ფოტოურ კრისტალებს შეუძლიათ გამოავლინონ თავიანთი თვისებები ორი სივრცითი მიმართულებით, ხოლო n1 გარდატეხის ინდექსის მქონე რეგიონების ფორმა არ შემოიფარგლება მართკუთხედებით, როგორც ფიგურაში, მაგრამ შეიძლება იყოს ნებისმიერი (წრეები, ელიფსები, თვითნებური და ა.შ.). ბროლის გისოსი, რომელშიც ეს რეგიონებია დალაგებული, ასევე შეიძლება იყოს განსხვავებული და არა მხოლოდ კუბური, როგორც ფიგურაში. თხუთმეტი
3. სამგანზომილებიანი. რომელშიც რეფრაქციული ინდექსი პერიოდულად იცვლება სამი სივრცითი მიმართულებით. ასეთ ფოტონიკურ კრისტალებს შეუძლიათ გამოავლინონ თავიანთი თვისებები სამი სივრცითი მიმართულებით და ისინი შეიძლება წარმოდგენილი იყოს მოცულობითი რეგიონების მასივით (სფეროები, კუბურები და ა. 16
ფოტონური კრისტალების გამოყენება პირველი აპლიკაცია არის სპექტრალური არხის გამოყოფა. ხშირ შემთხვევაში, არა ერთი, არამედ რამდენიმე სინათლის სიგნალი მოძრაობს ოპტიკურ ბოჭკოზე. ხანდახან საჭიროა მათი დალაგება - თითოეულის გაგზავნა ცალკე გზაზე. მაგალითად - ოპტიკური სატელეფონო კაბელი, რომლის მეშვეობითაც მიმდინარეობს რამდენიმე საუბარი ერთდროულად სხვადასხვა ტალღის სიგრძეზე. ფოტონიკური კრისტალი იდეალური საშუალებაა ნაკადიდან სასურველი ტალღის სიგრძის „გამოსაჭრელად“ და მისკენ, სადაც საჭიროა. მეორე არის ჯვარი მსუბუქი ნაკადებისთვის. ასეთი მოწყობილობა, რომელიც იცავს სინათლის არხებს ურთიერთგავლენისგან ფიზიკურად გადაკვეთისას, აბსოლუტურად აუცილებელია მსუბუქი კომპიუტერისა და მსუბუქი კომპიუტერული ჩიპების შექმნისას. 17
ფოტონიკური კრისტალი ტელეკომუნიკაციებში არც ისე ბევრი წელი გასულა პირველი განვითარების დაწყებიდან, რადგან ინვესტორებისთვის ცხადი გახდა, რომ ფოტონიკური კრისტალები ფუნდამენტურად ახალი ტიპის ოპტიკური მასალებია და მათ აქვთ ნათელი მომავალი. ოპტიკური დიაპაზონის ფოტონიკური კრისტალების განვითარების შედეგი კომერციული გამოყენების დონემდე, სავარაუდოდ, მოხდება ტელეკომუნიკაციების სფეროში. თვრამეტი
21
FC Pluses-ის მიღების ლითოგრაფიული და ჰოლოგრაფიული მეთოდების უპირატესობები და უარყოფითი მხარეები: ფორმირებული სტრუქტურის მაღალი ხარისხი. წარმოების სწრაფი სიჩქარე მასობრივი წარმოების სიმარტივე ნაკლოვანებები საჭირო ძვირადღირებული აღჭურვილობა. კიდეების სიმკვეთრის შესაძლო გაუარესება კონფიგურაციის დამზადების სირთულე 22
ფსკერზე ახლო ხედზე ნაჩვენებია 10 ნმ რიგის დარჩენილი უხეშობა. იგივე უხეშობა ჩანს ჩვენს SU-8 შაბლონებზე, რომლებიც დამზადებულია ჰოლოგრაფიული ლითოგრაფიით. ეს ნათლად აჩვენებს, რომ ეს უხეშობა არ არის დაკავშირებული დამზადების პროცესთან, არამედ ფოტორეზისტის საბოლოო გარჩევადობასთან. 24
PBG-ის ფუნდამენტური ტალღის სიგრძის გადასატანად სატელეკომუნიკაციო რეჟიმში 1,5 μm და 1,3 μm, აუცილებელია ღეროების სიბრტყეში 1 მკმ ან ნაკლები მანძილი. დამზადებულ ნიმუშებს აქვს პრობლემა: ღეროები იწყებენ კონტაქტს ერთმანეთთან, რაც იწვევს ფრაქციის არასასურველ დიდ ავსებას. გამოსავალი: ღეროს დიამეტრის შემცირება, შესაბამისად, ფრაქციის შევსება, ჟანგბადის პლაზმაში 26 ამოტვირთვის გზით
კომპიუტერის ოპტიკური თვისებები საშუალო სიხშირის გამო, გამოსხივების გავრცელება ფოტონის კრისტალის შიგნით ხდება ელექტრონის მოძრაობას ჩვეულებრივი კრისტალის შიგნით პერიოდული პოტენციალის მოქმედებით. გარკვეულ პირობებში, კომპიუტერის ზოლის სტრუქტურაში ჩნდება ხარვეზები, ისევე როგორც ბუნებრივ კრისტალებში აკრძალული ელექტრონული ზოლები. 27
ორგანზომილებიანი პერიოდული ფოტონიკური კრისტალი მიიღება ვერტიკალური დიელექტრიკული ღეროების პერიოდული სტრუქტურის ფორმირებით, რომლებიც დარგულია კვადრატულ ბუდეში სილიციუმის დიოქსიდის სუბსტრატზე. ფოტონიკურ კრისტალში „დეფექტების“ მოთავსებით შესაძლებელია ტალღის გამტარების შექმნა, რომლებიც, ნებისმიერი კუთხით მოხრილი, იძლევა 100%-იან გადაცემას ორგანზომილებიან ფოტონიკურ სტრუქტურებს ზოლიანი 28.
პოლარიზაციისადმი მგრძნობიარე ფოტონური ზოლებით სტრუქტურის მოპოვების ახალი მეთოდი ფოტონის დიაპაზონის სტრუქტურის სხვა ოპტიკურ და ოპტოელექტრონულ მოწყობილობებთან კომბინირების მიდგომის შემუშავება მოკლე და გრძელტალღოვანი ზოლების საზღვრებზე დაკვირვება. გამოცდილების მიზანია: 29
ძირითადი ფაქტორები, რომლებიც განსაზღვრავენ ფოტონური დიაპაზონის (PBG) სტრუქტურის თვისებებს, არის რეფრაქციული კონტრასტი, მაღალი და დაბალი მასალის ინდექსების პროპორცია გისოსებში და გისოსების ელემენტების განლაგება. გამოყენებული ტალღების კონფიგურაცია შედარებულია ნახევარგამტარული ლაზერის კონფიგურაციასთან. მასივი ძალიან მცირეა (100 ნმ დიამეტრით) ტალღების ბირთვზე ამოტვიფრული ხვრელები, რომლებიც ქმნიან ექვსკუთხა ბადეს 30
ნახ.2ა გისოსისა და ბრილუინის ზონის ესკიზი, რომელიც ასახავს სიმეტრიის მიმართულებებს ჰორიზონტალურ მჭიდროდ შეფუთულ გისოსებში. b, c გადაცემის მახასიათებლების გაზომვა 19 ნმ ფოტონიკურ ბადეზე. 31 ბრილუინის ზონა სიმეტრიული მიმართულებებით
ნახ.4 1 (a) და 2 (ბ) ზოლის შესაბამისი მოგზაური ტალღების პროფილების ელექტრული ველის ფოტოები, K წერტილის მახლობლად TM პოლარიზაციისთვის. a-ში ველს აქვს იგივე ამრეკლი სიმეტრია y-z სიბრტყის მიმართ, როგორც სიბრტყის ტალღა, ამიტომ ის ადვილად უნდა ურთიერთქმედებდეს შემომავალ სიბრტყე ტალღასთან. ამის საპირისპიროდ, b-ში ველი ასიმეტრიულია, რაც არ იძლევა ამ ურთიერთქმედების წარმოქმნის საშუალებას. 33
დასკვნა: PBG სტრუქტურები შეიძლება გამოყენებულ იქნას როგორც სარკეები და ელემენტები ნახევარგამტარულ ლაზერებში ემისიის პირდაპირი კონტროლისთვის.
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.
